ธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลในวัตถุที่เป็นของแข็ง ของเหลว และก๊าซ และการเปลี่ยนแปลงของมันเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การขยายตัวทางความร้อนของร่างกาย

หัวข้อ: พลังแห่งปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล รวม

สถานะของสสาร ธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลในของแข็ง

ของเหลวและก๊าซและการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

การขยายตัวทางความร้อนของร่างกาย การเปลี่ยนเฟส เฟสความร้อน

การเปลี่ยนภาพ ความสมดุลของเฟส

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลมีลักษณะทางไฟฟ้า ระหว่างพวกเขา

มีแรงดึงดูดและแรงผลักซึ่งลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเพิ่มขึ้น

ระยะห่างระหว่างโมเลกุล

แรงผลักจะออกฤทธิ์ในระยะทางที่สั้นมากเท่านั้น

ในทางปฏิบัติ พฤติกรรมของสารและสถานะการรวมตัวของสารจะถูกกำหนดโดยสิ่งที่สำคัญที่สุด: แรงดึงดูดหรือการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่วุ่นวาย

ในของแข็ง แรงปฏิสัมพันธ์มีอิทธิพลเหนือ ดังนั้นพวกมันจึงคงรูปร่างไว้ แรงอันตรกิริยาขึ้นอยู่กับรูปร่างและโครงสร้างของโมเลกุล ดังนั้นจึงไม่มีกฎข้อเดียวในการคำนวณ

อย่างไรก็ตาม ถ้าเราจินตนาการว่าโมเลกุลมีรูปร่างเป็นทรงกลม ลักษณะทั่วไปของการพึ่งพาแรงอันตรกิริยากับระยะห่างระหว่างโมเลกุล –r จะแสดงไว้ในรูปที่ 1-a รูปที่ 1-b แสดงการพึ่งพาพลังงานอันตรกิริยาศักย์ของโมเลกุลกับระยะห่างระหว่างพวกมัน ที่ระยะหนึ่ง r0 (สารต่างกันจะต่างกัน) Fattractive = Frepulsive พลังงานศักย์มีน้อยมาก ที่ rr0 แรงผลักจะมีอิทธิพลเหนือกว่า และที่ rr0 ในทางกลับกัน

รูปที่ 1-c แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์ของโมเลกุลไปเป็นพลังงานศักย์ระหว่างการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน (เช่น การสั่นสะเทือน) ในทุกรูป จุดกำเนิดของพิกัดจะอยู่ในแนวเดียวกับจุดศูนย์กลางของโมเลกุลตัวใดตัวหนึ่ง เมื่อเข้าใกล้โมเลกุลอื่น พลังงานจลน์ของมันจะแปลงเป็นพลังงานศักย์และถึงค่าสูงสุดที่ระยะทาง r=d d เรียกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางประสิทธิผลของโมเลกุล (ระยะห่างต่ำสุดที่จุดศูนย์กลางของโมเลกุลทั้งสองเข้าใกล้กัน

เห็นได้ชัดว่าเส้นผ่านศูนย์กลางที่มีประสิทธิภาพนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ เหนือสิ่งอื่นใด เนื่องจากที่อุณหภูมิสูงกว่า โมเลกุลจึงสามารถเข้าใกล้กันมากขึ้นได้

ที่อุณหภูมิต่ำ เมื่อพลังงานจลน์ของโมเลกุลต่ำ พวกมันจะถูกดึงดูดอย่างใกล้ชิดและก่อตัวในลำดับที่แน่นอน - สถานะการรวมตัวที่มั่นคง

การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนในของแข็งส่วนใหญ่จะเป็นแบบสั่นสะเทือน ที่อุณหภูมิสูง การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่รุนแรงจะป้องกันไม่ให้โมเลกุลเข้าใกล้กัน - สถานะก๊าซ การเคลื่อนที่ของโมเลกุลเป็นแบบแปลนและแบบหมุน ในก๊าซ น้อยกว่า 1% ของปริมาตรคือปริมาตรของโมเลกุลเอง ที่อุณหภูมิปานกลาง โมเลกุลจะเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องในอวกาศโดยเปลี่ยนสถานที่ แต่ระยะห่างระหว่างพวกมันไม่มากกว่า d - ของเหลวมากนัก ธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลในของเหลวนั้นมีการสั่นสะเทือนและการแปล (ในขณะที่พวกมันกระโดดไปสู่ตำแหน่งสมดุลใหม่)

การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลอธิบายปรากฏการณ์การขยายตัวทางความร้อนของร่างกาย เมื่อถูกความร้อน แอมพลิจูดของการเคลื่อนที่แบบสั่นสะเทือนของโมเลกุลจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ขนาดของร่างกายเพิ่มขึ้น

การขยายตัวเชิงเส้นของวัตถุที่เป็นของแข็งอธิบายไว้ในสูตร:

l l 0 (1 t) โดยที่คือสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้น 10-5 K-1 การขยายตัวตามปริมาตรของวัตถุอธิบายได้ด้วยสูตรที่คล้ายกัน: V V0 (1 t) คือสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวตามปริมาตร และ =3

สารสามารถอยู่ในสถานะของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซได้ สถานะเหล่านี้เรียกว่าสถานะรวมของสสาร สารสามารถเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งได้ คุณลักษณะเฉพาะของการเปลี่ยนแปลงของสสารคือความเป็นไปได้ของการดำรงอยู่ของระบบที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันที่เสถียรเมื่อสารสามารถอยู่ในสถานะการรวมตัวหลายสถานะพร้อมกัน

เมื่ออธิบายระบบดังกล่าว จะใช้แนวคิดที่กว้างขึ้นเกี่ยวกับเฟสของสสาร ตัวอย่างเช่น คาร์บอนในสถานะของแข็งของการรวมตัวสามารถอยู่ในสองเฟสที่แตกต่างกัน - เพชรและกราไฟท์ ระยะคือผลรวมของทุกส่วนของระบบ ซึ่งหากไม่มีอิทธิพลจากภายนอกก็จะมีความเป็นเนื้อเดียวกันทางกายภาพ หากเฟสของสารหลายเฟสสัมผัสกันที่อุณหภูมิและความดันที่กำหนด และมวลของเฟสหนึ่งไม่เพิ่มขึ้นเนื่องจากอีกเฟสหนึ่งลดลง เราก็จะพูดถึงสมดุลของเฟส

การเปลี่ยนผ่านของสารจากเฟสหนึ่งไปอีกเฟสหนึ่งเรียกว่าการเปลี่ยนเฟส ในระหว่างการเปลี่ยนเฟสจะเกิดการเปลี่ยนแปลงเชิงคุณภาพของคุณสมบัติของสารอย่างฉับพลัน (เกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิแคบ) การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ความหนาแน่น และพารามิเตอร์อื่นๆ อย่างกะทันหัน มีการเปลี่ยนเฟสของลำดับที่หนึ่งและที่สอง การเปลี่ยนเฟสลำดับที่หนึ่ง ได้แก่ การหลอม การแข็งตัว (การตกผลึก) การระเหย การควบแน่น และการระเหิด (การระเหยจากพื้นผิวของของแข็ง) การเปลี่ยนเฟสประเภทนี้สัมพันธ์กับการปล่อยหรือการดูดกลืนความร้อนเสมอ เรียกว่าความร้อนแฝงของการเปลี่ยนเฟส

ในระหว่างการเปลี่ยนเฟสของลำดับที่สอง จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานและความหนาแน่นอย่างกะทันหัน ความร้อนของการเปลี่ยนเฟสก็เท่ากับ 0 เช่นกัน การเปลี่ยนแปลงระหว่างการเปลี่ยนดังกล่าวเกิดขึ้นทันทีตลอดปริมาตรทั้งหมดอันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของโครงผลึกที่อุณหภูมิหนึ่งซึ่งเรียกว่าจุดกูรี

ลองพิจารณาการเปลี่ยนแปลงลำดับแรก เมื่อร่างกายได้รับความร้อนตามที่ระบุไว้ การขยายตัวทางความร้อนของร่างกายจะเกิดขึ้นและเป็นผลให้พลังงานศักย์ของการมีปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคลดลง สถานการณ์เกิดขึ้นเมื่อที่อุณหภูมิหนึ่ง ความสัมพันธ์ระหว่างศักย์กับพลังงานจลน์ไม่สามารถรับประกันความสมดุลของสถานะเฟสเก่าและสารผ่านเข้าสู่เฟสใหม่

การหลอมละลายคือการเปลี่ยนจากสถานะผลึกเป็นสถานะของเหลว Q=m ซึ่งเป็นความร้อนจำเพาะของฟิวชัน แสดงให้เห็นว่าต้องใช้ความร้อนเท่าใดในการแปลงของแข็ง 1 กิโลกรัมให้เป็นของเหลวที่จุดหลอมเหลว โดยมีหน่วยเป็น J/kg ในระหว่างการตกผลึก ปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาจะคำนวณโดยใช้สูตรเดียวกัน การหลอมเหลวและการตกผลึกเกิดขึ้นที่อุณหภูมิเฉพาะของสารที่กำหนด เรียกว่าจุดหลอมเหลว

การระเหย โมเลกุลในของเหลวนั้นถูกดึงดูดด้วยแรงดึงดูด แต่โมเลกุลที่เร็วที่สุดบางตัวสามารถออกจากปริมาตรของของเหลวได้ ในกรณีนี้ พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลที่เหลือจะลดลงและของเหลวจะเย็นตัวลง เพื่อรักษาการระเหย จำเป็นต้องจ่ายความร้อน: Q=rm, r – ความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอ ซึ่งแสดงปริมาณความร้อนที่ต้องใช้เพื่อแปลงของเหลว 1 กิโลกรัมให้เป็นสถานะก๊าซที่อุณหภูมิคงที่

หน่วย: เจ/กก. เมื่อเกิดการควบแน่น ความร้อนจะถูกปล่อยออกมา

ความร้อนจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงคำนวณโดยใช้สูตร: Q=qm

ภายใต้สภาวะสมดุลทางกลและทางความร้อน สถานะของระบบที่ไม่เหมือนกันจะถูกกำหนดโดยการตั้งค่าความดันและอุณหภูมิ เนื่องจากพารามิเตอร์เหล่านี้เหมือนกันในแต่ละส่วนของระบบ ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าเมื่อสองเฟสอยู่ในสมดุล ความดันและอุณหภูมิจะเชื่อมโยงถึงกันด้วยการพึ่งพาซึ่งแสดงถึงเส้นโค้งสมดุลของเฟส

จุดที่วางอยู่บนเส้นโค้งอธิบายถึงระบบที่ต่างกันซึ่งมีสองเฟส จุดที่อยู่ภายในบริเวณนี้อธิบายสถานะของสสารที่เป็นเนื้อเดียวกัน

หากเส้นโค้งของสมดุลเฟสทั้งหมดของสารตัวหนึ่งถูกพล็อตบนระนาบ พวกมันก็จะแบ่งออกเป็นส่วนต่างๆ และมาบรรจบกันที่จุดหนึ่งซึ่งเรียกว่าจุดสามจุด จุดนี้อธิบายสถานะของสสารซึ่งสามารถอยู่ร่วมกันทั้งสามเฟสได้ รูปที่ 2 แสดงแผนผังสถานะของน้ำ

การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุล
ข้อเท็จจริงที่น่าเชื่อที่สุดคือการเคลื่อนที่ของโมเลกุลแบบบราวเนียน การเคลื่อนที่ของโมเลกุลแบบบราวเนียนยืนยันธรรมชาติที่วุ่นวายของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนและการพึ่งพาความเข้มของการเคลื่อนที่นี้กับอุณหภูมิ เป็นครั้งแรกที่นักพฤกษศาสตร์ชาวอังกฤษอาร์. บราวน์สังเกตเห็นการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคของแข็งขนาดเล็กในปี พ.ศ. 2370 โดยตรวจสอบอนุภาคของแข็งที่แขวนอยู่ในน้ำ - สปอร์ของมอส ดึงความสนใจของนักเรียนไปที่ความจริงที่ว่าสปอร์เคลื่อนที่ไปตามเส้นตรงที่ประกอบกันเป็นเส้นขาด ตั้งแต่นั้นมา การเคลื่อนที่ของอนุภาคในของเหลวหรือก๊าซจึงเรียกว่า บราวเนียน จัดทำการทดลองสาธิตมาตรฐาน “การสังเกตการเคลื่อนที่ของบราวเนียน” โดยใช้กล่องกลมมีแก้วสองใบ

คุณสามารถเพิ่มความเข้มข้นของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนได้ด้วยการเปลี่ยนอุณหภูมิของของเหลวหรือก๊าซ โดยการเพิ่มอุณหภูมิ อนุภาคบราวเนียนเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของการกระแทกของโมเลกุล คำอธิบายการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของอนุภาคก็คือ ผลกระทบของโมเลกุลของเหลวหรือก๊าซที่มีต่ออนุภาคนั้นจะไม่หักล้างกัน ทฤษฎีเชิงปริมาณของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนได้รับการพัฒนาโดย Albert Einstein ในปี 1905 ไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่าการกระจัดเฉลี่ยของอนุภาคบราวเนียนเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิของตัวกลาง ขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของอนุภาค และเป็นสัดส่วนโดยตรงกับเวลาในการสังเกต นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส J. Perrin ได้ทำการทดลองหลายชุดที่ยืนยันเชิงปริมาณเกี่ยวกับทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน

การคำนวณจำนวนผลกระทบต่อผนังภาชนะให้เราพิจารณาก๊าซเชิงเดี่ยวในอุดมคติในสภาวะสมดุลในภาชนะที่มีปริมาตร V ให้เราเลือกโมเลกุลที่มีความเร็วตั้งแต่ v ถึง v + dv จากนั้นจำนวนโมเลกุลที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางของมุม  และ  ด้วยความเร็วเหล่านี้จะเท่ากับ:

dN v,, = dN v ·d/4 (14.8)

ให้เราเลือกพื้นผิวเบื้องต้นที่มีพื้นที่ dP ซึ่งเราจะนำมาเป็นส่วนหนึ่งของผนังของภาชนะ ในหน่วยเวลา โมเลกุลที่อยู่ในทรงกระบอกเฉียงซึ่งมีฐาน dP และความสูง v·cos  จะไปถึงบริเวณนี้ (ดูรูปที่ 14.3) จำนวนจุดตัดของพื้นผิวที่เลือกโดยโมเลกุลที่เราเลือก (จำนวนการกระแทกบนผนัง) ต่อหน่วยเวลา d v,, จะเท่ากับผลคูณของความเข้มข้นของโมเลกุลและปริมาตรของทรงกระบอกเฉียงนี้:

d v,, = dП·v·cos ·dN v,, /V, (14.9)
โดยที่ V คือปริมาตรของถังบรรจุก๊าซ

การมีนิพจน์อินทิเกรต (14.9) เหนือมุมภายในมุมตัน 2 ซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของมุม  และ  ในช่วงตั้งแต่ 0 ถึง /2 และจาก 0 ถึง 2 ตามลำดับ เราจะได้สูตรสำหรับ คำนวณจำนวนแรงกระแทกทั้งหมดของโมเลกุลที่มีความเร็วตั้งแต่ v ถึง v + dv รอบผนัง

เมื่อรวมนิพจน์กับความเร็วทั้งหมดเข้าด้วยกัน เราจึงได้จำนวนผลกระทบของโมเลกุลบนผนังพื้นที่ dP ต่อหน่วยเวลาจะเท่ากับ:

. (14.11)

เมื่อคำนึงถึงคำจำกัดความของความเร็วเฉลี่ย เราพบว่าจำนวนผลกระทบของโมเลกุลบนผนังของหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยเวลาจะเท่ากับ:

= ไม่มี/V /4 = n /4.

การแจกแจงของ Boltzmann ซึ่งก็คือการกระจายตัวของอนุภาคในสนามศักย์ภายนอก สามารถใช้เพื่อกำหนดค่าคงที่ที่ใช้ในฟิสิกส์โมเลกุลได้ การทดลองที่สำคัญและมีชื่อเสียงที่สุดอย่างหนึ่งในสาขานี้คืองานของเพอร์รินในการกำหนดจำนวนของอาโวกาโดร เนื่องจากไม่สามารถมองเห็นโมเลกุลของก๊าซได้แม้จะใช้กล้องจุลทรรศน์ จึงมีการนำอนุภาคบราวเนียนที่มีขนาดใหญ่กว่ามากมาใช้ในการทดลอง อนุภาคเหล่านี้ถูกวางไว้ในสารละลายซึ่งมีแรงลอยตัวมากระทำกับอนุภาคเหล่านั้น ในเวลาเดียวกัน แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่ออนุภาคบราวเนียนลดลง และด้วยเหตุนี้การกระจายตัวของอนุภาคตามความสูงจึงดูเหมือนจะยืดออก ทำให้สามารถสังเกตการกระจายตัวนี้ผ่านกล้องจุลทรรศน์ได้

ปัญหาอย่างหนึ่งคือการได้อนุภาคแขวนลอยที่มีขนาดและรูปร่างเท่ากันทุกประการ เพอร์รินใช้อนุภาคของหมากฝรั่งและสีเหลืองอ่อน ถูกัมมิกัตในน้ำ เพอร์รินได้รับอิมัลชันสีเหลืองสดใส ซึ่งเมื่อสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์ จะสามารถแยกแยะเม็ดทรงกลมจำนวนมากได้ แทนที่จะใช้การถูเชิงกล เพอร์รินยังใช้แอลกอฮอล์กับหมากฝรั่งหรือมาสติกด้วย ซึ่งจะช่วยละลายสารเหล่านี้ได้ เมื่อสารละลายดังกล่าวถูกเจือจางด้วยน้ำปริมาณมาก จะได้อิมัลชันจากเม็ดทรงกลมแบบเดียวกับเมื่อทำการบดหมากฝรั่งด้วยเครื่องจักร ในการเลือกเมล็ดที่มีขนาดเท่ากันทุกประการ เพอร์รินจะนำอนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในน้ำ 1 ครั้งมาปั่นเหวี่ยงซ้ำๆ และด้วยวิธีนี้จะได้อิมัลชันที่เป็นเนื้อเดียวกันมากซึ่งประกอบด้วยอนุภาคทรงกลมที่มีรัศมีประมาณไมโครเมตร หลังจากแปรรูปหมากฝรั่ง 1 กิโลกรัม เพอร์รินได้รับเศษส่วนหลังจากนั้นไม่กี่เดือนซึ่งมีเมล็ดขนาดที่ต้องการหลายเดซิกรัม การทดลองที่อธิบายไว้ ณ ที่นี้ดำเนินการกับเศษส่วนนี้

เมื่อศึกษาอิมัลชัน จำเป็นต้องทำการวัดที่ส่วนสูงที่แตกต่างกันเล็กน้อย เพียงไม่กี่ในร้อยของมิลลิเมตร ดังนั้นจึงศึกษาการกระจายความสูงของความเข้มข้นของอนุภาคโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ แก้วที่บางมากและมีรูกว้างติดอยู่กับสไลด์ของกล้องจุลทรรศน์ (ดังแสดงในรูป) ด้วยวิธีนี้ จึงได้อ่างแบบเรียบ (Zeiss cuvette (1816-1886)) ซึ่งมีความสูงประมาณ 100 ไมครอน (0.1 มม.) วางอิมัลชันหยดหนึ่งไว้ตรงกลางอ่างอาบน้ำ ซึ่งถูกปิดด้วยกระจกครอบทันที เพื่อหลีกเลี่ยงการระเหย ขอบของแผ่นปิดจึงถูกเคลือบด้วยพาราฟินหรือวานิช สามารถสังเกตยาได้หลายวันหรือหลายสัปดาห์ การเตรียมถูกวางบนแท่นกล้องจุลทรรศน์ โดยติดตั้งอย่างระมัดระวังในแนวนอน เลนส์นี้มีกำลังขยายสูงมากและมีระยะโฟกัสที่ตื้น ในเวลาเดียวกันจึงสามารถมองเห็นได้เฉพาะอนุภาคที่อยู่ภายในชั้นแนวนอนบางมากซึ่งมีความหนาประมาณไมโครเมตร อนุภาคมีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนที่รุนแรง ด้วยการโฟกัสกล้องจุลทรรศน์ไปที่ชั้นอิมัลชันในแนวนอน ทำให้สามารถนับจำนวนอนุภาคในชั้นนี้ได้ จากนั้นกล้องจุลทรรศน์ก็ถูกโฟกัสไปที่อีกชั้นหนึ่ง และจำนวนอนุภาคบราวเนียนที่มองเห็นได้ก็ถูกนับอีกครั้ง ด้วยวิธีนี้ จึงเป็นไปได้ที่จะกำหนดอัตราส่วนของความเข้มข้นของอนุภาคบราวเนียนที่ระดับความสูงต่างๆ ความแตกต่างของความสูงวัดด้วยสกรูไมโครมิเตอร์ของกล้องจุลทรรศน์

ตอนนี้เรามาดูการคำนวณเฉพาะกันดีกว่า เนื่องจากอนุภาคบราวเนียนอยู่ในสนามแรงโน้มถ่วงและอาร์คิมิดีส พลังงานศักย์ของอนุภาคดังกล่าวจึงเท่ากับ

ในสูตรนี้ p คือความหนาแน่นของเหงือก p คือความหนาแน่นของของเหลว V คือปริมาตรของอนุภาคของเหงือก ต้นกำเนิดของพลังงานศักย์ถูกเลือกที่ด้านล่างของเซลล์นั่นคือที่ h = 0 เราเขียนการแจกแจงของ Boltzmann สำหรับฟิลด์ดังกล่าวในรูปแบบ

n(h) = n0e kT = n0e kT . จำได้ว่า n คือจำนวนอนุภาคต่อหน่วยปริมาตรที่ความสูง h และ n0 คือจำนวนอนุภาคต่อหน่วยปริมาตรที่ความสูง h = 0

จำนวนลูกบอล AN ที่มองเห็นผ่านกล้องจุลทรรศน์ที่ความสูง h เท่ากับ n(h)SAh โดยที่ S คือพื้นที่ของส่วนที่มองเห็นได้ของอิมัลชัน และ Ah คือระยะชัดลึกของกล้องจุลทรรศน์ (ในแบบเพอร์ริน ทดลองค่านี้คือ 1 μm) จากนั้นเราเขียนอัตราส่วนของจำนวนอนุภาคที่ความสูงสองระดับ h1 และ h2 ดังนี้:

AN1 = ((พี-พี")Vg(h2 _ h1) - หมดอายุ

โดยการคำนวณลอการิทึมของทั้งสองด้านของความเท่าเทียมกันและทำการคำนวณอย่างง่าย เราได้ค่าคงที่ของ Boltzmann แล้วตามด้วยจำนวน Avogadro:

k (p_p")Vg(h2 _ h1)

การทำงานภายใต้สภาวะที่แตกต่างกันและด้วยอิมัลชันที่แตกต่างกัน เพอร์รินได้รับค่าคงที่ของอโวกาโดรตั้งแต่ 6.5 · 1,023 ถึง 7.2 · 1,023 โมล-1 นี่เป็นหนึ่งในข้อพิสูจน์โดยตรงของทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุลซึ่งมีความถูกต้องซึ่งนักวิทยาศาสตร์บางคนไม่เชื่อในเวลานั้น

พลังงานเฉลี่ยของโมเลกุล

[การทดสอบฟิสิกส์ 24] แรงอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุล สถานะรวมของสสาร ธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลในวัตถุที่เป็นของแข็ง ของเหลว และก๊าซ และการเปลี่ยนแปลงของมันเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การขยายตัวทางความร้อนของร่างกาย การขยายตัวเชิงเส้นของของแข็งเมื่อถูกความร้อน การขยายตัวทางความร้อนของของแข็งและของเหลวตามปริมาตร การเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะของการรวมกลุ่ม ความร้อนของการเปลี่ยนเฟส ความสมดุลของเฟส สมการสมดุลความร้อน

แรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลมีลักษณะทางไฟฟ้า ระหว่างพวกเขามีแรงดึงดูดและแรงผลักซึ่งลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเพิ่มขึ้นระยะห่างระหว่างโมเลกุลกองกำลังที่น่ารังเกียจทำหน้าที่ในระยะทางที่สั้นมากเท่านั้นพฤติกรรมเชิงปฏิบัติของสสารและสภาพร่างกายของมันกำหนดโดยสิ่งที่เป็นโดดเด่น: พลังแห่งแรงดึงดูดหรือการเคลื่อนไหวทางความร้อนที่วุ่นวายกองกำลังครอบงำอยู่ในของแข็งปฏิสัมพันธ์ ดังนั้นพวกเขายังคงรูปร่างของมันไว้

สถานะรวมของสสาร

• ความสามารถ (ของแข็ง) หรือการไร้ความสามารถ (ของเหลว ก๊าซ พลาสมา) เพื่อรักษาปริมาตรและรูปร่าง
• การมีอยู่หรือไม่มีลำดับระยะยาว (ของแข็ง) และลำดับระยะสั้น (ของเหลว) และคุณสมบัติอื่น ๆ

ธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลในวัตถุที่เป็นของแข็ง ของเหลว และก๊าซ และการเปลี่ยนแปลงของมันเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนในของแข็งส่วนใหญ่จะเป็นแบบสั่นสะเทือน ที่สูง
อุณหภูมิ การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่รุนแรงจะป้องกันไม่ให้โมเลกุลเข้าใกล้กัน - ก๊าซ
สถานะการเคลื่อนที่ของโมเลกุลเป็นแบบแปลนและแบบหมุน - ในก๊าซที่มีปริมาตรน้อยกว่า 1%
คิดเป็นปริมาตรของโมเลกุลนั่นเอง ที่อุณหภูมิปานกลาง
อย่างไรก็ตาม โมเลกุลจะเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องในอวกาศ โดยมีการแลกเปลี่ยนสถานที่กัน
ระยะห่างระหว่างพวกมันไม่มากกว่า d – ของเหลวมากนัก ลักษณะการเคลื่อนที่ของโมเลกุล
ในของเหลวมีลักษณะของการสั่นและการแปล (ในขณะที่พวกมัน
กระโดดไปสู่ตำแหน่งสมดุลใหม่)

การขยายตัวทางความร้อนของร่างกาย

การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลอธิบายปรากฏการณ์การขยายตัวทางความร้อนของร่างกาย ที่
การให้ความร้อนแอมพลิจูดของการเคลื่อนที่แบบสั่นสะเทือนของโมเลกุลจะเพิ่มขึ้นซึ่งนำไปสู่
เพิ่มขนาดร่างกาย

การขยายตัวเชิงเส้นของของแข็งเมื่อถูกความร้อน

การขยายตัวเชิงเส้นของวัตถุที่เป็นของแข็งอธิบายได้ด้วยสูตร: L=L0(1+at) โดยที่ a คือสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเชิงเส้น ~10^-5 K^-1

การขยายตัวทางความร้อนของของแข็งและของเหลวตามปริมาตร

การขยายตัวเชิงปริมาตรของวัตถุอธิบายได้ด้วยสูตรที่คล้ายกัน: V = V0(1+Bt), B คือสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเชิงปริมาตร และ B = 3a
การเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะของการรวมกลุ่ม

สารสามารถอยู่ในสถานะของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซได้ เหล่านี้
สถานะต่างๆ เรียกว่าสถานะมวลรวมของสสาร สารสามารถผ่านจาก
รัฐหนึ่งไปยังอีกรัฐหนึ่ง ลักษณะเด่นของการเปลี่ยนแปลงของสสารคือ
ความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของระบบที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันที่เสถียรเมื่อสารสามารถทำได้
อยู่ในสถานะรวมตัวหลายสถานะพร้อมกัน เมื่อกล่าวถึงระบบดังกล่าว
ใช้แนวคิดที่กว้างขึ้นเกี่ยวกับเฟสของสสาร เช่น คาร์บอนในของแข็ง
สถานะของการรวมตัวสามารถอยู่ในสองขั้นตอนที่แตกต่างกัน - เพชรและกราไฟท์ เฟส
เรียกว่าความสมบูรณ์ของทุกส่วนของระบบซึ่งในกรณีที่ไม่มีภายนอก
ผลกระทบเป็นเนื้อเดียวกันทางกายภาพ หากมีสารหลายเฟสในคราวเดียว
อุณหภูมิและความดันสัมผัสกัน และในขณะเดียวกันก็มีมวลของมวลหนึ่ง
เฟสไม่เพิ่มขึ้นเนื่องจากอีกเฟสลดลง จากนั้นจึงพูดถึงความสมดุลของเฟส

ความร้อนของการเปลี่ยนเฟส

ความร้อนของการเปลี่ยนเฟส- ปริมาณความร้อนที่ต้องส่งไปยังสาร (หรือกำจัดออกไป) ในระหว่างการเปลี่ยนผ่านไอโซบาริก-ไอโซเทอร์มอลของสารจากเฟสหนึ่งไปอีกเฟสหนึ่ง (การเปลี่ยนเฟสลำดับแรก - การเดือด การหลอม การตกผลึก การแปลงโพลีมอร์ฟิก ฯลฯ .)

สำหรับการเปลี่ยนเฟสของประเภทที่สอง ความร้อนของการเปลี่ยนเฟสจะเป็นศูนย์

การเปลี่ยนเฟสสมดุลที่ความดันที่กำหนดเกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที่ นั่นคืออุณหภูมิการเปลี่ยนเฟส ความร้อนของการเปลี่ยนเฟสเท่ากับผลคูณของอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสและความแตกต่างในเอนโทรปีในสองเฟสระหว่างที่เกิดการเปลี่ยนสถานะ

ความสมดุลของเฟส

หากก๊าซอยู่ในสภาวะสมดุล โมเลกุลจะเคลื่อนที่แบบสุ่มโดยสมบูรณ์อย่างวุ่นวาย ทิศทางการเคลื่อนไหวทั้งหมดมีความเป็นไปได้เท่าเทียมกัน ไม่มีทิศทางใดที่จะเหนือกว่าทิศทางอื่นได้ ความเร็วของโมเลกุลอาจมีขนาดแตกต่างกันมาก ทุกครั้งที่ชนกับโมเลกุลอื่น ความเร็วของโมเลกุลที่กำหนดจะต้องเปลี่ยนแปลง และมีความน่าจะเป็นที่เท่ากันว่าจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงก็ได้

การเปลี่ยนแปลงความเร็วของโมเลกุลระหว่างการชนเกิดขึ้นแบบสุ่ม อาจเกิดขึ้นได้ว่าโมเลกุลบางตัวในการชนติดต่อกันหลายครั้งจะได้รับพลังงานจากคู่ที่ชนกัน ซึ่งส่งผลให้พลังงานของมันจะเกินค่าเฉลี่ย (e) อย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าเราจะจินตนาการถึงกรณีที่น่าอัศจรรย์อย่างยิ่งที่โมเลกุลก๊าซทั้งหมดหยุดและถ่ายโอนพลังงานของพวกมันไปยังโมเลกุลเดี่ยว ดังนั้นพลังงานของโมเลกุลนี้และความเร็วของมันจึงมีจำกัด ดังนั้นความเร็วของโมเลกุลของก๊าซจึงไม่สามารถมีค่าใดๆ ได้เลย โดยเริ่มจากค่าใดค่าหนึ่งถึง

เมื่อพิจารณาว่ากระบวนการที่จะนำไปสู่ความเข้มข้นของเศษส่วนที่เห็นได้ชัดเจนของพลังงานรวมของโมเลกุลทั้งหมดบนโมเลกุลเดียวนั้นไม่น่าเป็นไปได้ จึงสามารถโต้แย้งได้ว่าความเร็วที่สูงเกินไปเมื่อเทียบกับค่าเฉลี่ยนั้นแทบจะไม่เกิดขึ้นเลย ในทำนองเดียวกัน เป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติที่ผลจากการชน ความเร็วของโมเลกุลจะกลายเป็นศูนย์อย่างแน่นอน ด้วยเหตุนี้ ความเร็วที่เล็กมากและใหญ่มากเมื่อเทียบกับค่าเฉลี่ยจึงไม่น่าเป็นไปได้ และความน่าจะเป็นของค่าที่กำหนด v มีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์ทั้งที่ v O และที่ จากที่กล่าวมาข้างต้น ความเร็วของโมเลกุลจะถูกจัดกลุ่มไว้ใกล้กับค่าที่เป็นไปได้มากที่สุด

ความสุ่มของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลสามารถทำให้ชัดเจนได้โดยใช้เทคนิคต่อไปนี้ ลองล้อมรอบจุด O ด้วยทรงกลมที่มีรัศมีตามอำเภอใจ (รูปที่ 94.1) จุดใดๆ บนทรงกลมนี้จะกำหนดทิศทางจาก O ถึง A ดังนั้น ทิศทางที่โมเลกุลของก๊าซเคลื่อนที่ในช่วงเวลาหนึ่งๆ จึงสามารถระบุได้ด้วยจุดบนทรงกลม ความสามารถในการเท่ากันของทุกทิศทางนำไปสู่ความจริงที่ว่าจุดที่แสดงถึงทิศทางการเคลื่อนที่ของโมเลกุลนั้นถูกกระจายไปทั่วทรงกลมโดยมีความหนาแน่นคงที่เท่ากับจำนวนโมเลกุลที่พิจารณา N หารด้วยพื้นผิวของทรงกลม การชนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง ทิศทางการเคลื่อนที่ของโมเลกุลซึ่งส่งผลให้ตำแหน่งของจุด N บนทรงกลมเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการเคลื่อนไหวที่วุ่นวาย ความหนาแน่นของจุดใดๆ บนทรงกลมจึงคงที่ตลอดเวลา

จำนวนทิศทางที่เป็นไปได้ในอวกาศนั้นมีมากจนนับไม่ถ้วน ในแต่ละช่วงเวลา จำนวนทิศทางที่จำกัดเท่ากับจำนวนโมเลกุลที่พิจารณาจะถูกรับรู้ ดังนั้น การตั้งคำถามเกี่ยวกับจำนวนโมเลกุลที่มีทิศทางการเคลื่อนที่ที่กำหนด (แสดงโดยจุดบนทรงกลม) จึงไม่มีความหมาย อันที่จริง เนื่องจากจำนวนทิศทางที่เป็นไปได้นั้นมีมากมายมหาศาล และจำนวนโมเลกุลนั้นมีจำกัด ความน่าจะเป็นที่โมเลกุลอย่างน้อยหนึ่งตัวจะลอยไปในทิศทางที่กำหนดอย่างเคร่งครัดจึงเป็นศูนย์ เป็นเรื่องถูกต้องตามกฎหมายที่จะถามคำถามว่ามีโมเลกุลจำนวนเท่าใดที่เคลื่อนที่ในทิศทางใกล้กับโมเลกุลที่กำหนด (กำหนดโดยจุด A บนทรงกลม) ทุกจุดขององค์ประกอบพื้นผิวทรงกลมที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียงกับจุด A สอดคล้องกับทิศทางดังกล่าว (ดูรูปที่ 94.1) เนื่องจากจุดที่แสดงถึงทิศทางการเคลื่อนที่ของโมเลกุลมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วทรงกลม จึงจะมีจุดจำนวนหนึ่งเท่ากับ

ดัชนี A at บ่งชี้ว่าเราหมายถึงโมเลกุลที่มีทิศทางการเคลื่อนที่ใกล้กับทิศทางที่กำหนดโดยจุด A

อัตราส่วนคือมุมทึบที่ต่อด้วยแท่น ดังนั้นจึงสามารถเขียนสูตร (94.1) ได้ดังนี้

นี่คือมุมทึบซึ่งมีทิศทางการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่พิจารณาอยู่ จำได้ว่า; คือมุมตันรวม (สอดคล้องกับพื้นผิวทั้งหมดของทรงกลม)

ทิศทางของส่วน OA สามารถกำหนดได้โดยใช้มุมเชิงขั้ว 0 และมุมอะซิมุทัล (รูปที่ 94.2) ดังนั้นทิศทางการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก๊าซสามารถกำหนดลักษณะได้โดยการระบุค่าของมุม F สำหรับแต่ละโมเลกุลและวัดจากทิศทางคงที่ที่แน่นอน (เช่นทิศทางที่สามารถทำได้เช่นทิศทางของปกติถึง พื้นผิวของภาชนะที่บรรจุก๊าซอยู่) และระนาบที่ลากผ่านก๊าซนั้น

ลองล้อมรอบจุดกำเนิด O ด้วยรัศมีทรงกลมแล้วค้นหาองค์ประกอบของทรงกลมที่สอดคล้องกับการเพิ่มขึ้นของมุม (รูปที่ 94.3) องค์ประกอบที่เป็นปัญหาคือรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีด้านข้าง และ ดังนั้น,

ผลลัพธ์ที่ได้จะทำให้องค์ประกอบพื้นผิวอยู่ในระบบพิกัดทรงกลม

เมื่อหารนิพจน์เราจะพบว่าองค์ประกอบมุมตันซึ่งสอดคล้องกับช่วงมุมจากถึงและจาก