สมดุลความร้อนของอะตอมและโมเลกุล การเคลื่อนที่ด้วยความร้อน: พลังงานภายใน

 ทฤษฎี:อะตอมและโมเลกุลมีการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอย่างต่อเนื่อง เคลื่อนที่อย่างโกลาหล และเปลี่ยนทิศทางและความเร็วอยู่ตลอดเวลาเนื่องจากการชนกัน

ยิ่งอุณหภูมิสูงเท่าใด ความเร็วในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น เมื่ออุณหภูมิลดลง ความเร็วการเคลื่อนที่ของโมเลกุลจะลดลง มีอุณหภูมิที่เรียกว่า "ศูนย์สัมบูรณ์" - อุณหภูมิ (-273 ° C) ซึ่ง การเคลื่อนไหวด้วยความร้อนโมเลกุล แต่ "ศูนย์สัมบูรณ์" นั้นไม่สามารถบรรลุได้
การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนคือการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคที่มองเห็นด้วยกล้องจุลทรรศน์ของของแข็งที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรือก๊าซ ซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคของของเหลวหรือก๊าซ ปรากฏการณ์นี้ถูกพบครั้งแรกในปี พ.ศ. 2370 โดยโรเบิร์ต บราวน์ เขาตรวจดูเกสรพืชที่อยู่ข้างใน สภาพแวดล้อมทางน้ำ. บราวน์สังเกตเห็นว่าละอองเกสรมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา และยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้นเท่าไร ความเร็วที่เร็วขึ้นการกระจัดของละอองเรณู เขาตั้งทฤษฎีว่าการเคลื่อนที่ของละอองเกสรเกิดจากการที่โมเลกุลของน้ำกระทบกับละอองเกสรดอกไม้และทำให้มันเคลื่อนที่

การแพร่กระจายเป็นกระบวนการของการแทรกซึมของโมเลกุลของสารหนึ่งเข้าไปในช่องว่างระหว่างโมเลกุลของสารอื่น

ตัวอย่างของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนคือ
1) การเคลื่อนที่ของละอองเกสรแบบสุ่มในหยดน้ำ
2) การเคลื่อนไหวแบบสุ่มของคนใต้โคมไฟ
3) การละลายของแข็งในของเหลว
4) การเจาะ สารอาหารจากดินสู่รากพืช
สารละลาย:จากคำจำกัดความของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน ชัดเจนว่าคำตอบที่ถูกต้องคือ 1. ละอองเกสรเคลื่อนที่แบบสุ่มเนื่องจากโมเลกุลของน้ำกระทบกับมัน การเคลื่อนไหวแบบสุ่มของตัวริ้นใต้โคมไฟนั้นไม่เหมาะสมเนื่องจากตัวริ้นจะเลือกทิศทางการเคลื่อนที่เอง สองคำตอบสุดท้ายเป็นตัวอย่างของการแพร่กระจาย
คำตอบ: 1.

งาน OGE ในวิชาฟิสิกส์ (ฉันจะแก้ข้อสอบ):ข้อความใดต่อไปนี้ (ถูกต้อง)
A. โมเลกุลหรืออะตอมในสารมีการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอย่างต่อเนื่อง และข้อโต้แย้งประการหนึ่งที่สนับสนุนสิ่งนี้ก็คือปรากฏการณ์การแพร่กระจาย
B. โมเลกุลหรืออะตอมในสสารมีการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอย่างต่อเนื่อง และหลักฐานที่เห็นได้ชัดเจนคือปรากฏการณ์การพาความร้อน
1) ก. เท่านั้น
2) บีเท่านั้น
3) ทั้ง A และ B
4) ทั้ง A และ B
สารละลาย:การแพร่กระจายเป็นกระบวนการของการแทรกซึมของโมเลกุลของสารหนึ่งเข้าไปในช่องว่างระหว่างโมเลกุลของสารอื่น ข้อความแรกเป็นจริง อนุสัญญาคือการถ่ายโอนพลังงานภายในด้วยชั้นของของเหลวหรือก๊าซ ปรากฎว่าข้อความที่สองไม่เป็นความจริง
คำตอบ: 1.

การมอบหมาย OGE ในวิชาฟิสิกส์ (fipi): 2) ลูกตะกั่วถูกให้ความร้อนด้วยเปลวเทียน ปริมาตรของลูกบอลเปลี่ยนแปลงอย่างไรในระหว่างการทำความร้อน? ความเร็วเฉลี่ยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของมันเหรอ?
สร้างความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณทางกายภาพกับการเปลี่ยนแปลงที่เป็นไปได้
สำหรับแต่ละปริมาณ ให้กำหนดลักษณะของการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกัน:
1) เพิ่มขึ้น
2) ลดลง
3) ไม่เปลี่ยนแปลง
จดหมายเลขที่เลือกไว้สำหรับแต่ละรายการลงในตาราง ปริมาณทางกายภาพ. ตัวเลขในคำตอบอาจซ้ำได้
วิธีแก้ปัญหา (ขอบคุณ Milena): 2) 1. ปริมาตรของลูกบอลจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากโมเลกุลจะเริ่มเคลื่อนที่เร็วขึ้น
2. ความเร็วของโมเลกุลจะเพิ่มขึ้นเมื่อถูกความร้อน
คำตอบ: 11.

งานสาธิต รุ่น OGE 2019: หนึ่งในบทบัญญัติของทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุลของโครงสร้างของสสารก็คือ “อนุภาคของสสาร (โมเลกุล อะตอม ไอออน) มีการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายอย่างต่อเนื่อง” คำว่า “เคลื่อนไหวต่อเนื่อง” หมายความว่าอย่างไร?
1) อนุภาคเคลื่อนที่ไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งตลอดเวลา
2) การเคลื่อนที่ของอนุภาคของสสารไม่เป็นไปตามกฎหมายใด ๆ
3) อนุภาคทั้งหมดเคลื่อนที่ไปพร้อมกันในทิศทางเดียวหรืออีกทิศทางหนึ่ง
4) การเคลื่อนที่ของโมเลกุลไม่เคยหยุดนิ่ง
สารละลาย:โมเลกุลเคลื่อนที่เนื่องจากการชนกัน ความเร็วของโมเลกุลจึงเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ดังนั้นเราจึงไม่สามารถคำนวณความเร็วและทิศทางของแต่ละโมเลกุลได้ แต่เราสามารถคำนวณความเร็วเฉลี่ยกำลังสองของโมเลกุลได้ และมันสัมพันธ์กับอุณหภูมิ เช่น อุณหภูมิ ลดลง ความเร็วของโมเลกุลก็ลดลง มีการคำนวณว่าอุณหภูมิที่โมเลกุลจะหยุดการเคลื่อนที่คือ -273 °C (ต่ำสุด อุณหภูมิที่เป็นไปได้ในธรรมชาติ). แต่มันไม่สามารถทำได้ ดังนั้นโมเลกุลจึงไม่เคยหยุดเคลื่อนไหว

คุณคิดว่าอะไรเป็นตัวกำหนดอัตราที่น้ำตาลละลายในน้ำ คุณสามารถทำการทดลองง่ายๆ นำน้ำตาลสองชิ้นมาใส่ลงในแก้วน้ำเดือด ส่วนอีกชิ้นใส่น้ำเย็นหนึ่งแก้ว

คุณจะเห็นว่าน้ำตาลในน้ำเดือดจะละลายเร็วกว่าน้ำเย็นหลายเท่าอย่างไร สาเหตุของการละลายคือการแพร่กระจาย ซึ่งหมายความว่าการแพร่กระจายจะเกิดขึ้นเร็วขึ้นที่อุณหภูมิสูงขึ้น และสาเหตุของการแพร่กระจายก็คือการเคลื่อนที่ของโมเลกุล ดังนั้นเราจึงสรุปได้ว่าโมเลกุลเคลื่อนที่เร็วขึ้นที่อุณหภูมิสูงขึ้น นั่นคือความเร็วของการเคลื่อนที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ นั่นคือเหตุผลว่าทำไมการเคลื่อนไหวสุ่มที่วุ่นวายของโมเลกุลที่ประกอบเป็นร่างกายจึงเรียกว่าการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน

การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุล

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลจะเพิ่มขึ้น และคุณสมบัติของสารจะเปลี่ยนไป ของแข็งละลายกลายเป็นของเหลว ของเหลวระเหยกลายเป็น สถานะก๊าซ. ดังนั้นหากอุณหภูมิลดลงพลังงานเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลก็จะลดลงเช่นกันดังนั้นกระบวนการเปลี่ยนสถานะการรวมตัวของร่างกายจะเกิดขึ้นในทิศทางตรงกันข้าม: น้ำจะควบแน่นเป็นของเหลวของเหลว จะแข็งตัวกลายเป็นของแข็ง ในเวลาเดียวกันเรามักจะพูดถึงค่าเฉลี่ยของอุณหภูมิและความเร็วของโมเลกุลเสมอเนื่องจากมีอนุภาคที่มีค่าสูงและต่ำกว่าของค่าเหล่านี้อยู่เสมอ

โมเลกุลในสารเคลื่อนที่ไปในระยะทางหนึ่ง จึงทำงานบางอย่าง นั่นคือเราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับพลังงานจลน์ของอนุภาคได้ เนื่องจากตำแหน่งสัมพัทธ์จึงมีพลังงานศักย์ของโมเลกุลด้วย เมื่อเราพูดถึงพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของร่างกาย เรากำลังพูดถึงการมีอยู่ของพลังงานกลทั้งหมดของร่างกาย หากอนุภาคของร่างกายมีพลังงานจลน์และมีศักย์ ดังนั้น เราสามารถพูดถึงผลรวมของพลังงานเหล่านี้เป็นปริมาณอิสระได้

พลังงานภายในร่างกาย

ลองดูตัวอย่าง ถ้าเราโยนลูกบอลยางยืดลงบนพื้น พลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ของมันจะกลายเป็นพลังงานศักย์โดยสมบูรณ์ในขณะที่มันสัมผัสพื้น จากนั้นจะเปลี่ยนกลับเป็นพลังงานจลน์เมื่อมันดีดตัวกลับ ถ้าเราโยนลูกบอลเหล็กหนักลงบนพื้นผิวแข็งและไม่ยืดหยุ่น ลูกบอลจะตกลงโดยไม่กระดอน พลังงานจลน์และศักย์ของมันหลังจากการลงจอดจะเป็นศูนย์ พลังงานหายไปไหน? เธอเพิ่งหายไปเหรอ? หากเราตรวจสอบลูกบอลและพื้นผิวหลังจากการชน เราจะเห็นว่าลูกบอลแบนเล็กน้อย มีรอยบุบบนพื้นผิว และทั้งคู่อุ่นเครื่องแล้วเล็กน้อย นั่นคือมีการเปลี่ยนแปลงในการจัดเรียงโมเลกุลของร่างกายและอุณหภูมิก็เพิ่มขึ้นด้วย ซึ่งหมายความว่าพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของอนุภาคในร่างกายมีการเปลี่ยนแปลง พลังงานในร่างกายไม่ได้หายไปไหนก็กลายเป็นพลังงานภายในร่างกาย พลังงานภายในคือพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของอนุภาคทั้งหมดในร่างกาย การชนกันของวัตถุทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในเพิ่มขึ้นและ พลังงานกลลดลง. นี่คืออะไร

อะตอมและโมเลกุลที่ประกอบเป็นสารต่างๆ อยู่ในสถานะการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอย่างต่อเนื่อง

ลักษณะแรกของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนคือการสุ่ม ไม่มีทิศทางการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่โดดเด่นเหนือทิศทางอื่นๆ ให้เราอธิบายสิ่งนี้: หากคุณติดตามการเคลื่อนที่ของโมเลกุลหนึ่งเมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากการชนกับโมเลกุลอื่นความเร็วและทิศทางการเคลื่อนที่ของโมเลกุลนี้จะเปลี่ยนไปแบบสุ่มโดยสิ้นเชิง ยิ่งไปกว่านั้น หาก ณ จุดใดจุดหนึ่งเราบันทึกความเร็วการเคลื่อนที่ของโมเลกุลทั้งหมด ความเร็วเหล่านี้จะกระจัดกระจายในอวกาศในทิศทางที่เท่าๆ กัน และในขนาดพวกมันก็มีค่าที่หลากหลาย

คุณลักษณะที่สองของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนคือการมีอยู่ของการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างโมเลกุลและระหว่างกัน หลากหลายชนิดการเคลื่อนไหว; พลังงาน การเคลื่อนไหวไปข้างหน้าโมเลกุลสามารถแปลงเป็นพลังงานของการเคลื่อนที่แบบหมุนหรือแบบสั่นสะเทือนและในทางกลับกัน

การแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างโมเลกุลตลอดจนระหว่างการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนประเภทต่างๆ เกิดขึ้นเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุล (การชนกันระหว่างพวกมัน) ในระยะทางไกล แรงอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลจะมีขนาดเล็กมากและสามารถละเลยได้ ในระยะทางสั้นๆ แรงเหล่านี้มีผลอย่างเห็นได้ชัด ในก๊าซ โมเลกุลจะใช้เวลาส่วนใหญ่อยู่ห่างจากกันค่อนข้างมาก เฉพาะในช่วงเวลาสั้น ๆ เมื่อพวกเขาอยู่ใกล้กันเพียงพอเท่านั้นที่พวกมันจะมีปฏิสัมพันธ์กัน เปลี่ยนความเร็วของการเคลื่อนไหวและแลกเปลี่ยนพลังงาน ปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลในระยะสั้นดังกล่าวเรียกว่าการชนกัน การชนกันระหว่างโมเลกุลมีสองประเภท:

1) การชนหรือการกระแทกประเภทแรกซึ่งเป็นผลมาจากการที่เฉพาะความเร็วและพลังงานจลน์ของอนุภาคที่ชนกันเท่านั้นที่เปลี่ยนแปลง องค์ประกอบหรือโครงสร้างของโมเลกุลเองไม่ได้รับการเปลี่ยนแปลงใด ๆ

2) การชนหรือการกระแทกประเภทที่สอง ซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นภายในโมเลกุล เช่น องค์ประกอบหรือการจัดเรียงสัมพัทธ์ของอะตอมภายในโมเลกุลเหล่านี้เปลี่ยนแปลงไป ในระหว่างการชนเหล่านี้ พลังงานจลน์ส่วนหนึ่งของโมเลกุลถูกใช้ไปกับการทำงานต้านแรงที่กระทำภายในโมเลกุล ในบางกรณี ในทางกลับกัน พลังงานจำนวนหนึ่งอาจถูกปล่อยออกมาเนื่องจากพลังงานศักย์ภายในของโมเลกุลลดลง

ต่อไปนี้เราจะกล่าวถึงการชนประเภทแรกที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลของก๊าซเท่านั้น การแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนในของแข็งและของเหลวนั้นมีมากกว่า กระบวนการที่ซับซ้อนและถือว่าอยู่ในภาคพิเศษของฟิสิกส์ การชนกันของประเภทที่สองใช้เพื่ออธิบายการนำไฟฟ้าของก๊าซและของเหลว รวมถึงการแผ่รังสีความร้อนของวัตถุ

ในการอธิบายการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลแต่ละประเภท (การแปล การหมุน หรือการสั่นสะเทือน) จำเป็นต้องระบุจำนวนจำนวน ตัวอย่างเช่น สำหรับการเคลื่อนที่เชิงการแปลของโมเลกุล จำเป็นต้องทราบขนาดและทิศทางของความเร็ว เพื่อจุดประสงค์นี้ ก็เพียงพอที่จะระบุปริมาณสามค่า: ค่าของความเร็วและมุมสองมุม และระหว่างทิศทางของความเร็วและ ประสานงานเครื่องบินหรือการคาดการณ์ความเร็วสามครั้งบนแกนพิกัด: (รูปที่ 11.1, a) โปรดทราบว่าปริมาณทั้งสามนี้มีความเป็นอิสระ: สำหรับมุมที่กำหนดและสามารถมีค่าใด ๆ และในทางกลับกันสำหรับมุมที่กำหนดเช่นค่าและสามารถเป็นค่าใดก็ได้ ในทำนองเดียวกัน การระบุค่าเฉพาะไม่ได้กำหนดข้อจำกัดใดๆ เกี่ยวกับค่าที่ตรงกันข้าม ดังนั้นเพื่ออธิบายการเคลื่อนที่เชิงการแปลของโมเลกุลในอวกาศจำเป็นต้องระบุปริมาณสามปริมาณที่เป็นอิสระจากกัน: และ หรือ พลังงานของการเคลื่อนที่เชิงการแปลของโมเลกุลจะประกอบด้วยองค์ประกอบอิสระสามส่วน:

เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่แบบหมุนของโมเลกุลรอบแกนของมันจำเป็นต้องระบุขนาดและทิศทางของความเร็วเชิงมุมของการหมุนนั่นคือ อีกครั้งสามปริมาณที่เป็นอิสระจากกัน: และ c หรือ (รูปที่ II. 1, b ). พลังงานของการเคลื่อนที่แบบหมุนของโมเลกุลจะประกอบด้วยองค์ประกอบอิสระสามส่วน:

โดยที่โมเมนต์ความเฉื่อยของโมเลกุลสัมพันธ์กับแกนพิกัดตั้งฉากกันสามแกน สำหรับโมเลกุลเชิงเดี่ยว โมเมนต์ความเฉื่อยทั้งหมดนี้มีขนาดเล็กมาก ดังนั้นพลังงานของการเคลื่อนที่แบบหมุนจึงถูกละเลย ในโมเลกุลไดอะตอมมิก (รูปที่ II.1, c) พลังงานของการเคลื่อนที่แบบหมุนสัมพันธ์กับแกนที่ผ่านศูนย์กลางของอะตอมจึงถูกละเลยดังนั้นตัวอย่างเช่น

เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่แบบสั่นของอะตอมในโมเลกุล อันดับแรกจำเป็นต้องแบ่งการเคลื่อนไหวนี้ออกเป็นการสั่นสะเทือนธรรมดาที่เกิดขึ้นตามทิศทางที่กำหนดก่อน สะดวกในการแยกย่อยการแกว่งที่ซับซ้อนเป็นการแกว่งเชิงเส้นอย่างง่ายที่เกิดขึ้นในสามทิศทางตั้งฉากกัน การแกว่งเหล่านี้เป็นอิสระจากกัน กล่าวคือ ความถี่และความกว้างของการแกว่งในทิศทางใดทิศทางหนึ่งเหล่านี้สามารถสอดคล้องกับความถี่และความกว้างของการแกว่งในทิศทางอื่นได้ หากการแกว่งเป็นเส้นตรงแต่ละครั้งเป็นแบบฮาร์มอนิก ก็สามารถอธิบายได้โดยใช้สูตร

ดังนั้น เพื่ออธิบายการสั่นสะเทือนเป็นเส้นตรงของอะตอมจึงจำเป็นต้องระบุปริมาณสองค่า: ความถี่การสั่นสะเทือน co และแอมพลิจูดการสั่นสะเทือน ปริมาณทั้งสองนี้ยังเป็นอิสระจากกัน: ที่ความถี่ที่กำหนด แอมพลิจูดของการสั่นจะไม่ถูกผูกมัดด้วย เงื่อนไขใด ๆ และในทางกลับกัน ด้วยเหตุนี้ เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่แบบสั่นที่ซับซ้อนของโมเลกุลรอบจุดหนึ่ง (เช่น ตำแหน่งสมดุลของมัน) จำเป็นต้องระบุปริมาณหกค่าโดยไม่แยกจากกัน: สามความถี่และแอมพลิจูดของการสั่นในสามทิศทางตั้งฉากกัน

ค่าที่เป็นอิสระจากกันซึ่งกำหนดสถานะของที่กำหนด ระบบทางกายภาพเรียกว่า องศาอิสระของระบบนี้ เมื่อศึกษาการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนในร่างกาย (เพื่อคำนวณพลังงานของการเคลื่อนที่นี้) จะกำหนดจำนวนองศาอิสระของแต่ละโมเลกุลของร่างกายนี้ ในกรณีนี้จะคำนวณเฉพาะระดับความเป็นอิสระระหว่างการแลกเปลี่ยนพลังงานเท่านั้น โมเลกุลก๊าซเชิงเดี่ยวมีอิสระในการเคลื่อนที่ในการแปลได้สามระดับ โมเลกุลไดอะตอมมิกมีอิสระในการแปลสามระดับและมีอิสระในการเคลื่อนที่แบบหมุนสองระดับ (ไม่คำนึงถึงระดับอิสระที่สามซึ่งสอดคล้องกับการหมุนรอบแกนที่ผ่านศูนย์กลางของอะตอม) โมเลกุลที่มีสาม

อะตอมหรือมากกว่านั้น มีระดับความเป็นอิสระในการแปลสามระดับและระดับการหมุนของอิสระสามระดับ หากการเคลื่อนที่แบบออสซิลเลเตอร์มีส่วนร่วมในการแลกเปลี่ยนพลังงานด้วย ดังนั้นสำหรับการสั่นเป็นเส้นตรงอิสระแต่ละครั้งจะเพิ่มระดับความอิสระสองระดับ

เมื่อพิจารณาแยกการเคลื่อนที่แบบแปลน การหมุน และการสั่นของโมเลกุล เราสามารถหาพลังงานเฉลี่ยที่ตกอยู่กับระดับความอิสระของการเคลื่อนไหวประเภทนี้แต่ละระดับได้ ก่อนอื่น เรามาพิจารณาการเคลื่อนที่เชิงแปลของโมเลกุลกันก่อน สมมติว่าโมเลกุลมีพลังงานจลน์ (มวลของโมเลกุล) ผลรวมคือพลังงานของการเคลื่อนที่เชิงแปลของโมเลกุลทั้งหมด เมื่อหารด้วยระดับความเป็นอิสระ เราได้พลังงานเฉลี่ยต่อระดับความอิสระในการเคลื่อนที่ของโมเลกุล:

นอกจากนี้ยังสามารถคำนวณพลังงานเฉลี่ยต่อระดับความอิสระของการเคลื่อนที่แบบหมุนและการเคลื่อนที่แบบสั่นสะเทือนได้ หากแต่ละโมเลกุลมีดีกรีอิสระในการแปล องศาอิสระในการหมุน และดีกรีอิสระ การเคลื่อนไหวแบบสั่นจากนั้นพลังงานรวมของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลทั้งหมดจะเท่ากับ

เหตุการณ์ในโลกทางกายภาพมีความเชื่อมโยงกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างแยกไม่ออก ทุกคนจะได้รู้จักเธอ วัยเด็กเมื่อรู้ตัวว่าน้ำแข็งเย็นและน้ำเดือดก็ไหม้ ในขณะเดียวกันก็ชัดเจนว่ากระบวนการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิไม่ได้เกิดขึ้นทันที ต่อมาที่โรงเรียน นักเรียนได้เรียนรู้ว่าสิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวด้วยความร้อน และฟิสิกส์ทั้งส่วนนั้นเน้นไปที่กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ

อุณหภูมิคืออะไร?

แนวคิดทางวิทยาศาสตร์นี้ถูกนำมาใช้เพื่อแทนที่คำศัพท์ทั่วไป ใน ชีวิตประจำวันคำพูดร้อน เย็น หรืออุ่น ปรากฏอยู่ตลอดเวลา พวกเขาทั้งหมดพูดถึงระดับความร้อนของร่างกาย นี่เป็นวิธีการนิยามในฟิสิกส์ทุกประการ เพียงแต่บวกด้วยว่าเป็นปริมาณสเกลาร์เท่านั้น ท้ายที่สุดแล้ว อุณหภูมิไม่มีทิศทาง มีแต่ค่าตัวเลขเท่านั้น

ใน ระบบระหว่างประเทศหน่วยอุณหภูมิ (SI) มีหน่วยวัดเป็นองศาเซลเซียส (°C) แต่ในหลายสูตรที่บรรยายไว้ ปรากฏการณ์ทางความร้อนจะต้องแปลงเป็นเคลวิน (K) มีสูตรง่ายๆ สำหรับสิ่งนี้: T = t + 273 ในนั้น T คืออุณหภูมิในหน่วยเคลวิน และ t อยู่ในหน่วยเซลเซียส ความเกี่ยวข้องกับมาตราส่วนเคลวินคือแนวคิดเรื่องอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์

มีเครื่องวัดอุณหภูมิอื่นๆ อีกหลายประการ ตัวอย่างเช่น ในยุโรปและอเมริกา มีการใช้ฟาเรนไฮต์ (F) จึงต้องเขียนเป็นเซลเซียสได้ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ให้ลบ 32 จากค่าที่อ่านได้ใน F แล้วหารด้วย 1.8

การทดลองที่บ้าน

คำอธิบายต้องใช้ความรู้เกี่ยวกับแนวคิดต่างๆ เช่น อุณหภูมิและการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน และการทดลองนี้ทำได้ง่าย

มันจะต้องมีสามตู้คอนเทนเนอร์ ควรมีขนาดใหญ่พอที่จะใส่มือของคุณได้ง่าย เติมน้ำลงไป อุณหภูมิที่แตกต่างกัน. ในช่วงแรกมันควรจะเย็นมาก ในวินาที - อุ่น เทลงในส่วนที่สาม น้ำร้อนสิ่งหนึ่งที่จะสามารถจับมือคุณได้

ตอนนี้ประสบการณ์ของตัวเอง ต่ำกว่า มือซ้ายลงในภาชนะที่มีน้ำเย็น ข้างขวาอันที่ร้อนที่สุด รอสองสามนาที นำออกมาจุ่มลงในภาชนะที่มีน้ำอุ่นทันที

ผลลัพธ์จะเป็นสิ่งที่ไม่คาดคิด มือซ้ายจะรู้สึกเหมือนน้ำอุ่น มือขวาจะรู้สึก น้ำเย็น. นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าสมดุลทางความร้อนเกิดขึ้นครั้งแรกกับของเหลวที่มือจุ่มลงไปในตอนแรก แล้วความสมดุลนี้ก็หยุดชะงักลงทันที

หลักการพื้นฐานของทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุล

มันอธิบายปรากฏการณ์ทางความร้อนทั้งหมด และข้อความเหล่านี้ค่อนข้างง่าย ดังนั้นเมื่อพูดถึงการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน จำเป็นต้องรู้ข้อกำหนดเหล่านี้

ประการแรก: สสารเกิดจากอนุภาคขนาดเล็กซึ่งอยู่ห่างจากกัน นอกจากนี้อนุภาคเหล่านี้สามารถเป็นได้ทั้งโมเลกุลและอะตอม และระยะห่างระหว่างพวกเขาหลายครั้ง ขนาดเพิ่มเติมอนุภาค

ประการที่สอง: ในสารทุกชนิดมีการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลซึ่งไม่เคยหยุดนิ่ง อนุภาคเคลื่อนที่แบบสุ่ม (วุ่นวาย)

ประการที่สาม: อนุภาคมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน การกระทำนี้เกิดจากแรงดึงดูดและแรงผลัก ขนาดของมันขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างอนุภาค

การยืนยันบทบัญญัติแรกของ IKT

ข้อพิสูจน์ว่าวัตถุประกอบด้วยอนุภาคที่มีช่องว่างระหว่างกัน ดังนั้น เมื่อร่างกายได้รับความร้อน ขนาดของมันก็จะเพิ่มขึ้น สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากอนุภาคเคลื่อนที่ออกจากกัน

การยืนยันเรื่องนี้ก็คือการแพร่กระจาย นั่นคือการแทรกซึมของโมเลกุลของสารหนึ่งระหว่างอนุภาคของอีกสารหนึ่ง ยิ่งกว่านั้นการเคลื่อนไหวนี้กลับกลายเป็นว่าเกิดขึ้นร่วมกัน การแพร่กระจายดำเนินไปเร็วขึ้นเมื่อโมเลกุลอยู่ห่างจากกันมากขึ้น ดังนั้นการแทรกซึมซึ่งกันและกันจะเกิดขึ้นได้เร็วกว่าในก๊าซมากกว่าในของเหลว แต่ในของแข็ง การแพร่กระจายจะใช้เวลาหลายปี

อย่างไรก็ตาม กระบวนการหลังยังอธิบายการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนด้วย ท้ายที่สุดแล้ว การแทรกซึมของสารเข้าหากันเกิดขึ้นโดยไม่มีการแทรกแซงจากภายนอก แต่สามารถเร่งได้ด้วยการให้ความร้อนแก่ร่างกาย

การยืนยันบทบัญญัติที่สองของ ICT

ข้อพิสูจน์ที่ชัดเจนว่าการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนมีอยู่จริงคือการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของอนุภาค ถือเป็นอนุภาคแขวนลอยนั่นคือสำหรับอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่าโมเลกุลของสารอย่างมีนัยสำคัญ อนุภาคเหล่านี้อาจเป็นอนุภาคฝุ่นหรือเมล็ดพืช และควรวางไว้ในน้ำหรือแก๊ส

สาเหตุของการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคแขวนลอยก็คือโมเลกุลกระทำต่ออนุภาคจากทุกด้าน การกระทำของพวกเขาเป็นแบบสุ่ม ขนาดของผลกระทบจะแตกต่างกันไปในแต่ละช่วงเวลา ดังนั้นแรงที่เกิดขึ้นจึงมุ่งไปในทิศทางเดียวหรืออีกทิศทางหนึ่ง

ถ้าเราพูดถึงความเร็วของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลก็มีชื่อพิเศษสำหรับมัน - รากกำลังสองเฉลี่ย สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร:

โวลต์ = √[(3kT)/ม 0 ]

ในนั้น T คืออุณหภูมิในหน่วยเคลวิน m 0 คือมวลของหนึ่งโมเลกุล k คือค่าคงที่ของ Boltzmann (k = 1.38*10 -23 J/K)

การยืนยันบทบัญญัติที่สามของ ICT

อนุภาคดึงดูดและผลักกัน ในการอธิบายกระบวนการต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ความรู้นี้มีความสำคัญ

ท้ายที่สุดแล้ว พลังแห่งปฏิสัมพันธ์ขึ้นอยู่กับสถานะการรวมตัวของสาร ดังนั้นในทางปฏิบัติแล้วก๊าซจึงไม่มีพวกมันเนื่องจากอนุภาคถูกกำจัดออกไปมากจนผลของพวกมันไม่ปรากฏให้เห็น ในของเหลวและของแข็งจะสังเกตเห็นได้ชัดเจนและรับประกันการรักษาปริมาตรของสาร ประการหลังยังรับประกันการรักษารูปร่างอีกด้วย

ข้อพิสูจน์ของการมีอยู่ของแรงดึงดูดและแรงผลักคือการปรากฏตัวของแรงยืดหยุ่นในระหว่างการเปลี่ยนรูปของร่างกาย ดังนั้นเมื่อมีการยืดออก แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลจึงเพิ่มขึ้น และเมื่อมีแรงอัด แรงผลักจึงเพิ่มขึ้น แต่ในทั้งสองกรณี ร่างกายจะกลับคืนสู่สภาพเดิม

พลังงานเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน

(พีวี)/ยังไม่มีข้อความ = (2E)/3

ในสูตรนี้ p คือความดัน V คือปริมาตร N คือจำนวนโมเลกุล E คือพลังงานจลน์เฉลี่ย

ในทางกลับกันสมการนี้สามารถเขียนได้ดังนี้:

หากเรารวมเข้าด้วยกันเราจะได้ความเท่าเทียมกันดังต่อไปนี้:

จากนั้นเป็นไปตามสูตรต่อไปนี้สำหรับพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุล:

นี่แสดงให้เห็นว่าพลังงานเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิของสสาร นั่นคือเมื่อเพิ่มขึ้นอย่างหลังอนุภาคจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น นี่คือแก่นแท้ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนซึ่งมีอยู่ตราบเท่าที่มีอุณหภูมิแตกต่างจากศูนย์สัมบูรณ์

หัวข้อของตัวประมวลผลการตรวจสอบ Unified State:การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอะตอมและโมเลกุลของสสาร การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน การแพร่กระจาย ปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคของสสาร หลักฐานการทดลองของทฤษฎีอะตอม

Richard Feynman นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันผู้ยิ่งใหญ่ ผู้เขียนหลักสูตรที่มีชื่อเสียง “Feynman Lectures on Physics” มีคำพูดที่ยอดเยี่ยมเหล่านี้:

คำเหล่านี้มีสาระสำคัญของทฤษฎีจลน์ศาสตร์โมเลกุล (MKT) ของโครงสร้างของสสาร กล่าวคือ บทบัญญัติหลักของ ICT มีข้อความสามข้อต่อไปนี้

1. สสารใดๆ ประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ ของโมเลกุลและอะตอม พวกมันตั้งอยู่ในอวกาศแยกจากกัน กล่าวคือ ในระยะห่างที่กำหนด
2. อะตอมหรือโมเลกุลของสารอยู่ในสถานะการเคลื่อนที่แบบสุ่ม (การเคลื่อนที่นี้เรียกว่าการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน) ซึ่งไม่เคยหยุดนิ่ง
3. อะตอมหรือโมเลกุลของสารมีปฏิสัมพันธ์กันด้วยแรงดึงดูดและแรงผลัก ซึ่งขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างอนุภาค

ข้อกำหนดเหล่านี้เป็นการสรุปข้อสังเกตและข้อเท็จจริงเชิงทดลองมากมาย ลองมาดูข้อกำหนดเหล่านี้ให้ละเอียดยิ่งขึ้นและให้เหตุผลในการทดลอง

ตัวอย่างเช่น นี่คือโมเลกุลของน้ำที่ประกอบด้วยไฮโดรเจน 2 อะตอมและออกซิเจน 1 อะตอม เมื่อแบ่งออกเป็นอะตอม เราจะไม่จัดการกับสสารที่เรียกว่า "น้ำ" อีกต่อไป นอกจากนี้ โดยการแบ่งอะตอมออกเป็นส่วนต่างๆ เราจะได้รับชุดของโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน และทำให้สูญเสียข้อมูลที่ว่าในตอนแรกพวกมันคือไฮโดรเจนและออกซิเจน

อะตอมและโมเลกุลเรียกง่ายๆว่า อนุภาคสาร อนุภาคคืออะไรกันแน่ - อะตอมหรือโมเลกุล - ไม่ใช่เรื่องยากที่จะสร้างขึ้นในแต่ละกรณี หากเราจะพูดถึง องค์ประกอบทางเคมีจากนั้นอนุภาคจะเป็นอะตอม หากพิจารณาถึงสารที่ซับซ้อน อนุภาคของมันจะเป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมหลายอะตอม

นอกจากนี้ ตำแหน่งแรกของ MCT ระบุว่าอนุภาคของสสารไม่เต็มพื้นที่อย่างต่อเนื่อง อนุภาคตั้งอยู่ รอบคอบกล่าวคือเสมือนว่าอยู่ ณ จุดต่าง ๆ มีช่องว่างระหว่างอนุภาค ซึ่งขนาดอาจแตกต่างกันไปภายในขีดจำกัดที่กำหนด

ตำแหน่งแรกของ MKT ได้รับการสนับสนุนจากปรากฏการณ์ การขยายตัวทางความร้อนโทร. กล่าวคือเมื่อถูกความร้อน ระยะห่างระหว่างอนุภาคของสารจะเพิ่มขึ้น และขนาดของร่างกายจะเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน เมื่อเย็นตัวลง ระยะห่างระหว่างอนุภาคจะลดลง ส่งผลให้ร่างกายหดตัว

การยืนยันตำแหน่งแรกของ ICT ที่ชัดเจนก็คือ การแพร่กระจาย- การแทรกซึมของสารที่สัมผัสกัน

ตัวอย่างเช่นในรูป. รูปที่ 1 แสดงกระบวนการแพร่กระจายในของเหลว อนุภาคของสารที่ละลายน้ำได้จะถูกใส่ไว้ในแก้วน้ำและในตอนแรกจะอยู่ที่ด้านซ้ายบนของแก้ว เมื่อเวลาผ่านไป อนุภาคจะเคลื่อนที่ (อย่างที่พวกเขาพูด กระจาย) จากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ ในที่สุดความเข้มข้นของอนุภาคจะเท่ากันทุกที่ - อนุภาคจะกระจายเท่าๆ กันทั่วทั้งปริมาตรของของเหลว

ข้าว. 1. การแพร่กระจายในของเหลว

จะอธิบายการแพร่กระจายจากมุมมองของทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุลได้อย่างไร ง่ายมาก: อนุภาคของสสารหนึ่งทะลุเข้าไปในช่องว่างระหว่างอนุภาคของสสารอื่น การแพร่กระจายดำเนินไปเร็วขึ้น ยิ่งช่องว่างเหล่านี้มีขนาดใหญ่ขึ้น ดังนั้น ก๊าซ (ซึ่งระยะห่างระหว่างอนุภาคมีขนาดใหญ่กว่าขนาดของอนุภาคเอง) จึงผสมกันได้ง่ายที่สุด

การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอะตอมและโมเลกุล

ขอให้เราระลึกถึงการกำหนดบทบัญญัติที่สองของ ICT อีกครั้ง: อนุภาคของสสารเกิดการเคลื่อนที่แบบสุ่ม (หรือที่เรียกว่าการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน) ที่ไม่เคยหยุดนิ่ง

การยืนยันการทดลองของตำแหน่งที่สองของ MKT นั้นเป็นปรากฏการณ์การแพร่กระจายอีกครั้งเนื่องจากการแทรกซึมของอนุภาคซึ่งกันและกันสามารถทำได้เมื่อมีการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องเท่านั้น! แต่หลักฐานที่โดดเด่นที่สุดของการเคลื่อนที่ของอนุภาคของสสารที่วุ่นวายชั่วนิรันดร์ก็คือ การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน. นี่คือสิ่งที่เรียกว่าการเคลื่อนไหวแบบสุ่มอย่างต่อเนื่อง อนุภาคบราวเนียน- ฝุ่นละอองหรือเมล็ดพืช (ขนาดซม.) ที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรือก๊าซ

ขบวนการบราวเนียนได้รับการตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่โรเบิร์ต บราวน์ นักพฤกษศาสตร์ชาวสก็อตแลนด์ ผู้ซึ่งมองผ่านกล้องจุลทรรศน์ถึงการเต้นรำอย่างต่อเนื่องของอนุภาคละอองเกสรที่ลอยอยู่ในน้ำ เพื่อพิสูจน์ว่าการเคลื่อนไหวนี้เกิดขึ้นตลอดไป บราวน์พบชิ้นส่วนของควอตซ์ที่มีโพรงที่เต็มไปด้วยน้ำ แม้ว่าน้ำจะไปถึงที่นั่นเมื่อหลายล้านปีก่อน แต่จุดที่อยู่ตรงนั้นยังคงเคลื่อนไหวต่อไป ซึ่งไม่แตกต่างจากที่พบในการทดลองอื่นๆ

สาเหตุของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนก็คืออนุภาคแขวนลอยประสบกับผลกระทบที่ไม่มีการชดเชยจากโมเลกุลของเหลว (ก๊าซ) และเนื่องจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่วุ่นวาย ขนาดและทิศทางของการชนที่เกิดขึ้นจึงไม่สามารถคาดเดาได้อย่างแน่นอน ดังนั้นอนุภาคบราวเนียนจึงอธิบายวิถีซิกแซกที่ซับซ้อน (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน

อย่างไรก็ตาม การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนยังถือได้ว่าเป็นข้อพิสูจน์ถึงความเป็นจริงของการมีอยู่ของโมเลกุล กล่าวคือ มันยังสามารถใช้เป็นหลักฐานการทดลองของตำแหน่งแรกของ MKT ได้อีกด้วย

ปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคของสสาร

ตำแหน่งที่สามของ MCT พูดถึงปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคของสสาร: อะตอมหรือโมเลกุลมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันด้วยแรงดึงดูดและแรงผลัก ซึ่งขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างอนุภาค เมื่อระยะทางเพิ่มขึ้น แรงดึงดูดจะเริ่มมีชัยเหนือ และเมื่อระยะทางลดลง แรงผลักจะเริ่มมีชัยเหนือ

ความถูกต้องของตำแหน่งที่สามของ MKT นั้นเห็นได้จากแรงยืดหยุ่นที่เกิดขึ้นระหว่างการเสียรูปของร่างกาย เมื่อร่างกายถูกยืดออก ระยะห่างระหว่างอนุภาคของมันจะเพิ่มขึ้น และแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคจะเริ่มมีอิทธิพลเหนือ เมื่อร่างกายถูกบีบอัด ระยะห่างระหว่างอนุภาคจะลดลง และผลที่ตามมาก็คือ แรงผลักที่ครอบงำ ในทั้งสองกรณี แรงยืดหยุ่นจะมุ่งไปในทิศทางตรงกันข้ามกับการเสียรูป

การยืนยันอีกประการหนึ่งของการมีอยู่ของแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลคือการมีอยู่ของการรวมตัวของสสารสามสถานะ

ในก๊าซ โมเลกุลจะถูกแยกออกจากกันในระยะทางที่เกินขนาดของโมเลกุลอย่างมีนัยสำคัญ (ในอากาศที่ สภาวะปกติ- ประมาณ 1,000 ครั้ง) ที่ระยะทางดังกล่าวแทบไม่มีแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลดังนั้นก๊าซจึงครอบครองปริมาตรทั้งหมดที่ให้ไว้และถูกบีบอัดได้ง่าย

ในของเหลว ช่องว่างระหว่างโมเลกุลเทียบได้กับขนาดของโมเลกุล แรงดึงดูดของโมเลกุลสามารถสังเกตได้ชัดเจนและทำให้ของเหลวคงปริมาตรไว้ได้ แต่เพื่อให้ของเหลวคงรูปร่างไว้ได้ แรงเหล่านี้ไม่แข็งแกร่งพอ ของเหลว เช่น ก๊าซ จะมีรูปทรงเป็นภาชนะ

ในของแข็ง แรงดึงดูดระหว่างอนุภาคมีความแข็งแรงมาก: ของแข็งรักษาไม่เพียงแต่ปริมาตรเท่านั้น แต่ยังรักษารูปร่างด้วย

การเปลี่ยนแปลงของสารจากสถานะการรวมตัวหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงขนาดของแรงอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคของสาร ตัวอนุภาคเองยังคงไม่เปลี่ยนแปลง