ID: 79391

Название работы: Объяснение агрегатных состояний вещества на основе атомно-молекулярных представлений

Категория: Конспект урока

Предметная область: Педагогика и дидактика

Описание: Ещё в четвёртом веке до н.э. было известно, что свойства вещества определяются свойствами его атомов молекул. Прошло двадцать четыре века но информация о структуре вещества полученная за это время не сказалась на основных положениях физики определяющих агрегатное состояние вещества.

Язык: Русский

Дата добавления: 2015-02-11

Размер файла: 114.02 KB

Работу скачали: 25 чел.

Урок №2/44

Тема №22: «Объяснение агрегатных состояний вещества на основе атомно-молекулярных представлений.»

1 Агрегатное состояние вещества и силы межмолекулярного взаимодействия 

Ещё в четвёртом веке до н.э. было известно, что свойства вещества определяются свойствами его атомов (молекул). Прошло двадцать четыре века, но информация о структуре вещества, полученная за это время, не сказалась на основных положениях физики, определяющих агрегатное состояние вещества.

В молекулярной физике известно, что главной причиной, определяющей существование вещества в каком либо агрегатном состоянии, является величина сил взаимного отталкивания и притяжения. Однако эти знания не были востребованы для формулирования физического определения агрегатных состояний вещества.

“В ХХ веке, по мере развития представлений о строении атома и квантовой механики, было выяснено, что между молекулами вещества одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания. На рис. 1,а приведена качественная зависимость сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния r между молекулами, где Fc и Fпр соответственно силы отталкивания и притяжения, F - их результирующая. Силы отталкивания считаются положительными, а силы взаимного притяжения - отрицательными.

На расстоянии r =r0 результирующая сила F = 0, т.е. силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга. Таким образом, расстояние  r0  соответствует равновесному расстоянию между молекулами, на котором бы они находились в отсутствии теплового движения. При rr0 преобладают силы отталкивания (F), при r0 - силы притяжения(F<0).

На расстояниях r>10-9 м межмолекулярные силы практически отсутствуют (F).

Зависимость силы взаимодействия молекул F от расстояния между ними r является очень важным физическим фактором. Эта зависимость позволяет предсказать переход вещества из одного агрегатного состояния в другое. Эта зависимость также позволяет предсказать поведение вещества при внешней нагрузке. При изменении расстояния между молекулами возникает сила F, с которой вещество сопротивляется внешней нагрузке.

Рис. 1

Рис. 2

2 Газы

Характер теплового движения молекул и атомов зависит от агрегатного состояния вещества и определяется силами молекулярного взаимодействия. Качественное объяснение основных свойств вещества, находящегося в определённом агрегатном состоянии, даёт молекулярно-кинетическая энергия.

Частицы газа не связаны молекулярными силами притяжения и движутся свободно, равномерно заполняя весь предоставленный им объём. В газах при нормальных условиях молекулы находятся на расстояниях, во много раз превышающих размеры самих молекул. Молекулы газа движутся со скоростями порядка нескольких сотен метров в секунду. Их взаимодействие друг с другом происходит только при соударении. Давление внутри газа и на стенки сосуда, в котором он заключён, создаётся столкновениями молекул друг с другом и со стенками сосуда. При этих столкновениях передаётся импульс, который обусловливает давление газа. Вследствие того, что силы молекулярного взаимодействия практически отсутствуют, газы могут легко сжиматься и неограниченно расширяться.

3 Жидкости

Это агрегатное состояние вещества, в котором наблюдается упорядоченное относительное расположение соседних частиц. Молекулы жидкости совершают колебательное движение около определённых положений равновесия. Эти колебания возможны потому, что между молекулами жидкости существует своеобразное «свободное» пространство.

Советский физик-теоретик Я.И.Френкель разработал теорию, согласно которой время «осёдлой жизни» частицы, т.е. время колебания около положения равновесия очень мало, порядка 10-10 – 10-12 с, после чего частица переходит в новое положение равновесия и, таким образом, перемещается внутри жидкости. С повышением температуры время «осёдлой жизни» молекул жидкости уменьшается. Основное свойство жидкости – текучесть. Под действием внешней силы в жидкости появляется направленность скачков частиц из одного «осёдлого положения» в другое вдоль направления действия силы. Вот почему жидкость течёт и принимает форму сосуда, в котором она находится.

4 Твёрдые тела

Они отличаются от двух предыдущих агрегатных состояний постоянством формы и объёма. В твёрдых телах атомы и молекулы жёстко связаны друг с другом, образуя пространственные кристаллические решётки, упорядоченное, периодически повторяющееся в пространстве расположение частиц. Силы взаимодействия настолько велики, что частицы твёрдого тела  не могут удалиться от своих «соседей» на сколько-нибудь значительное расстояние. Тепловое движение частиц в твёрдых телах представляет собой хаотическое колебание относительно их положений равновесия. В кристаллах положениями равновесия являются узлы кристаллической решётки, т.е. точки, соответствующие наиболее устойчивому положению частиц твёрдого тела.

Расположение частиц в кристаллических решётках обусловливает форму и свойства кристаллов. Наряду с твёрдыми телами в природе встречаются и аморфные тела, у которых отсутствует кристаллическая решётка. Примеры: пластилин, стекло, смола и др. Аморфное состояние – это неустойчивое состояние, которое с течением времени переходит в кристаллическое.

4 Плазма

Плазма – газ, в котором имеется большое количество положительно и отрицательно заряженных ионов и свободных электронов. Она может быть получена при нагревании вещества до очень высоких температур (порядка 105 К). При таких условиях вещество находится в газообразном состоянии, причём вследствие тепловых столкновений почти все атомы превращаются в ионы. Подобные условия существуют на Солнце и других звёздах, где температура достигает порядка 109 К и более.

Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году.

При температурах более 1 000 000 °С плазма абсолютно ионизована — она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма — наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности — это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма.

Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму. Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, — всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии — планеты, астероиды и пылевые туманности.

Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную.

.