ठोस में अणुओं की व्यवस्था. तरल पदार्थ, गैसों और क्रिस्टल की संरचना के बारे में सार मॉडल विचार
एक अणु की गतिज ऊर्जा
गैस में, अणु मुक्त (अन्य अणुओं से अलग) गति करते हैं, केवल समय-समय पर एक दूसरे से या बर्तन की दीवारों से टकराते हैं। जब तक अणु मुक्त गति में है, तब तक उसमें केवल गतिज ऊर्जा होती है। टक्कर के दौरान अणुओं में स्थितिज ऊर्जा भी होती है। इस प्रकार, किसी गैस की कुल ऊर्जा उसके अणुओं की गतिज और स्थितिज ऊर्जा का योग होती है। गैस जितनी विरल होती है, समय के प्रत्येक क्षण में उतने ही अधिक अणु मुक्त गति की स्थिति में होते हैं, जिनमें केवल गतिज ऊर्जा होती है। नतीजतन, जब गैस को विरल किया जाता है, तो गतिज ऊर्जा की तुलना में संभावित ऊर्जा का हिस्सा कम हो जाता है।
एक आदर्श गैस के संतुलन में एक अणु की औसत गतिज ऊर्जा की एक बहुत महत्वपूर्ण विशेषता होती है: विभिन्न गैसों के मिश्रण में, मिश्रण के विभिन्न घटकों के लिए एक अणु की औसत गतिज ऊर्जा समान होती है।
उदाहरण के लिए, वायु गैसों का मिश्रण है। सामान्य परिस्थितियों में, जब वायु को अभी भी एक आदर्श गैस माना जा सकता है, उसके सभी घटकों के लिए वायु अणु की औसत ऊर्जा समान होती है। आदर्श गैसों के इस गुण को सामान्य सांख्यिकीय विचारों के आधार पर सिद्ध किया जा सकता है। इससे एक महत्वपूर्ण परिणाम निकलता है: यदि दो अलग-अलग गैसें (अलग-अलग जहाजों में) एक दूसरे के साथ थर्मल संतुलन में हैं, तो उनके अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा समान होती है।
गैसों में, अणुओं और परमाणुओं के बीच की दूरी आमतौर पर अणुओं के आकार से बहुत अधिक होती है, अणुओं की परस्पर क्रिया शक्तियाँ बड़ी नहीं होती हैं। परिणामस्वरूप, गैस का अपना आकार और स्थिर आयतन नहीं होता है। गैस आसानी से संपीड़ित होती है और अनिश्चित काल तक फैल सकती है। गैस के अणु स्वतंत्र रूप से चलते हैं (अनुवाद के अनुसार, वे घूम सकते हैं), केवल कभी-कभी अन्य अणुओं और उस बर्तन की दीवारों से टकराते हैं जिसमें गैस स्थित है, और वे बहुत तेज़ गति से चलते हैं।
ठोसों में कणों की गति
ठोस पदार्थों की संरचना गैसों की संरचना से मौलिक रूप से भिन्न होती है। उनमें, अंतर-आणविक दूरियाँ छोटी होती हैं और अणुओं की स्थितिज ऊर्जा गतिज ऊर्जा के बराबर होती है। परमाणुओं (या आयनों, या संपूर्ण अणुओं) को गतिहीन नहीं कहा जा सकता, वे अपनी मध्य स्थिति के चारों ओर यादृच्छिक दोलन गति करते हैं। तापमान जितना अधिक होगा, दोलनों की ऊर्जा उतनी ही अधिक होगी, और इसलिए दोलनों का औसत आयाम भी उतना ही अधिक होगा। परमाणुओं के ऊष्मीय कंपन ठोस पदार्थों की ऊष्मा क्षमता की भी व्याख्या करते हैं। आइए क्रिस्टलीय ठोस पदार्थों में कणों की गति पर अधिक विस्तार से विचार करें। समग्र रूप से संपूर्ण क्रिस्टल एक बहुत ही जटिल युग्मित दोलन प्रणाली है। औसत स्थिति से परमाणुओं का विचलन छोटा है, और इसलिए हम मान सकते हैं कि परमाणु रैखिक हुक के नियम का पालन करते हुए अर्ध-लोचदार बलों की कार्रवाई के अधीन हैं। ऐसी दोलन प्रणालियों को रैखिक कहा जाता है।
रैखिक दोलनों के अधीन प्रणालियों का एक विकसित गणितीय सिद्धांत है। यह एक अत्यंत महत्वपूर्ण प्रमेय सिद्ध करता है जिसका सार इस प्रकार है। यदि सिस्टम छोटे (रैखिक) परस्पर जुड़े दोलन करता है, तो निर्देशांक को परिवर्तित करके इसे औपचारिक रूप से स्वतंत्र ऑसिलेटर्स की प्रणाली में कम किया जा सकता है (जिसके लिए दोलन समीकरण एक दूसरे पर निर्भर नहीं होते हैं)। स्वतंत्र दोलित्रों की प्रणाली इस अर्थ में एक आदर्श गैस की तरह व्यवहार करती है कि उसके परमाणुओं को भी स्वतंत्र माना जा सकता है।
गैस परमाणुओं की स्वतंत्रता के विचार का उपयोग करके हम बोल्ट्जमैन के नियम पर पहुंचते हैं। यह अत्यंत महत्वपूर्ण निष्कर्ष ठोस पदार्थों के संपूर्ण सिद्धांत के लिए एक सरल और विश्वसनीय आधार प्रदान करता है।
बोल्ट्ज़मान का नियम
दिए गए मापदंडों (निर्देशांक और वेग) के साथ ऑसिलेटर की संख्या उसी तरह निर्धारित की जाती है जैसे किसी दिए गए राज्य में गैस अणुओं की संख्या, सूत्र के अनुसार:
थरथरानवाला ऊर्जा.
ठोस पिंड के सिद्धांत में बोल्ट्ज़मैन के नियम (1) पर कोई प्रतिबंध नहीं है, हालांकि, एक थरथरानवाला की ऊर्जा के लिए सूत्र (2) शास्त्रीय यांत्रिकी से लिया गया है। ठोस पदार्थों के सैद्धांतिक विचार में, क्वांटम यांत्रिकी पर भरोसा करना आवश्यक है, जो एक थरथरानवाला की ऊर्जा में असतत परिवर्तन की विशेषता है। थरथरानवाला ऊर्जा की विसंगति केवल उसकी ऊर्जा के पर्याप्त उच्च मूल्यों पर महत्वहीन हो जाती है। इसका मतलब यह है कि (2) का उपयोग केवल पर्याप्त उच्च तापमान पर ही किया जा सकता है। किसी ठोस के उच्च तापमान पर, पिघलने बिंदु के करीब, बोल्ट्ज़मैन का नियम स्वतंत्रता की डिग्री पर ऊर्जा के समान वितरण के नियम का तात्पर्य है। यदि गैसों में स्वतंत्रता की प्रत्येक डिग्री के लिए, औसतन, (1/2) kT के बराबर ऊर्जा की मात्रा होती है, तो थरथरानवाला के पास गतिज के अलावा, स्वतंत्रता की एक डिग्री होती है, संभावित ऊर्जा होती है। इसलिए, पर्याप्त उच्च तापमान पर किसी ठोस में स्वतंत्रता की एक डिग्री की ऊर्जा kT के बराबर होती है। इस नियम के आधार पर किसी ठोस की कुल आंतरिक ऊर्जा और उसके बाद उसकी ऊष्मा क्षमता की गणना करना कठिन नहीं है। किसी ठोस के एक मोल में NA परमाणु होते हैं, और प्रत्येक परमाणु में तीन डिग्री की स्वतंत्रता होती है। इसलिए, मोल में 3 NA ऑसिलेटर होते हैं। एक ठोस पिंड की तिल ऊर्जा
और पर्याप्त उच्च तापमान पर किसी ठोस की दाढ़ ताप क्षमता
अनुभव इस नियम की पुष्टि करता है।
तरल पदार्थ गैसों और ठोस पदार्थों के बीच एक मध्यवर्ती स्थिति रखते हैं। तरल के अणु लंबी दूरी तक विचरण नहीं करते हैं और सामान्य परिस्थितियों में तरल अपना आयतन बनाए रखता है। लेकिन ठोस पदार्थों के विपरीत, अणु न केवल दोलन करते हैं, बल्कि एक स्थान से दूसरे स्थान पर छलांग भी लगाते हैं, यानी वे मुक्त गति करते हैं। जब तापमान बढ़ता है, तो तरल पदार्थ उबल जाते हैं (एक तथाकथित क्वथनांक होता है) और गैस में बदल जाते हैं। जैसे ही तापमान गिरता है, तरल पदार्थ क्रिस्टलीकृत होकर ठोस बन जाते हैं। तापमान क्षेत्र में एक बिंदु होता है जिस पर गैस (संतृप्त वाष्प) और तरल के बीच की सीमा गायब हो जाती है (महत्वपूर्ण बिंदु)। जमने के तापमान के निकट तरल पदार्थों में अणुओं की तापीय गति का पैटर्न ठोस पदार्थों में अणुओं के व्यवहार के समान होता है। उदाहरण के लिए, ताप क्षमता गुणांक लगभग समान हैं। चूंकि पिघलने के दौरान किसी पदार्थ की ताप क्षमता थोड़ी बदल जाती है, इसलिए यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि तरल में कणों की गति की प्रकृति ठोस (पिघलने के तापमान पर) में गति के करीब होती है। गर्म करने पर, तरल के गुण धीरे-धीरे बदलते हैं, और यह गैस जैसा हो जाता है। तरल पदार्थों में, कणों की औसत गतिज ऊर्जा उनके अंतर-आणविक संपर्क की संभावित ऊर्जा से कम होती है। द्रव और ठोस में अंतरआण्विक संपर्क की ऊर्जा में नगण्य अंतर होता है। यदि हम संलयन की ऊष्मा और वाष्पीकरण की ऊष्मा की तुलना करें, तो हम देखेंगे कि एकत्रीकरण की एक अवस्था से दूसरी अवस्था में संक्रमण के दौरान, संलयन की ऊष्मा वाष्पीकरण की ऊष्मा से काफी कम होती है। किसी द्रव की संरचना का पर्याप्त गणितीय विवरण केवल सांख्यिकीय भौतिकी की सहायता से ही दिया जा सकता है। उदाहरण के लिए, यदि किसी तरल में समान गोलाकार अणु होते हैं, तो इसकी संरचना को रेडियल वितरण फ़ंक्शन जी (आर) द्वारा वर्णित किया जा सकता है, जो संदर्भ बिंदु के रूप में चुने गए दिए गए दूरी आर से किसी भी अणु को खोजने की संभावना देता है। . प्रायोगिक तौर पर, इस फ़ंक्शन को एक्स-रे या न्यूट्रॉन के विवर्तन का अध्ययन करके पाया जा सकता है; न्यूटोनियन यांत्रिकी का उपयोग करके इस फ़ंक्शन का कंप्यूटर सिमुलेशन करना संभव है।
द्रव का गतिज सिद्धांत Ya.I द्वारा विकसित किया गया था। फ्रेंकेल. इस सिद्धांत में, ठोस पदार्थ की तरह, तरल को हार्मोनिक ऑसिलेटर्स की एक गतिशील प्रणाली के रूप में माना जाता है। लेकिन ठोस पिंड के विपरीत, तरल में अणुओं की संतुलन स्थिति अस्थायी होती है। एक स्थिति के आसपास दोलन करने के बाद, तरल अणु पड़ोस में स्थित एक नई स्थिति में चला जाता है। ऐसी छलांग ऊर्जा के व्यय के साथ होती है। एक तरल अणु के औसत "स्थायी जीवन" समय की गणना इस प्रकार की जा सकती है:
\[\left\langel t\right\rangel =t_0e^(\frac(W)(kT))\left(5\right),\]
जहां $t_0\ $ एक संतुलन स्थिति के आसपास दोलन की अवधि है। किसी अणु को एक स्थिति से दूसरी स्थिति में जाने के लिए जो ऊर्जा प्राप्त करनी होती है उसे सक्रियण ऊर्जा W कहा जाता है, और जिस समय अणु संतुलन स्थिति में होता है उसे "स्थिर जीवन" समय t कहा जाता है।
पानी के अणु के लिए, उदाहरण के लिए, कमरे के तापमान पर, एक अणु लगभग 100 कंपन करता है और एक नई स्थिति में चला जाता है। किसी तरल के अणुओं के बीच आकर्षण बल आयतन बनाए रखने के लिए बहुत अच्छे होते हैं, लेकिन अणुओं के सीमित गतिहीन जीवन के कारण तरलता जैसी घटना का उदय होता है। संतुलन स्थिति के निकट कण दोलन के दौरान, वे लगातार एक-दूसरे से टकराते रहते हैं, इसलिए, तरल के एक छोटे से संपीड़न से भी कणों की टक्कर तेज "कठोर" हो जाती है। इसका मतलब उस बर्तन की दीवारों पर तरल के दबाव में तेज वृद्धि है जिसमें यह संपीड़ित है।
उदाहरण 1
कार्य: तांबे की विशिष्ट ताप क्षमता निर्धारित करें। मान लें कि तांबे का तापमान पिघलने बिंदु के करीब है। (तांबे का मोलर द्रव्यमान $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$
डुलोंग और पेटिट कानून के अनुसार, पिघलने बिंदु के करीब तापमान पर रासायनिक रूप से सरल पदार्थों के एक मोल में ताप क्षमता होती है:
तांबे की विशिष्ट ताप क्षमता:
\[C=\frac(c)(\mu )\to C=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[C=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0.39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]
उत्तर: तांबे की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता $0.39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$ है
कार्य: पानी में नमक (NaCl) के घुलने की प्रक्रिया को भौतिकी की दृष्टि से सरल तरीके से समझाएं।
समाधान के आधुनिक सिद्धांत का आधार डी.आई. द्वारा बनाया गया था। मेंडेलीव। उन्होंने पाया कि विघटन के दौरान, दो प्रक्रियाएं एक साथ होती हैं: भौतिक - समाधान की मात्रा में विघटित पदार्थ के कणों का समान वितरण, और रासायनिक - विघटित पदार्थ के साथ विलायक की बातचीत। हम भौतिक प्रक्रिया में रुचि रखते हैं। नमक के अणु पानी के अणुओं को नष्ट नहीं करते हैं। इस स्थिति में, पानी का वाष्पीकरण करना असंभव होगा। यदि नमक के अणु पानी के अणुओं से जुड़े होते तो हमें कोई नया पदार्थ मिलता। और नमक के अणु पानी के अणुओं के अंदर प्रवेश नहीं कर सकते।
क्लोरीन के Na+ और Cl- आयनों और ध्रुवीय पानी के अणुओं के बीच एक आयन-द्विध्रुवीय बंधन होता है। यह नमक के अणुओं में आयनिक बंधों से अधिक मजबूत साबित होता है। इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप, NaCl क्रिस्टल की सतह पर स्थित आयनों के बीच का बंधन कमजोर हो जाता है, सोडियम और क्लोरीन आयन क्रिस्टल से अलग हो जाते हैं, और पानी के अणु उनके चारों ओर तथाकथित जलयोजन गोले बनाते हैं। तापीय गति के प्रभाव में अलग हुए हाइड्रेटेड आयन विलायक अणुओं के बीच समान रूप से वितरित होते हैं।
आणविक भौतिकी आसान है!
अणुओं की परस्पर क्रिया शक्तियाँ
किसी पदार्थ के सभी अणु आकर्षण और प्रतिकर्षण की शक्तियों द्वारा एक दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करते हैं।
अणुओं की परस्पर क्रिया के साक्ष्य: गीला होने की घटना, संपीड़न और खिंचाव का प्रतिरोध, ठोस और गैसों की कम संपीड़न क्षमता आदि।
अणुओं की परस्पर क्रिया का कारण पदार्थ में आवेशित कणों की विद्युतचुम्बकीय अन्योन्यक्रिया है।
इसे कैसे समझाया जाए?
एक परमाणु में एक धनात्मक आवेशित नाभिक और एक ऋणात्मक आवेशित इलेक्ट्रॉन आवरण होता है। नाभिक का आवेश सभी इलेक्ट्रॉनों के कुल आवेश के बराबर होता है, इसलिए, समग्र रूप से, परमाणु विद्युत रूप से तटस्थ होता है।
एक या अधिक परमाणुओं से युक्त अणु भी विद्युत रूप से तटस्थ होता है।
दो स्थिर अणुओं के उदाहरण का उपयोग करके अणुओं के बीच परस्पर क्रिया पर विचार करें।
प्रकृति में पिंडों के बीच गुरुत्वाकर्षण और विद्युत चुम्बकीय बल मौजूद हो सकते हैं।
चूँकि अणुओं का द्रव्यमान अत्यंत छोटा होता है, अणुओं के बीच गुरुत्वाकर्षण संपर्क की नगण्य शक्तियों को नजरअंदाज किया जा सकता है।
बहुत बड़ी दूरी पर, अणुओं के बीच कोई विद्युत चुम्बकीय संपर्क भी नहीं होता है।
लेकिन, अणुओं के बीच की दूरी में कमी के साथ, अणु खुद को उन्मुख करना शुरू कर देते हैं ताकि उनके एक-दूसरे का सामना करने वाले पक्षों पर अलग-अलग संकेतों के आरोप हों (सामान्य तौर पर, अणु तटस्थ रहते हैं), और अणुओं के बीच आकर्षक बल उत्पन्न होते हैं।
अणुओं के बीच की दूरी में और भी अधिक कमी के साथ, अणुओं के परमाणुओं के नकारात्मक चार्ज इलेक्ट्रॉन कोशों की परस्पर क्रिया के परिणामस्वरूप प्रतिकारक बल उत्पन्न होते हैं।
परिणामस्वरूप, अणु आकर्षण और प्रतिकर्षण की शक्तियों के योग से प्रभावित होता है। बड़ी दूरी पर, आकर्षक बल प्रबल होता है (2-3 आणविक व्यास की दूरी पर, आकर्षण अधिकतम होता है), कम दूरी पर, प्रतिकारक बल होता है।
अणुओं के बीच एक ऐसी दूरी होती है जिस पर आकर्षण बल, प्रतिकर्षण बल के बराबर हो जाते हैं। अणुओं की इस स्थिति को स्थिर संतुलन की स्थिति कहा जाता है।
एक दूसरे से दूरी पर स्थित और विद्युत चुम्बकीय बलों द्वारा जुड़े अणुओं में स्थितिज ऊर्जा होती है।
स्थिर संतुलन की स्थिति में अणुओं की स्थितिज ऊर्जा न्यूनतम होती है।
किसी पदार्थ में, प्रत्येक अणु कई पड़ोसी अणुओं के साथ एक साथ संपर्क करता है, जो अणुओं की न्यूनतम संभावित ऊर्जा के मूल्य को भी प्रभावित करता है।
इसके अलावा, किसी पदार्थ के सभी अणु निरंतर गति में होते हैं, अर्थात। गतिज ऊर्जा है.
इस प्रकार, किसी पदार्थ की संरचना और उसके गुण (ठोस, तरल और गैसीय पिंड) अणुओं की परस्पर क्रिया की न्यूनतम संभावित ऊर्जा और अणुओं की तापीय गति की गतिज ऊर्जा के बीच के अनुपात से निर्धारित होते हैं।
ठोस, तरल और गैसीय पिंडों की संरचना और गुण
पिंडों की संरचना को पिंड के कणों की परस्पर क्रिया और उनकी तापीय गति की प्रकृति द्वारा समझाया जाता है।
ठोस
ठोसों का एक स्थिर आकार और आयतन होता है, और वे व्यावहारिक रूप से असम्पीडित होते हैं।
अणुओं की परस्पर क्रिया की न्यूनतम स्थितिज ऊर्जा अणुओं की गतिज ऊर्जा से अधिक होती है।
कणों की मजबूत अंतःक्रिया.
किसी ठोस में अणुओं की तापीय गति केवल स्थिर संतुलन की स्थिति के आसपास कणों (परमाणुओं, अणुओं) के दोलन द्वारा व्यक्त की जाती है।
आकर्षण की बड़ी ताकतों के कारण, अणु व्यावहारिक रूप से किसी पदार्थ में अपनी स्थिति नहीं बदल सकते हैं, जो ठोस पदार्थों के आयतन और आकार की अपरिवर्तनीयता की व्याख्या करता है।
अधिकांश ठोस पदार्थों में कणों की स्थानिक रूप से व्यवस्थित व्यवस्था होती है जो एक नियमित क्रिस्टल जाली बनाती है। पदार्थ के कण (परमाणु, अणु, आयन) शीर्षों पर स्थित होते हैं - क्रिस्टल जाली के नोड्स। क्रिस्टल जाली के नोड्स कणों के स्थिर संतुलन की स्थिति के साथ मेल खाते हैं।
ऐसे ठोसों को क्रिस्टलीय कहा जाता है।
तरल
तरल पदार्थों का एक निश्चित आयतन होता है, लेकिन उनका अपना आकार नहीं होता, वे जिस बर्तन में होते हैं उसी का आकार ले लेते हैं।
अणुओं की परस्पर क्रिया की न्यूनतम संभावित ऊर्जा अणुओं की गतिज ऊर्जा के बराबर होती है।
कमजोर कण अंतःक्रिया.
किसी तरल पदार्थ में अणुओं की तापीय गति को उसके पड़ोसियों द्वारा अणु को प्रदान किए गए आयतन के भीतर स्थिर संतुलन की स्थिति के आसपास दोलनों द्वारा व्यक्त किया जाता है।
अणु किसी पदार्थ के संपूर्ण आयतन में स्वतंत्र रूप से नहीं घूम सकते, लेकिन अणुओं का पड़ोसी स्थानों में संक्रमण संभव है। यह तरल की तरलता, उसके आकार को बदलने की क्षमता की व्याख्या करता है।
तरल पदार्थों में, अणु आकर्षक बलों द्वारा एक-दूसरे से काफी मजबूती से बंधे होते हैं, जो तरल के आयतन की अपरिवर्तनीयता की व्याख्या करता है।
किसी तरल पदार्थ में अणुओं के बीच की दूरी अणु के व्यास के लगभग बराबर होती है। अणुओं के बीच की दूरी (तरल को संपीड़ित करने) में कमी के साथ, प्रतिकारक बल तेजी से बढ़ते हैं, इसलिए तरल पदार्थ असम्पीडित होते हैं।
उनकी संरचना और थर्मल गति की प्रकृति के संदर्भ में, तरल पदार्थ ठोस और गैसों के बीच एक मध्यवर्ती स्थिति पर कब्जा कर लेते हैं।
हालाँकि तरल और गैस के बीच का अंतर तरल और ठोस की तुलना में बहुत अधिक है। उदाहरण के लिए, पिघलने या क्रिस्टलीकरण के दौरान, किसी पिंड का आयतन वाष्पीकरण या संघनन की तुलना में कई गुना कम बदलता है।
गैसों का आयतन स्थिर नहीं होता और वे जिस बर्तन में स्थित होती हैं उसके पूरे आयतन पर कब्जा कर लेती हैं।
अणुओं की परस्पर क्रिया की न्यूनतम स्थितिज ऊर्जा अणुओं की गतिज ऊर्जा से कम होती है।
पदार्थ के कण व्यावहारिक रूप से परस्पर क्रिया नहीं करते हैं।
गैसों को अणुओं की व्यवस्था और गति में पूर्ण विकार की विशेषता है।
गैसों में, अणुओं और परमाणुओं के बीच की दूरी आमतौर पर अणुओं के आकार से बहुत बड़ी और बहुत छोटी होती है। इसलिए, गैसों का अपना आकार और स्थिर आयतन नहीं होता है। गैसें आसानी से संपीड़ित हो जाती हैं क्योंकि बड़ी दूरी पर प्रतिकारक बल भी छोटे होते हैं। गैसों में अनिश्चित काल तक विस्तार करने का गुण होता है, जिससे उन्हें प्रदान की गई संपूर्ण मात्रा भर जाती है। गैस के अणु बहुत तेज़ गति से चलते हैं, एक-दूसरे से टकराते हैं, एक-दूसरे से अलग-अलग दिशाओं में उछलते हैं। बर्तन की दीवारों पर अणुओं के अनेक प्रभाव पड़ते हैं गैस दाब.
द्रवों में अणुओं की गति
तरल पदार्थ में, अणु न केवल संतुलन स्थिति के चारों ओर दोलन करते हैं, बल्कि एक संतुलन स्थिति से दूसरे तक भी छलांग लगाते हैं। ये छलांगें समय-समय पर होती रहती हैं। ऐसी छलांगों के बीच का समय अंतराल कहलाता है व्यवस्थित जीवन का औसत समय(या औसत विश्राम का समय) और इसे τ अक्षर से दर्शाया जाता है। दूसरे शब्दों में, विश्राम का समय एक विशिष्ट संतुलन स्थिति के आसपास दोलन का समय है। कमरे के तापमान पर यह समय औसतन 10 -11 सेकेंड होता है। एक दोलन का समय 10 -12... 10 -13 सेकेंड है।
बढ़ते तापमान के साथ व्यवस्थित जीवन का समय घटता जाता है। तरल के अणुओं के बीच की दूरी अणुओं के आकार से छोटी होती है, कण एक दूसरे के करीब होते हैं, लेकिन बड़े होते हैं। हालाँकि, पूरे आयतन में तरल अणुओं की व्यवस्था का कड़ाई से आदेश नहीं दिया गया है।
ठोस पदार्थों की तरह तरल पदार्थ भी अपना आयतन बनाए रखते हैं लेकिन उनका अपना आकार नहीं होता। इसलिए, वे जिस बर्तन में स्थित होते हैं उसी का रूप ले लेते हैं। द्रव में गुण होता है द्रवता. इस गुण के कारण, तरल आकार में परिवर्तन का विरोध नहीं करता है, यह थोड़ा संपीड़ित होता है, और इसके भौतिक गुण तरल के अंदर सभी दिशाओं में समान होते हैं (तरल पदार्थों की आइसोट्रॉपी)। पहली बार, तरल पदार्थ में आणविक गति की प्रकृति सोवियत भौतिक विज्ञानी याकोव इलिच फ्रेंकेल (1894 - 1952) द्वारा स्थापित की गई थी।
ठोस पदार्थों में अणुओं की गति
ठोस शरीर के अणु एवं परमाणु एक निश्चित क्रम एवं रूप में व्यवस्थित होते हैं क्रिस्टल लैटिस. ऐसे ठोसों को क्रिस्टलीय कहा जाता है। परमाणु संतुलन स्थिति के चारों ओर दोलन करते हैं, और उनके बीच आकर्षण बहुत मजबूत होता है। इसलिए, सामान्य परिस्थितियों में ठोस पदार्थ आयतन बनाए रखते हैं और उनका अपना आकार होता है।
ठोसों में अणुओं की व्यवस्था. ठोस पदार्थों में, अणुओं के बीच की दूरी अणुओं के आकार के बराबर होती है, इसलिए ठोस अपना आकार बनाए रखते हैं। अणुओं को एक निश्चित क्रम में व्यवस्थित किया जाता है, जिसे क्रिस्टल जाली कहा जाता है, इसलिए सामान्य परिस्थितियों में, ठोस अपना आयतन बनाए रखते हैं।
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"प्रकृति में प्रसार" - सब्जियों और फलों को संरक्षित करते समय खाद्य उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। स्टील को गलाते समय. प्रसार का एक उदाहरण गैसों या तरल पदार्थों का मिश्रण है। प्रसार क्या है? सांस में फैलाव. प्रसार की घटना की प्रकृति में महत्वपूर्ण अभिव्यक्तियाँ हैं, इसका उपयोग विज्ञान और उत्पादन में किया जाता है।
"पदार्थ की समग्र अवस्थाओं को बदलना" - पदार्थ का समग्र परिवर्तन। वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा. उबलने का तापमान. उबलना। पानी की समग्र अवस्था में परिवर्तन का तापमान ग्राफ। पिघलने और क्रिस्टलीकरण तापमान. वाष्पीकरण की स्थिति. समग्र परिवर्तन. वाष्पीकरण. ऊष्मा की मात्रा की गणना. पिघलने और जमने की प्रक्रिया.
"पदार्थ की 3 अवस्थाएँ" - पहेली पहेली को हल करें। क्रिस्टलीकरण. ठोसों में अणुओं की व्यवस्था. प्रक्रिया उदाहरण. राज्य. पदार्थ। गैसों के गुण. वाष्पीकरण. क्रॉसवर्ड के लिए प्रश्न. तरल पदार्थों के गुण. द्रवों में अणुओं की व्यवस्था. बर्फ़। ठोस पिंडों के गुण. वाष्पीकरण। कणों की गति और अंतःक्रिया की प्रकृति।
"पदार्थों का प्रसार" - सुगंधित पत्तियाँ। गाढ़ा रंग। नीतिवचन. थेल्स ऑफ़ मिलिटस. हेराक्लिटस. हम समस्याओं का समाधान करते हैं. प्राचीन ग्रीस के वैज्ञानिक। प्रौद्योगिकी और प्रकृति में प्रसार. जीवविज्ञान प्रेमियों के लिए कार्य। प्रसार. प्रसार की घटना. डेमोक्रिटस। टिप्पणियाँ। गैसों में प्रसार.
"विघटन के दौरान थर्मल घटनाएँ" - डी.आई. मेंडेलीव। ब्रीफिंग. पानी में पोटैशियम परमैंगनेट का घोलना। ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया. अपने रूममेट की जांच करें. हम कामना करते हैं कि आप भौतिकी और रसायन विज्ञान के नियमों के आगे के ज्ञान में सफलता प्राप्त करें। प्रसार दर. तापीय गति किसे कहते हैं. अणुओं का परस्पर प्रवेश। समाधान का मूल्य. व्यावहारिक कार्य.
"अणुओं की परस्पर क्रिया" - क्या लोहे की कील के दो टुकड़ों को जोड़ना संभव है? आकर्षण कणों को एक साथ बांधे रखता है। विकल्प I प्राकृतिक मिश्रण में शामिल नहीं हैं: ए) मिट्टी; बी) सीमेंट; ग) मिट्टी। गैसीय पदार्थ. विकल्प II एक कृत्रिम मिश्रण है: ए) मिट्टी; बी) सीमेंट; ग) मिट्टी। गैस अणुओं के बीच की दूरी अणुओं के आकार से अधिक होती है।
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एक अणु की गतिज ऊर्जा
गैस में, अणु मुक्त (अन्य अणुओं से अलग) गति करते हैं, केवल समय-समय पर एक दूसरे से या बर्तन की दीवारों से टकराते हैं। जब तक अणु मुक्त गति में है, तब तक उसमें केवल गतिज ऊर्जा होती है। टक्कर के दौरान अणुओं में स्थितिज ऊर्जा भी होती है। इस प्रकार, किसी गैस की कुल ऊर्जा उसके अणुओं की गतिज और स्थितिज ऊर्जा का योग होती है। गैस जितनी विरल होती है, समय के प्रत्येक क्षण में उतने ही अधिक अणु मुक्त गति की स्थिति में होते हैं, जिनमें केवल गतिज ऊर्जा होती है। नतीजतन, जब गैस को विरल किया जाता है, तो गतिज ऊर्जा की तुलना में संभावित ऊर्जा का हिस्सा कम हो जाता है।
एक आदर्श गैस के संतुलन में एक अणु की औसत गतिज ऊर्जा की एक बहुत महत्वपूर्ण विशेषता होती है: विभिन्न गैसों के मिश्रण में, मिश्रण के विभिन्न घटकों के लिए एक अणु की औसत गतिज ऊर्जा समान होती है।
उदाहरण के लिए, वायु गैसों का मिश्रण है। सामान्य परिस्थितियों में, जब वायु को अभी भी एक आदर्श गैस माना जा सकता है, उसके सभी घटकों के लिए वायु अणु की औसत ऊर्जा समान होती है। आदर्श गैसों के इस गुण को सामान्य सांख्यिकीय विचारों के आधार पर सिद्ध किया जा सकता है। इससे एक महत्वपूर्ण परिणाम निकलता है: यदि दो अलग-अलग गैसें (अलग-अलग जहाजों में) एक दूसरे के साथ थर्मल संतुलन में हैं, तो उनके अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा समान होती है।
गैसों में, अणुओं और परमाणुओं के बीच की दूरी आमतौर पर अणुओं के आकार से बहुत अधिक होती है, अणुओं की परस्पर क्रिया शक्तियाँ बड़ी नहीं होती हैं। परिणामस्वरूप, गैस का अपना आकार और स्थिर आयतन नहीं होता है। गैस आसानी से संपीड़ित होती है और अनिश्चित काल तक फैल सकती है। गैस के अणु स्वतंत्र रूप से चलते हैं (अनुवाद के अनुसार, वे घूम सकते हैं), केवल कभी-कभी अन्य अणुओं और उस बर्तन की दीवारों से टकराते हैं जिसमें गैस स्थित है, और वे बहुत तेज़ गति से चलते हैं।
ठोसों में कणों की गति
ठोस पदार्थों की संरचना गैसों की संरचना से मौलिक रूप से भिन्न होती है। उनमें, अंतर-आणविक दूरियाँ छोटी होती हैं और अणुओं की स्थितिज ऊर्जा गतिज ऊर्जा के बराबर होती है। परमाणुओं (या आयनों, या संपूर्ण अणुओं) को गतिहीन नहीं कहा जा सकता, वे अपनी मध्य स्थिति के चारों ओर यादृच्छिक दोलन गति करते हैं। तापमान जितना अधिक होगा, दोलनों की ऊर्जा उतनी ही अधिक होगी, और इसलिए दोलनों का औसत आयाम भी उतना ही अधिक होगा। परमाणुओं के ऊष्मीय कंपन ठोस पदार्थों की ऊष्मा क्षमता की भी व्याख्या करते हैं। आइए क्रिस्टलीय ठोस पदार्थों में कणों की गति पर अधिक विस्तार से विचार करें। समग्र रूप से संपूर्ण क्रिस्टल एक बहुत ही जटिल युग्मित दोलन प्रणाली है। औसत स्थिति से परमाणुओं का विचलन छोटा है, और इसलिए हम मान सकते हैं कि परमाणु रैखिक हुक के नियम का पालन करते हुए अर्ध-लोचदार बलों की कार्रवाई के अधीन हैं। ऐसी दोलन प्रणालियों को रैखिक कहा जाता है।
रैखिक दोलनों के अधीन प्रणालियों का एक विकसित गणितीय सिद्धांत है। यह एक अत्यंत महत्वपूर्ण प्रमेय सिद्ध करता है जिसका सार इस प्रकार है। यदि सिस्टम छोटे (रैखिक) परस्पर जुड़े दोलन करता है, तो निर्देशांक को परिवर्तित करके इसे औपचारिक रूप से स्वतंत्र ऑसिलेटर्स की प्रणाली में कम किया जा सकता है (जिसके लिए दोलन समीकरण एक दूसरे पर निर्भर नहीं होते हैं)। स्वतंत्र दोलित्रों की प्रणाली इस अर्थ में एक आदर्श गैस की तरह व्यवहार करती है कि उसके परमाणुओं को भी स्वतंत्र माना जा सकता है।
गैस परमाणुओं की स्वतंत्रता के विचार का उपयोग करके हम बोल्ट्जमैन के नियम पर पहुंचते हैं। यह अत्यंत महत्वपूर्ण निष्कर्ष ठोस पदार्थों के संपूर्ण सिद्धांत के लिए एक सरल और विश्वसनीय आधार प्रदान करता है।
बोल्ट्ज़मान का नियम
दिए गए मापदंडों (निर्देशांक और वेग) के साथ ऑसिलेटर की संख्या उसी तरह निर्धारित की जाती है जैसे किसी दिए गए राज्य में गैस अणुओं की संख्या, सूत्र के अनुसार:
थरथरानवाला ऊर्जा.
ठोस पिंड के सिद्धांत में बोल्ट्ज़मैन के नियम (1) पर कोई प्रतिबंध नहीं है, हालांकि, एक थरथरानवाला की ऊर्जा के लिए सूत्र (2) शास्त्रीय यांत्रिकी से लिया गया है। ठोस पदार्थों के सैद्धांतिक विचार में, क्वांटम यांत्रिकी पर भरोसा करना आवश्यक है, जो एक थरथरानवाला की ऊर्जा में असतत परिवर्तन की विशेषता है। थरथरानवाला ऊर्जा की विसंगति केवल उसकी ऊर्जा के पर्याप्त उच्च मूल्यों पर महत्वहीन हो जाती है। इसका मतलब यह है कि (2) का उपयोग केवल पर्याप्त उच्च तापमान पर ही किया जा सकता है। किसी ठोस के उच्च तापमान पर, पिघलने बिंदु के करीब, बोल्ट्ज़मैन का नियम स्वतंत्रता की डिग्री पर ऊर्जा के समान वितरण के नियम का तात्पर्य है। यदि गैसों में स्वतंत्रता की प्रत्येक डिग्री के लिए, औसतन, (1/2) kT के बराबर ऊर्जा की मात्रा होती है, तो थरथरानवाला के पास गतिज के अलावा, स्वतंत्रता की एक डिग्री होती है, संभावित ऊर्जा होती है। इसलिए, पर्याप्त उच्च तापमान पर किसी ठोस में स्वतंत्रता की एक डिग्री की ऊर्जा kT के बराबर होती है। इस नियम के आधार पर किसी ठोस की कुल आंतरिक ऊर्जा और उसके बाद उसकी ऊष्मा क्षमता की गणना करना कठिन नहीं है। किसी ठोस के एक मोल में NA परमाणु होते हैं, और प्रत्येक परमाणु में तीन डिग्री की स्वतंत्रता होती है। इसलिए, मोल में 3 NA ऑसिलेटर होते हैं। एक ठोस पिंड की तिल ऊर्जा
और पर्याप्त उच्च तापमान पर किसी ठोस की दाढ़ ताप क्षमता
अनुभव इस नियम की पुष्टि करता है।
तरल पदार्थ गैसों और ठोस पदार्थों के बीच एक मध्यवर्ती स्थिति रखते हैं। तरल के अणु लंबी दूरी तक विचरण नहीं करते हैं और सामान्य परिस्थितियों में तरल अपना आयतन बनाए रखता है। लेकिन ठोस पदार्थों के विपरीत, अणु न केवल दोलन करते हैं, बल्कि एक स्थान से दूसरे स्थान पर छलांग भी लगाते हैं, यानी वे मुक्त गति करते हैं। जब तापमान बढ़ता है, तो तरल पदार्थ उबल जाते हैं (एक तथाकथित क्वथनांक होता है) और गैस में बदल जाते हैं। जैसे ही तापमान गिरता है, तरल पदार्थ क्रिस्टलीकृत होकर ठोस बन जाते हैं। तापमान क्षेत्र में एक बिंदु होता है जिस पर गैस (संतृप्त वाष्प) और तरल के बीच की सीमा गायब हो जाती है (महत्वपूर्ण बिंदु)। जमने के तापमान के निकट तरल पदार्थों में अणुओं की तापीय गति का पैटर्न ठोस पदार्थों में अणुओं के व्यवहार के समान होता है। उदाहरण के लिए, ताप क्षमता गुणांक लगभग समान हैं। चूंकि पिघलने के दौरान किसी पदार्थ की ताप क्षमता थोड़ी बदल जाती है, इसलिए यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि तरल में कणों की गति की प्रकृति ठोस (पिघलने के तापमान पर) में गति के करीब होती है। गर्म करने पर, तरल के गुण धीरे-धीरे बदलते हैं, और यह गैस जैसा हो जाता है। तरल पदार्थों में, कणों की औसत गतिज ऊर्जा उनके अंतर-आणविक संपर्क की संभावित ऊर्जा से कम होती है। द्रव और ठोस में अंतरआण्विक संपर्क की ऊर्जा में नगण्य अंतर होता है। यदि हम संलयन की ऊष्मा और वाष्पीकरण की ऊष्मा की तुलना करें, तो हम देखेंगे कि एकत्रीकरण की एक अवस्था से दूसरी अवस्था में संक्रमण के दौरान, संलयन की ऊष्मा वाष्पीकरण की ऊष्मा से काफी कम होती है। किसी द्रव की संरचना का पर्याप्त गणितीय विवरण केवल सांख्यिकीय भौतिकी की सहायता से ही दिया जा सकता है। उदाहरण के लिए, यदि किसी तरल में समान गोलाकार अणु होते हैं, तो इसकी संरचना को रेडियल वितरण फ़ंक्शन जी (आर) द्वारा वर्णित किया जा सकता है, जो संदर्भ बिंदु के रूप में चुने गए दिए गए दूरी आर से किसी भी अणु को खोजने की संभावना देता है। . प्रायोगिक तौर पर, इस फ़ंक्शन को एक्स-रे या न्यूट्रॉन के विवर्तन का अध्ययन करके पाया जा सकता है; न्यूटोनियन यांत्रिकी का उपयोग करके इस फ़ंक्शन का कंप्यूटर सिमुलेशन करना संभव है।
द्रव का गतिज सिद्धांत Ya.I द्वारा विकसित किया गया था। फ्रेंकेल. इस सिद्धांत में, ठोस पदार्थ की तरह, तरल को हार्मोनिक ऑसिलेटर्स की एक गतिशील प्रणाली के रूप में माना जाता है। लेकिन ठोस पिंड के विपरीत, तरल में अणुओं की संतुलन स्थिति अस्थायी होती है। एक स्थिति के आसपास दोलन करने के बाद, तरल अणु पड़ोस में स्थित एक नई स्थिति में चला जाता है। ऐसी छलांग ऊर्जा के व्यय के साथ होती है। एक तरल अणु के औसत "स्थायी जीवन" समय की गणना इस प्रकार की जा सकती है:
\[\left\langel t\right\rangel =t_0e^(\frac(W)(kT))\left(5\right),\]
जहां $t_0\ $ एक संतुलन स्थिति के आसपास दोलन की अवधि है। किसी अणु को एक स्थिति से दूसरी स्थिति में जाने के लिए जो ऊर्जा प्राप्त करनी होती है उसे सक्रियण ऊर्जा W कहा जाता है, और जिस समय अणु संतुलन स्थिति में होता है उसे "स्थिर जीवन" समय t कहा जाता है।
पानी के अणु के लिए, उदाहरण के लिए, कमरे के तापमान पर, एक अणु लगभग 100 कंपन करता है और एक नई स्थिति में चला जाता है। किसी तरल के अणुओं के बीच आकर्षण बल आयतन बनाए रखने के लिए बहुत अच्छे होते हैं, लेकिन अणुओं के सीमित गतिहीन जीवन के कारण तरलता जैसी घटना का उदय होता है। संतुलन स्थिति के निकट कण दोलन के दौरान, वे लगातार एक-दूसरे से टकराते रहते हैं, इसलिए, तरल के एक छोटे से संपीड़न से भी कणों की टक्कर तेज "कठोर" हो जाती है। इसका मतलब उस बर्तन की दीवारों पर तरल के दबाव में तेज वृद्धि है जिसमें यह संपीड़ित है।
उदाहरण 1
कार्य: तांबे की विशिष्ट ताप क्षमता निर्धारित करें। मान लें कि तांबे का तापमान पिघलने बिंदु के करीब है। (तांबे का मोलर द्रव्यमान $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$
डुलोंग और पेटिट कानून के अनुसार, पिघलने बिंदु के करीब तापमान पर रासायनिक रूप से सरल पदार्थों के एक मोल में ताप क्षमता होती है:
तांबे की विशिष्ट ताप क्षमता:
\[C=\frac(c)(\mu )\to C=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[C=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0.39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]
उत्तर: तांबे की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता $0.39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$ है
कार्य: पानी में नमक (NaCl) के घुलने की प्रक्रिया को भौतिकी की दृष्टि से सरल तरीके से समझाएं।
समाधान के आधुनिक सिद्धांत का आधार डी.आई. द्वारा बनाया गया था। मेंडेलीव। उन्होंने पाया कि विघटन के दौरान, दो प्रक्रियाएं एक साथ होती हैं: भौतिक - समाधान की मात्रा में विघटित पदार्थ के कणों का समान वितरण, और रासायनिक - विघटित पदार्थ के साथ विलायक की बातचीत। हम भौतिक प्रक्रिया में रुचि रखते हैं। नमक के अणु पानी के अणुओं को नष्ट नहीं करते हैं। इस स्थिति में, पानी का वाष्पीकरण करना असंभव होगा। यदि नमक के अणु पानी के अणुओं से जुड़े होते तो हमें कोई नया पदार्थ मिलता। और नमक के अणु पानी के अणुओं के अंदर प्रवेश नहीं कर सकते।
क्लोरीन के Na+ और Cl- आयनों और ध्रुवीय पानी के अणुओं के बीच एक आयन-द्विध्रुवीय बंधन होता है। यह नमक के अणुओं में आयनिक बंधों से अधिक मजबूत साबित होता है। इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप, NaCl क्रिस्टल की सतह पर स्थित आयनों के बीच का बंधन कमजोर हो जाता है, सोडियम और क्लोरीन आयन क्रिस्टल से अलग हो जाते हैं, और पानी के अणु उनके चारों ओर तथाकथित जलयोजन गोले बनाते हैं। तापीय गति के प्रभाव में अलग हुए हाइड्रेटेड आयन विलायक अणुओं के बीच समान रूप से वितरित होते हैं।