Semua molekul suatu zat berpartisipasi dalam gerak termal, oleh karena itu, dengan perubahan sifat gerak termal, keadaan zat dan sifat-sifatnya juga berubah. Jadi, saat suhu naik, air mendidih dan berubah menjadi uap. Jika suhu diturunkan, air akan membeku dan berubah wujud dari cair menjadi padat.

DEFINISI

Suhu- besaran fisika skalar yang mencirikan derajat pemanasan suatu benda.

Suhu adalah ukuran intensitas gerak termal molekul dan mencirikan keadaan kesetimbangan termal suatu sistem benda makroskopik: semua benda dalam sistem yang berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain memiliki suhu yang sama.

Suhu diukur termometer. Termometer apa pun menggunakan perubahan beberapa parameter makroskopis tergantung pada perubahan suhu.

Satuan suhu dalam SI adalah derajat Kelvin (K). Rumus peralihan dari skala Celcius ke skala suhu Kelvin (skala absolut) adalah:

dimana suhu pada skala Celcius.

Suhu minimum sama dengan nol pada skala absolut. Pada nol mutlak, gerakan termal molekul berhenti.

Semakin tinggi suhu suatu benda, semakin besar kecepatan pergerakan termal molekul, dan akibatnya, semakin banyak energi yang dimiliki molekul-molekul tersebut. Jadi, suhu berfungsi sebagai ukuran energi kinetik gerak termal molekul.

Akar rata-rata kuadrat kecepatan molekul

Kecepatan akar rata-rata kuadrat molekul dihitung dengan rumus:

dimana adalah konstanta Boltzmann, J/K.

Energi kinetik rata-rata gerak satu molekul

Energi kinetik rata-rata pergerakan satu molekul:

Arti fisis dari konstanta Boltzmann adalah bahwa konstanta ini menentukan hubungan antara suhu suatu zat dan energi gerak termal molekul-molekul zat tersebut.

Penting untuk dicatat bahwa energi rata-rata gerak termal molekul hanya bergantung pada suhu gas. Pada suhu tertentu, energi kinetik rata-rata dari gerak translasi molekul yang kacau tidak bergantung pada komposisi kimia gas, massa molekul, tekanan gas, atau volume yang ditempati gas.

Contoh pemecahan masalah

CONTOH 1

Latihan	Berapa energi kinetik rata-rata molekul argon jika suhu gas C?
Larutan	Energi kinetik rata-rata molekul gas ditentukan dengan rumus: Konstanta Boltzmann. Mari kita hitung:
Menjawab	Energi kinetik rata-rata molekul argon pada suhu tertentu J.

CONTOH 2

Latihan	Berapa persentase energi kinetik rata-rata molekul gas meningkat ketika suhunya berubah dari 7 menjadi ?
Larutan	Energi kinetik rata-rata molekul gas ditentukan oleh hubungan: Perubahan energi kinetik rata-rata akibat perubahan suhu: Persentase perubahan energi: Mari kita ubah satuannya ke sistem SI: . Mari kita hitung:
Menjawab	Energi kinetik rata-rata molekul gas akan meningkat sebesar 10%.

CONTOH 3

Latihan	Berapa kali kecepatan kuadrat rata-rata partikel debu bermassa kg yang tersuspensi di udara lebih kecil dari kecepatan kuadrat rata-rata molekul udara?
Larutan	Kecepatan kuadrat rata-rata partikel debu: kecepatan akar rata-rata kuadrat suatu molekul udara: Massa molekul udara:

Di dunia sekitar kita, terjadi berbagai macam fenomena fisika yang berhubungan langsung dengan perubahan suhu tubuh. Sejak kecil, kita telah mengetahui bahwa air dingin, ketika dipanaskan, mula-mula menjadi hampir hangat dan baru setelah waktu tertentu menjadi panas.

Dengan kata-kata seperti “dingin”, “panas”, “hangat”, kita mendefinisikan derajat “pemanasan” benda yang berbeda-beda, atau, dalam bahasa fisika, suhu benda yang berbeda. Suhu air hangat sedikit lebih tinggi dibandingkan suhu air dingin. Jika kita membandingkan suhu udara musim panas dan musim dingin, perbedaan suhunya terlihat jelas.

Suhu tubuh diukur menggunakan termometer dan dinyatakan dalam derajat Celcius (°C).

Seperti diketahui, difusi terjadi lebih cepat pada suhu yang lebih tinggi. Oleh karena itu, kecepatan pergerakan molekul dan suhu saling berhubungan erat. Jika suhu dinaikkan maka kecepatan gerak molekul akan bertambah, jika diturunkan maka kecepatan gerak molekul akan berkurang.

Jadi, kami menyimpulkan: suhu tubuh secara langsung tergantung pada kecepatan pergerakan molekul.

Air panas terdiri dari molekul yang persis sama dengan air dingin. Perbedaan keduanya hanya pada kecepatan gerak molekulnya.

Fenomena yang berhubungan dengan pemanasan atau pendinginan benda dan perubahan suhu disebut termal. Ini termasuk pemanasan atau pendinginan udara, pencairan logam, dan pencairan salju.

Molekul, atau atom, yang merupakan dasar dari semua benda, berada dalam gerakan kacau yang tak ada habisnya. Jumlah molekul dan atom seperti itu dalam benda-benda di sekitar kita sangat banyak. Volume yang setara dengan 1 cm³ air mengandung sekitar 3,34 · 10²² molekul. Setiap molekul memiliki lintasan pergerakan yang sangat kompleks. Misalnya, partikel gas yang bergerak dengan kecepatan tinggi ke berbagai arah dapat saling bertabrakan dan dengan dinding wadah. Jadi, mereka mengubah kecepatannya dan terus bergerak lagi.

Gambar 1 menunjukkan pergerakan acak partikel cat yang terlarut dalam air.

Jadi, kami menarik kesimpulan lain: Pergerakan kacau partikel-partikel penyusun benda disebut gerak termal.

Kekacauan adalah ciri paling penting dari gerakan termal. Salah satu bukti terpenting dari gerak molekul adalah difusi dan gerak Brown.(Gerak Brown adalah pergerakan partikel padat kecil dalam cairan di bawah pengaruh tumbukan molekul. Pengamatan menunjukkan, gerak Brown tidak dapat berhenti).

Dalam cairan, molekul dapat bergetar, berputar, dan bergerak relatif terhadap molekul lain. Jika kita mengambil benda padat, maka molekul dan atomnya bergetar pada posisi rata-rata tertentu.

Benar-benar semua molekul suatu benda berpartisipasi dalam pergerakan termal molekul dan atom, itulah sebabnya ketika gerakan termal berubah, keadaan benda itu sendiri dan berbagai sifat-sifatnya juga berubah. Jadi, jika Anda menaikkan suhu es, es mulai mencair, mengambil bentuk yang sama sekali berbeda - es menjadi cair. Sebaliknya, jika Anda menurunkan suhu, misalnya merkuri, maka sifat-sifatnya akan berubah dan berubah dari cair menjadi padat.

T Suhu tubuh secara langsung bergantung pada energi kinetik rata-rata molekul. Kami menarik kesimpulan yang jelas: semakin tinggi suhu suatu benda, semakin besar energi kinetik rata-rata molekulnya. Dan sebaliknya, dengan menurunnya suhu tubuh, energi kinetik rata-rata molekulnya menurun.

Jika Anda masih memiliki pertanyaan atau ingin mempelajari lebih lanjut tentang gerak dan suhu termal, daftar di situs web kami dan dapatkan bantuan dari tutor.

Masih ada pertanyaan? Tidak tahu bagaimana mengerjakan pekerjaan rumah Anda?
Untuk mendapatkan bantuan dari tutor, daftarlah.
Pelajaran pertama gratis!

situs web, ketika menyalin materi secara keseluruhan atau sebagian, diperlukan tautan ke sumbernya.

Posisi utama teori kinetik molekuler tentang struktur materi, yang didasarkan pada fakta eksperimental, adalah bahwa atom dan molekul yang menyusun semua benda makroskopik berada dalam keadaan gerakan termal kacau yang terus menerus.

Pergerakan termal molekul. Fakta eksperimental yang paling meyakinkan, yang dengan jelas menegaskan sifat kacau gerak termal dan ketergantungan intensitas gerak ini pada suhu, adalah gerak Brown.

Fenomena ini pertama kali diamati oleh ahli botani Inggris R. Brown pada tahun 1827, memeriksa melalui mikroskop partikel kecil berbentuk bola yang tersuspensi dalam air - spora lumut. Gerak Brown juga dapat diamati pada gas. Hal ini misalnya disebabkan oleh partikel kecil debu atau asap yang tersuspensi di udara. Teori kinetika molekuler gerak Brown baru diciptakan oleh A. Einstein pada tahun 1905. Saat ini, istilah “gerak Brown” digunakan dalam arti yang lebih luas. Gerak Brown disebut, khususnya, getaran jarum perangkat sensitif, yang terjadi karena pergerakan termal molekul di perangkat itu sendiri dan di lingkungan.

Dengan mengamati pergerakan partikel-partikel kecil yang tersuspensi dalam suatu zat cair melalui mikroskop, dapat diketahui bahwa setiap partikel mengalami gerak yang kacau. Gambaran tentang sifat pengembaraan suatu partikel dapat diperoleh dengan mencatat posisinya dalam bidang pandang mikroskop pengukur secara berkala. Dengan menghubungkan posisi partikel yang berurutan dengan garis lurus, kita memperoleh garis putus-putus seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 65. Arah bagian-bagian yang berdekatan dari suatu garis putus-putus membentuk berbagai macam sudut satu sama lain, sehingga tidak dapat terlihat adanya pola perubahan arah garis putus-putus tersebut. Semakin pendek interval waktu pencatatan posisi partikel, maka “lintasan” partikel tersebut akan terlihat semakin rusak:

titik A, B, C, ... tetapkan posisi partikel setelah 30 detik, dan titik-titik yang dihubungkan oleh garis putus-putus memperbaiki posisinya setiap 5 detik.

Pengamatan gerak Brown. Jika Anda mengamati pergerakan beberapa partikel yang tersuspensi dalam suatu zat cair sekaligus, Anda akan melihat bahwa partikel-partikel tersebut bergerak ke satu arah, lalu ke arah yang berlawanan, atau membentuk sudut satu sama lain. Dari sini kita dapat menyimpulkan bahwa gerak Brown yang diamati tidak berhubungan dengan pergerakan aliran fluida, karena dalam hal ini partikel-partikel yang bertetangga akan selalu bergerak bersama.

Secara eksperimental, dalam kondisi kesetimbangan termodinamika, tidak ada konsistensi dalam pergerakan partikel-partikel tetangga yang diamati; mereka bergerak sepenuhnya secara independen satu sama lain;

Beras. 65. Gerak Brown

Dengan mengubah suhu di mana percobaan dilakukan, dapat diketahui bahwa dengan meningkatnya suhu, intensitas gerak Brown meningkat, dan dengan menurunnya suhu, gerak Brown membeku.

Sifat gerak ini menunjukkan bahwa partikel Brown bergerak di bawah pengaruh tumbukan yang diterima dari molekul-molekul cairan di mana ia berada. Jika kita berasumsi bahwa gerak termal molekul cairan bersifat kacau, maka kita dapat menjelaskan semua pola gerak Brown yang diamati secara eksperimental.

Pola gerak Brown. Pada pandangan pertama, tampaknya sifat tumbukan molekul individu yang benar-benar kacau dan tidak teratur seharusnya mengarah pada fakta bahwa partikel Brown, yang massanya berkali-kali lebih besar daripada massa molekul, tidak akan bergerak secara nyata. semua. Faktanya, dampak tumbukan yang diterima partikel Brown di satu sisi harus sepenuhnya dikompensasi oleh dampak dari sisi yang berlawanan. Dalam situasi seperti ini, tampaknya partikel Brown hanya bisa “bergetar” di tempatnya. Kesalahan dari penalaran tersebut terletak pada kenyataan bahwa proses acak pada dasarnya digantikan oleh pergantian pengaruh yang teratur dari sisi yang berlawanan. Namun pergantian tersebut bukan lagi suatu proses yang acak, melainkan memiliki tingkat keteraturan yang tinggi. Derajat keteraturan pergantian tersebut tidak berbeda dengan derajat keteraturan proses di mana segala sesuatunya terjadi

Guncangan yang dialami partikel terjadi dalam satu arah. Jika misalnya hasil suatu dorongan dicirikan oleh jarak tertentu, maka hasil rangkaian guncangan yang berurutan sebanding dengan nilainya. Jika rangkaian guncangan tersebut acak, maka hasilnya sebanding .

Dengan menggunakan mikroskop ukur, kita akan menentukan jarak perpindahan partikel Brown dari titik asal koordinat selama pengulangan percobaan ini berkali-kali. Setiap kali kita akan memperoleh nilai jarak ini yang berbeda, tetapi dalam sebagian besar eksperimen kita akan memperoleh nilai yang berdekatan satu sama lain dan hanya kadang-kadang terlihat berbeda dari yang lain. Anda dapat memasukkan jarak rata-rata yang ditempuh partikel dari titik asal. Arah pergerakan dalam eksperimen individu bisa sangat berbeda, karena semua arah memiliki kemungkinan yang sama.

Ketergantungan perpindahan rata-rata terhadap waktu. Tugasnya adalah menemukan ketergantungan waktu dari jarak rata-rata, yang akan kita nyatakan

Mari kita bagi waktu pengamatan yang kita minati menjadi sejumlah besar interval kecil yang sama sehingga selama setiap interval partikel mengalami sejumlah besar tumbukan dari molekul cair. Pada dasarnya, penalaran seperti itu berarti pengulangan percobaan yang berulang-ulang untuk mengukur jarak rata-rata yang ditempuh suatu partikel dalam waktu, dan setiap kali kita menggabungkan asal koordinat dengan posisi partikel pada akhir periode waktu sebelumnya , ini adalah eksperimen yang sama seperti yang dibahas di atas, hanya dilakukan dalam interval waktu tertentu dan tidak. Karena partikel mengalami tumbukan dalam jumlah besar selama interval tersebut, semua alasan di atas tetap berlaku: arah pergerakan untuk setiap “langkah” sepenuhnya sewenang-wenang dan tidak ada hubungannya dengan arah pergerakan dalam interval lain, dan jarak yang ditempuh partikel akan kira-kira sama untuk sebagian besar interval.

Misalkan akibat langkah-langkah yang berurutan tersebut partikel tersebut berakhir pada suatu titik dengan vektor jari-jari. Kemudian setelah langkah berikutnya ia berakhir pada suatu titik

dimana adalah vektor perpindahan per langkah, yang mempunyai arah sembarang dan panjang tertentu. Jarak partikel dari titik asal setelah langkah adalah

Di sini sudut antara vektor dan Sulit untuk menemukan nilai rata-rata dari sisi kanan ekspresi ini, karena Anda perlu menghitung rata-rata akar kuadrat, dan dalam kasus umum nilai rata-rata dari fungsi tersebut tidak sama dengan fungsi ini dari nilai rata-rata argumen: Sangat mudah untuk melihat bahwa jika Anda menaikkan (1) atau (2) ke kuadrat:

maka nilai rata-rata perpindahan kuadrat dapat dengan mudah dicari. Oleh karena itu, kita akan menggunakan untuk mengkarakterisasi jarak partikel Brown dari titik asal tanpa merata-ratakan sisi kiri dan kanan (3) dan memperhitungkan bahwa sudut dengan probabilitas yang sama mengambil nilai apa pun dari 0 hingga kita memperoleh

Dengan menggunakan metode induksi matematika berdasarkan relasi (4), hal itu mudah ditunjukkan

Jadi, nilai rata-rata kuadrat perpindahan sebanding dengan jumlah langkah, dan karena langkah-langkah tersebut diambil dalam periode waktu yang sama, maka

Tentu saja hal ini tidak berarti bahwa perpindahan rata-rata sebanding dengan waktu. Gerak Brown suatu partikel sedemikian rupa sehingga perpindahan kuadrat rata-rata meningkat sebanding dengan waktu. Dengan kata lain, akar kuadrat tumbuh secara proporsional seiring berjalannya waktu. Nilai ini, yaitu disebut nilai rata-rata kuadrat, tidak sama dengan nilai rata-rata jarak partikel dari titik asal setelah jangka waktu yang ingin kita tentukan. Namun dapat ditunjukkan bahwa besaran-besaran tersebut hanya berbeda dengan faktor konstan. Oleh karena itu, jarak rata-rata partikel Brown dari titik asal juga sebanding dengan

Jelas sekali bahwa koefisien a dan dalam rumus (6) dan (7) bergantung pada intensitas gerak termal molekul cair, yang pengaruhnya mengarah pada gerak Brown partikel tersuspensi, yaitu, pada akhirnya, pada suhu .

Eksperimen dan mekanika statistik. Studi tentang gerak Brown memainkan peran utama dalam pengembangan teori kinetik molekuler tentang struktur materi. Gerak Brown tidak hanya memberikan bukti tak terbantahkan tentang realitas atom dan molekul, tetapi juga memungkinkan untuk pertama kalinya menghitung jumlah molekul.

dalam volume makroskopis suatu zat, yaitu menentukan nilai konstanta Avogadro: . Dengan demikian, akhirnya diketahui bahwa bentuk gerak termal suatu materi disebabkan oleh gerak kacau atom atau molekul penyusun benda makroskopik. Eksperimen fisikawan Prancis Perrin, yang dilakukan pada awal abad ke-20, mengakhiri masalah ini. Dengan demikian, dasar eksperimental yang andal diberikan untuk mekanika statistik, yang mempelajari sifat-sifat sistem makroskopik berdasarkan konsep model tertentu dari struktur internal materi.

Rumusan masalah dalam mekanika statistik. Tugas mekanika statistik adalah menetapkan hukum perilaku sistem makroskopik yang terdiri dari sejumlah besar partikel, berdasarkan hukum dinamis yang diketahui tentang perilaku partikel individu. Dengan kata lain, mekanika statistik membangun hubungan antara besaran makroskopis yang diukur secara eksperimental yang mencirikan sistem secara keseluruhan, seperti tekanan, volume, suhu, kuat medan listrik, dll., dan karakteristik mikroskopis sistem, seperti massa dan muatan. partikel-partikel yang membentuk sistem, koordinat dan momentumnya, dll.

Mari kita jelaskan ini dengan sebuah contoh. Sistem paling sederhana yang terdiri dari sejumlah besar partikel adalah gas yang menempati volume tertentu. Dari sudut pandang mekanika, keadaan sistem seperti itu (yaitu keadaan mikronya) ditentukan dengan menentukan posisi dan kecepatan semua molekul gas, yang jumlahnya sangat besar dalam volume makroskopis. Misalnya, semua udara dalam kondisi normal mengandung molekul. Karena pergerakan molekul, keadaan mekanik terus berubah. Namun, pengalaman menunjukkan bahwa dalam kondisi eksternal yang konstan, sistem makroskopik apa pun cepat atau lambat akan mencapai keadaan stasioner, di mana, meskipun ada perubahan dalam keadaan mekanis, parameter makroskopik seperti, misalnya, suhu, kepadatan, tekanan, yang menjadi ciri keadaan makro. dari sistem, tetap tidak berubah. Untuk sistem makroskopis terisolasi, keadaan ini merupakan keadaan kesetimbangan termal.

Dengan demikian, penentuan keadaan suatu sistem dalam mekanika statistik jauh lebih rinci dibandingkan dalam mekanika, karena penentuan keadaan suatu sistem hanya didasarkan pada sejumlah kecil parameter makroskopis yang diukur secara eksperimental. Dalam kebanyakan kasus, deskripsi sistem yang disingkat seperti itu sudah cukup, karena, sebagai suatu peraturan, kita sama sekali tidak tertarik pada informasi rinci tentang pergerakan molekul individu.

Tetapi nilai parameter makroskopis tentu saja bergantung pada pergerakan molekul, dan tugas mekanika statistik adalah mengekspresikan sifat-sifat sistem secara keseluruhan melalui karakteristik molekul individu, yaitu membangun jembatan antar makro. - dan mikroskopis

deskripsi sistem. Dalam hal ini, perlu dibuat hubungan antara parameter makroskopik sistem dan nilai rata-rata besaran mikroskopis dan menyediakan metode untuk menghitung nilai rata-rata ini berdasarkan hukum gerak molekul individu.

Mekanika statistik dan termodinamika. Mari kita ingat bahwa, tidak seperti teori kinetik molekuler, pendekatan termodinamika tidak didasarkan pada gagasan model apa pun tentang struktur atom-molekul suatu materi. Konsep dasar termodinamika diperkenalkan berdasarkan eksperimen fisik, dan oleh karena itu ia hanya beroperasi dengan besaran makroskopik: tekanan, suhu, volume, dll. Pendekatan termodinamika sangat umum dan sederhana. Hal ini memungkinkan untuk memecahkan banyak masalah spesifik tanpa memerlukan informasi apa pun tentang sifat-sifat atom atau molekul.

Kerugian dari metode termodinamika adalah ketika digunakan, hubungan antara fenomena yang diamati dan perilaku molekul yang menentukan fenomena ini tetap tidak teridentifikasi. Jika, misalnya, kita menetapkan dengan metode termodinamika bahwa batang logam harus memanjang ketika dipanaskan, dan karet gelang yang diregangkan harus berkontraksi, maka kita tidak akan dapat menjelaskan ciri-ciri struktur zat apa yang menyebabkan perbedaan perilaku tersebut ketika dipanaskan. Jika hal ini tidak memuaskan kita dan kita ingin memahami mengapa hal ini terjadi, maka kita harus beralih ke mekanika statistik, karena dalam kerangka termodinamika tidak mungkin mengungkapkan makna fisik yang mendalam dari parameter makroskopis dan hubungannya dengan parameter mikroskopis.

Mekanika statistik dan termodinamika berkembang secara independen sejak lama, karena termodinamika didasarkan pada fakta eksperimental, sedangkan mekanika statistik didasarkan pada hipotesis tentang struktur atom-molekul materi dan sifat kinetik panas, yang keandalannya diragukan sampai hipotesis ini muncul. dikonfirmasi secara eksperimental. Sejak itu, tidak diperlukan perbedaan yang tajam antara termodinamika dan teori kinetik molekuler, dan saat ini keduanya telah menyatu menjadi satu ilmu - termodinamika statistik.

Mengapa koefisien proporsionalitas a dan (3 pada rumus (6) dan (7) bergantung pada suhu?

Apa perbedaan mendasar antara pendekatan studi sistem makroskopis dalam termodinamika dan mekanika statistik?

Dalam mekanika statistik, bagaimana hubungan parameter makroskopis suatu sistem dengan karakteristik mikroskopis model fisik struktur materi yang digunakan?

"GERAK TERMAL MOLEKUL"

KSTU. Kafe. Fisikawan. Gaisin N.K., Kazantsev S.A., Minkin V.S., Samigullin F.M.

Untuk menelusuri teks, Anda dapat menggunakan:

Tekan 1 tombol PgDn, PgUp,,  untuk berpindah antar halaman dan baris;

2- mengklik tombol kiri mouse pada yang dipilihteks untuk pergi ke bagian yang diperlukan;

3- klik kiri pada ikon yang disorot@ untuk pergi ke daftar isi

Sifat gerak termal molekul dalam keadaan berbeda. Energi rata-rata molekul dalam fase yang berbeda. Distribusi molekul berdasarkan kecepatan.

Difusi. Koefisien difusi.

Simulasi gerak molekul menggunakan komputer.

Latihan. Pengamatan dan analisis: 1-lintasan gerak molekul menjadi tigakeadaan agregasi, 2 grafik distribusi kecepatan molekul, 3 fungsi distribusi radial, 4 koefisien difusi.

@ 1. Sifat gerak termal molekul dalam keadaan berbeda. Energi rata-rata molekul dalam fase yang berbeda. Distribusi molekul berdasarkan kecepatan.

Seperti yang Anda ketahui, molekul dan atom dalam materi terus bergerak, yang bersifat acak dan kacau. Namun demikian, dalam setiap keadaan agregasi terdapat ciri-ciri khas dari gerakan ini, yang sangat menentukan sifat-sifat berbagai keadaan tersebut. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa gaya interaksi antarmolekul cenderung mendekatkan molekul, dan gerakan kacau termal mencegah hal ini, dan dua tren dalam keadaan agregasi yang berbeda memberikan kontribusi yang sangat berbeda terhadap sifat pergerakan molekul. Untuk menganalisis secara kuantitatif pengaruh berbagai kontribusi, biasanya dipertimbangkan nilai energi rata-rata total molekul dan kontribusi komponen kinetik dan potensial terhadap energi ini.

Dalam gas, jarak rata-rata antar molekul lebih besar dari ukurannya, gaya tarik menariknya kecil, dan intensitas pergerakannya signifikan, sehingga tidak memungkinkan molekul untuk bersatu dalam waktu yang lama, dan tanpa adanya wadah, maka molekul cenderung mengisi semua ruang yang tersedia. Pada gas, energi potensial interaksinya negatif, energi kinetiknya besar, sehingga energi total molekulnya positif dan selama pemuaian sistem molekul dapat melakukan kerja pada sistem luar. Akibatnya, molekul-molekul terdistribusi secara merata di ruang angkasa, menghabiskan lebih banyak waktu pada jarak yang jauh (Gbr. 1a) dan bergerak secara seragam dan lurus tanpa interaksi. Interaksi molekul bersifat jangka pendek dan hanya terjadi ketika molekul bertabrakan, yang menyebabkan perubahan signifikan pada lintasan pergerakan.

Dalam benda padat, jarak rata-rata antar molekul sebanding dengan ukurannya, sehingga gaya tarik menariknya sangat kuat dan bahkan intensitas pergerakan yang relatif tinggi tidak memungkinkan molekul untuk bergerak terpisah dalam jarak yang jauh. Dalam hal ini, energi potensial negatif interaksi jauh lebih besar daripada energi kinetik, sehingga energi total molekul juga negatif dan usaha yang signifikan harus dilakukan untuk menghancurkan padatan. Molekul-molekul dalam zat padat terletak pada jarak tertentu satu sama lain dan melakukan gerakan osilasi di sekitar posisi rata-rata tertentu, yang disebut simpul kisi kristal (Gbr. 1c).

Dalam cairan, jarak antar molekul sebanding dengan ukurannya, gaya tarik menariknya besar, tetapi intensitas gerakan termal juga besar, yang memungkinkan molekul berpindah jarak jauh satu sama lain setelah beberapa waktu. Dalam cairan, energi potensial interaksi negatif sebanding besarnya dengan energi kinetik, sehingga energi total molekul mendekati nol, yang memungkinkan cairan mudah berubah bentuk dan menempati volume yang tersedia tanpa pemisahan di bawah pengaruh eksternal yang lemah sekalipun. kekuatan. Molekul-molekul dalam cairan rata-rata berada pada jarak tertentu yang berdekatan satu sama lain dan melakukan gerakan seperti getaran di sekitar posisi rata-rata, yang juga bergerak secara kacau di ruang angkasa (Gbr. 1b).

Beras. 1. Sifat gerak molekul pada gas (a), cairan (b) dan padatan (c)

Sebagai hasil interaksi antar molekul, sistem molekul setelah beberapa waktu, yang disebut waktu relaksasi, mencapai keadaan setimbang, yang dicirikan oleh: 1- persamaan keadaan tertentu yang menghubungkan parameter termodinamika suatu zat; 2- fungsi radial tertentu yang mencirikan distribusi molekul dalam ruang; Fungsi 3-Maxwell yang mencirikan distribusi kecepatan molekul ( Gambar.2).

Dengan setiap tindakan interaksi molekul satu sama lain, kecepatannya berubah dan sebagai hasilnya, setelah beberapa waktu, keadaan setimbang terbentuk di mana jumlah molekul dN memiliki kecepatan dalam rentang nilai tertentu dV tetap konstan dan ditentukan oleh fungsi Maxwell F(V) menurut hubungannya

dN= N F(V) V, F(V)=4V 2 (m/2kT) 3/2 exp(-mV 2 /2kT).

Bentuk fungsi ini ditunjukkan pada Gambar 2, sangat bergantung pada suhu T dan ditandai dengan adanya maksimum, yang menunjukkan adanya kecepatan yang paling mungkin V ver. Seperti dapat dilihat dari grafik (Gbr. 2), terdapat molekul dalam suatu zat dengan kecepatan berapa pun, tetapi jumlah molekul dengan kecepatan dalam kisaran dV di sekitar yang paling mungkin adalah yang terbesar. Distribusi kecepatan molekul Maxwellian merupakan karakteristik dari semua keadaan agregasi, tetapi waktu relaksasi untuk distribusi tersebut berbeda-beda, hal ini disebabkan oleh perbedaan waktu interaksi molekul dalam fase yang berbeda.

Beras. 2. Distribusi kecepatan molekul Maxwellian.

@ 2_Difusi. Koefisien difusi.

Karena pergerakan termal molekul dalam suatu zat, terjadi difusi. Difusi adalah fenomena perpindahan suatu zat dari satu bagian volume yang ditempatinya ke bagian volume lainnya. Fenomena ini paling menonjol pada gas dan cairan, di mana pergerakan termal molekul sangat intens dan mungkin terjadi dalam jarak jauh.

Secara fenomenologis, difusi dijelaskan oleh hukum Fick, yang menetapkan hubungan antara fluks spesifik J i komponen i dan gradien konsentrasi komponen zat ini n i

Fluks difusi spesifik J i adalah jumlah molekul komponen i yang dipindahkan per satuan waktu melalui satuan luas penampang yang tegak lurus terhadap arah aliran zat, n i adalah kepadatan numerik komponen i, D Saya - koefisien difusi, V 0 – kecepatan hidrodinamik materi. Koefisien difusi dalam sistem SI memiliki dimensi M 2 Dengan -1 . Tanda minus pada rumus Fick menunjukkan bahwa aliran difusi berlawanan dengan arah kenaikan konsentrasi zat. Persamaan Fick hanya menjelaskan proses difusi stasioner di mana konsentrasi, gradiennya, dan fluks difusi tidak bergantung pada waktu.

Mekanisme difusi dalam gas dibahas secara rinci pada bagian fisika molekuler. Teori kinetika molekuler gas mengarah pada ekspresi koefisien difusi yang terkenal

Di mana saya adalah jalur bebas rata-rata dan i adalah kecepatan rata-rata aritmatika gerak translasi molekul gas tipe i, d i adalah diameter efektif, m i adalah massa molekul, n i adalah massa jenis numerik, p adalah tekanan. Rumus ini diamati pada rentang tekanan dan suhu yang cukup luas untuk gas tidak padat dan memberikan nilai sekitar 10 -5 m 2 /s.

Namun difusi molekul dalam cairan berbeda jauh dengan difusi dalam gas, hal ini disebabkan oleh perbedaan sifat pergerakan molekul dalam fase-fase tersebut. Massa jenis suatu zat dalam wujud cair ribuan kali lebih besar daripada massa jenisnya dalam wujud gas. Oleh karena itu, dalam cairan, setiap molekul berada dalam lingkungan padat molekul tetangganya dan tidak memiliki kebebasan gerak translasi seperti pada gas. Menurut teori Frenkel yang terkenal, molekul dalam cairan, seperti halnya padatan, mengalami getaran acak di sekitar posisi kesetimbangan. Posisi-posisi ini dapat dianggap sebagai sumur potensial yang diciptakan oleh molekul-molekul di sekitarnya. Dalam kristal, molekul tidak dapat meninggalkan posisi kesetimbangannya, dan oleh karena itu kita dapat berasumsi bahwa praktis tidak ada gerakan translasi molekul di dalamnya. Dalam cairan, posisi seperti itu tidak konstan. Dari waktu ke waktu, molekul mengubah posisi kesetimbangannya, tetap berada dalam lingkungan padat molekul lain.

Difusi molekul dalam cairan satu komponen, yang disebabkan oleh gerakan termal tanpa adanya gradien konsentrasi, biasanya disebut difusi mandiri molekul. Agar molekul, setelah mengatasi interaksi dengan molekul di sekitarnya, dapat melakukan transisi ke posisi baru, diperlukan energi. Energi minimum yang diperlukan suatu molekul untuk meninggalkan sumur potensial sementara disebut energi aktivasi. Molekul yang menerima energi tersebut disebut teraktivasi. Molekul yang bergetar secara acak diaktifkan oleh tumbukan dengan molekul di sekitarnya. Energi aktivasi dalam cairan jauh lebih rendah dibandingkan dalam kristal. Oleh karena itu, transisi molekul dalam cairan dari satu tempat ke tempat lain jauh lebih sering terjadi dibandingkan dalam kristal. Jumlah molekul yang diaktifkan ditentukan oleh distribusi Boltzmann, dan frekuensi transisi (lompatan㿹 molekul ke posisi baru  ditentukan oleh rumus perkiraan
, di mana 0 - koefisien lemah bergantung pada suhu, E– energi aktivasi.

Untuk memperoleh rumus koefisien difusi suatu zat cair, perhatikan aliran difusi yang melalui suatu luas permukaan tertentu S. Selama gerakan termal, molekul melewati permukaan ini dalam arah maju dan mundur. Oleh karena itu, fluks difusi spesifik dapat dinyatakan sebagai
, yang tandanya sesuai dengan arah maju dan mundur sumbu X. Mari kita cari jumlahnya J+ dan J-- . Jelasnya, hanya molekul-molekul yang terletak pada jarak tidak lebih jauh dari rata-rata panjang lompatan molekul yang dapat melewati permukaan yang dipilih dalam satu lompatan tanpa defleksi. δ . Mari kita buat sebuah silinder di kedua sisi permukaan dengan luas alas S. Melalui permukaan S Hanya molekul-molekul yang terkandung dalam volume silinder yang akan melewatinya δ S. Namun tidak semua molekul akan lewat, melainkan hanya molekul yang lompatannya diarahkan sepanjang sumbu X. Jika kita berasumsi bahwa molekul bergerak dengan probabilitas yang sama sepanjang x, y dan z, maka hanya 1/6 dari jumlah molekul dalam silinder yang akan melewati penampang dalam arah tertentu. Maka jumlah molekul yang melewati permukaan s dengan arah maju N+ dalam satu lompatan akan dinyatakan sebagai
, Di mana N 1 – jumlah molekul per satuan volume pada suatu jarak δ di sebelah kiri permukaan S. Alasan serupa tentang perjalanan molekul melalui suatu permukaan S dalam arah yang berlawanan akan menghasilkan ekspresi
, Di mana N 2 – jumlah molekul per satuan volume pada suatu jarak δ di sebelah kanan permukaan S. Kemudian fluks difusi dapat ditemukan sebagai Dan . Total aliran akan dinyatakan sebagai

, dimana n 1 -n 2 adalah perbedaan konsentrasi molekul dalam lapisan yang berjarak rata-rata δ dapat ditulis sebagai n 1 -n 2 =nx. Lalu kita dapatkan
. Membandingkan rumus ini dengan hukum Fick untuk kasus ketika V 0 =0, kita temukan

,

Di mana
, Di mana
- koefisien yang sedikit bergantung pada suhu; rumus untuk cairan dan gas padat ini memberikan nilai untuk D sekitar 10 -9 m 2 /s.

Fenomena difusi mandiri molekul juga dapat dianalisis dengan mempertimbangkan gerak translasi termal molekul sebagai serangkaian gerakan (berjalan) yang acak dan memiliki kemungkinan yang sama. Dalam jangka waktu yang cukup lama, molekul dapat menggambarkan lintasan yang panjang, namun mereka akan bergeser dari posisi semula ke jarak yang tidak signifikan. Mari kita perhatikan kumpulan molekul dalam bentuk partikel yang bergerak secara acak, pilih molekul tertentu dari kumpulan ini dan asumsikan bahwa pada saat awal ia berada di titik asal sistem koordinat. Kemudian secara berkala Δt kita akan menandai vektor radius lokasinya R(T Saya ) . Vektor pergerakan molekul antara ( Saya-1m Saya–momen waktu akan dinyatakan dalam bentuk Δ R Saya = R(T Saya )- R(T Saya -1 ). Pada saat T Ke = k Δt molekul akan dipindahkan dari titik pengamatan awal ke titik yang mempunyai vektor jari-jari R(T Ke ) , yang dinyatakan sebagai jumlah vektor perpindahan  R(T Ke ) =  R Saya. Perpindahan kuadrat partikel selama waktu ini akan dinyatakan sebagai

R (T Ke ) = (Δ R Saya) 2 =
(Δ R Saya Δ R J) + Δ R Saya 2 .

Mari kita rata-ratakan ekspresi yang dihasilkan untuk semua molekul populasi yang dipertimbangkan, kemudian, karena independensi perpindahan molekul pada interval waktu yang berbeda, nilai positif dan negatif dari produk skalar sama-sama umum dalam jumlah ganda, jadi rata-rata statistiknya sama dengan nol. Maka kuadrat rata-rata perpindahan partikel akan ditulis sebagai< R 2 (T k)> = <Δ R Saya 2 >. Dalam cairan<Δ R Saya 2 > harus dianggap sama dengan kuadrat rata-rata lompatan molekuler δ 2 , dan jumlah lompatan per waktu T k sama T k . Kemudian< R 2 (T k)>= T k δ 2 . Membandingkan ungkapan ini dengan rumus untuk D, kita memperoleh hubungan Einstein yang terkenal, yang darinya makna kinetik molekuler dari koefisien difusi menjadi jelas D

< R 2 (T)> = 6Dt.

Dapat dibuktikan bahwa koefisien difusi pada rumus Einstein dan Fick adalah identik. Untuk sistem komponen tunggal, koefisien ini disebut koefisien difusi mandiri; dalam kasus difusi dalam campuran multikomponen dengan gradien konsentrasi, fluks masing-masing komponen dapat ditentukan jika koefisien difusi semua komponen dalam campuran diketahui. Mereka ditemukan secara eksperimental menggunakan metode pelabelan radioaktif atau metode resonansi magnetik nuklir, di mana perpindahan kuadrat rata-rata dari molekul “berlabel” dapat ditentukan.

@ 3_Memodelkan pergerakan molekul menggunakan komputer.

Teknologi komputer modern memiliki memori yang sangat besar dan kecepatan yang tinggi. Kualitas seperti itu menjadikannya alat yang sangat diperlukan untuk memodelkan sejumlah proses fisik. Dalam fisika molekuler, metode dinamika molekuler dikembangkan secara luas - suatu metode untuk mensimulasikan gerak molekul. Metode ini banyak digunakan dalam gas, cairan, kristal dan polimer. Ini sampai pada solusi numerik persamaan dinamika gerak partikel dalam volume ruang terbatas, dengan mempertimbangkan interaksi di antara mereka dan dapat mensimulasikan perilaku molekul dalam kondisi sewenang-wenang, mirip dengan kondisi nyata. Dalam hal ini, simulasi dapat disamakan dengan eksperimen nyata, itulah sebabnya simulasi semacam itu kadang-kadang disebut eksperimen numerik. Arti penting dari “eksperimen” ini adalah bahwa eksperimen ini memungkinkan untuk memantau perubahan beberapa parameter makroskopis dari waktu ke waktu yang menjadi ciri suatu sistem partikel, dan dengan membuat rata-ratanya dari waktu ke waktu atau berdasarkan jumlah partikel, diperoleh parameter termodinamika dari sistem nyata yang disimulasikan. . Selain itu, mereka memberikan kemampuan untuk memvisualisasikan gerakan molekul, memungkinkan Anda mengikuti lintasan setiap partikel.

Algoritma pemodelan terdiri dari beberapa tahap. Pertama, sejumlah partikel tertentu (dalam 10 2 -10 3) didistribusikan secara acak dalam volume terbatas tertentu (dalam sel), secara acak mengatur kecepatan awal dan koordinat setiap partikel. Kecepatan awal partikel diatur sedemikian rupa sehingga energi kinetik rata-rata gerak translasi partikel adalah (3/2) CT, yaitu sesuai dengan suhu percobaan, dan koordinat awal ditetapkan sesuai dengan jarak antarmolekul rata-rata dari sistem yang disimulasikan.

Selanjutnya, mengetahui potensi interaksi partikel (misalnya, potensi Lennard-Jones) dan, dengan demikian, gaya interaksi antarmolekul, gaya sesaat yang dihasilkan yang bekerja pada setiap partikel dari semua partikel lainnya dihitung, dan percepatan sesaat partikel yang ditimbulkannya. oleh , aksi kekuatan-kekuatan ini. Mengetahui percepatan, serta koordinat dan kecepatan awal, kecepatan dan koordinat partikel dihitung pada akhir periode waktu singkat tertentu.  T(biasanya 10 -14 detik). Dengan kecepatan partikel rata-rata sekitar 10 3 m/s, perpindahan partikel dalam waktu sesingkat itu berada pada kisaran 10 -11 m, yang jauh lebih kecil dari ukurannya.

Pengulangan berturut-turut dari perhitungan tersebut dengan penyimpanan gaya sesaat, kecepatan dan koordinat partikel memungkinkan seseorang mengetahui koordinat dan kecepatan seluruh sistem partikel dalam jangka waktu yang cukup lama. Volume terbatas diperhitungkan oleh kondisi batas khusus. Entah diyakini bahwa pada batas volume tertentu, partikel mengalami tumbukan elastik mutlak dengan dinding dan kembali ke volume lagi, atau diyakini bahwa sel tertentu dikelilingi di semua sisinya oleh sel yang sama dan, jika a partikel meninggalkan sel tertentu, kemudian pada saat yang sama partikel yang identik masuk dari sel yang berlawanan. Dengan demikian, jumlah partikel dan energi totalnya dalam volume sel tidak berubah. Karena sifat acak matematis dari distribusi awal partikel dalam kecepatan dan koordinat, diperlukan beberapa waktu (waktu relaksasi –10 -12 - 10 -11 s), di mana keadaan setimbang partikel dalam sistem dalam kecepatan tercapai ( Distribusi kecepatan Maxwellian) dan dalam koordinat (distribusi menurut fungsi distribusi radial).

Nilai parameter makroskopis yang menjadi ciri sistem dihitung dengan merata-ratakannya sepanjang lintasan atau kecepatan partikel. Misalnya, tekanan pada dinding bejana dapat diperoleh dengan merata-ratakan perubahan momentum partikel yang bertabrakan dengan batas sel. Dengan merata-ratakan jumlah partikel dalam lapisan bola yang terletak pada berbagai jarak r dari molekul yang dipilih, fungsi distribusi radial dapat ditentukan. Dari kuadrat rata-rata perpindahan partikel selama waktu tertentu, koefisien difusi mandiri molekul dapat dihitung. Karakteristik lain yang diperlukan ditentukan dengan cara yang sama.

Secara alami, proses yang terjadi dalam suatu sistem partikel dalam waktu singkat dihitung oleh komputer dalam jangka waktu yang cukup lama. Waktu komputer yang dihabiskan untuk perhitungan bisa mencapai puluhan bahkan ratusan jam. Hal ini bergantung pada jumlah partikel yang dipilih dalam sel dan kecepatan komputer. Komputer modern memungkinkan untuk mensimulasikan dinamika hingga 10 4 partikel, meningkatkan waktu pengamatan proses pergerakannya menjadi 10 -9 detik; posisi, tetapi juga untuk menggunakannya dalam praktik.

@ 4_Latihan. Pengamatan dan analisis: 1-lintasan pergerakan molekul dalam tiga keadaan agregasi, 2-grafik distribusi molekul berdasarkan kecepatan, 3-fungsi distribusi radial, 4-koefisien difusi diri.

Dalam latihan ini, program komputer mensimulasikan gerak atom argon (dengan potensial interaksi Lennard-Jones) menggunakan dinamika molekuler dalam tiga keadaan agregasi: gas padat, cair, padat. Untuk menyelesaikan latihan ini, Anda harus masuk ke program MD-L4.EXE, melihat dan menjalankan item menu yang diusulkan secara berurutan.

Menu program berisi empat item:

1 PETUNJUK PENGOPERASIAN

2 PEMILIHAN PARAMETER NEGARA YANG DISIMULASI,

3 SIMULASI DINAMIKA PARTIKEL,

4 AKHIR PEKERJAAN.

Pada poin 1-<<ИНСТРУКЦИЯ ДЛЯ РAБОТЫ>> menceritakan tentang program dan metodologi untuk bekerja dengan program tersebut. Perlu diperhatikan dan diingat: 1) Program ini menyediakan kerja dalam dua mode untuk melakukan dua jenis pekerjaan yang diperlukan saat memodelkan gerak molekul dalam fase yang berbeda; 2) Hasil simulasi ditampilkan pada dua layar, peralihan antara dilakukan dengan menekan tombol secara bersamaan alternatif+1 Dan alternatif+2 , menghentikan program dan keluar ke menu dilakukan dengan menekan tombol secara bersamaan Ctrl Dan S; 3) Untuk menjalankan suatu program dengan benar, Anda harus mengikuti pesan-pesannya dan menjalankannya dengan benar.

Pada langkah 2, program beroperasi dalam mode<<ВЫБОР ПAРAМЕТРОВ МОДЕЛИРУЕМЫХ СОСТОЯНИЙ>> , yang memungkinkan kita untuk mempertimbangkan diagram fase untuk sistem partikel dengan potensi interaksi Lennard-Jones dan menghitung parameter berikut untuk berbagai keadaan agregasi: penurunan tekanan P*=Pd 3 /e dan penurunan energi total satu partikel U *=kamu/e. 3di sini: kepadatan n-angka, energi dalam satu partikel, konstanta k-Boltzmann, tekanan P, suhu T, diameter efektif d partikel, kedalaman sumur potensial e. Untuk menghitung, perlu mempertimbangkan diagram fase dalam koordinat n*, T* (n*=nd 3 - kepadatan numerik tereduksi, T*=kT/e - suhu tereduksi) dan masukkan n*, T*. Pada diagram fase ini Anda perlu mencari daerah: gas padat, cair, padat dan masukkan n*, T* untuk tiga titik di masing-masing daerah tersebut. Untuk menganalisis pengaruh suhu, perlu dilakukan pemilihan titik-titik yang suhunya berbeda-beda, tetapi kepadatannya sama (T* dan n* dapat diambil dari Tabel N1). Masukkan parameter termodinamika titik-titik ini untuk tiga keadaan, yang Anda pilih dan dihitung oleh program, ke dalam Tabel N1 untuk titik-titik ini Anda akan mensimulasikan pergerakan atom argon.

Dalam item menu 3 program beroperasi dalam mode<<МОДЕЛИРОВAНИЕ ДИНAМИКИ ЧAСТИЦ>>, ini memungkinkan Anda untuk mempertimbangkan gambaran pergerakan molekul dalam keadaan agregasi yang berbeda dan menghitung sejumlah parameter termodinamika dengan rata-rata. Setelah memilih (menggunakan menu tambahan) jenis keadaan agregasi yang dimodelkan (gas padat, cair, padat), program akan menawarkan kepada Anda parameter keadaan ini yang termasuk dalam program; jika Anda telah memilih parameter lain, parameter tersebut dapat diubah pada tahap ini menurut Tabel N1 ( untuk tujuan ini berdasarkan permintaan<<ВЫ БУДЕТЕ МЕНЯТЬ ПЛОТНОСТЬ И ТЕМПЕРAТУРУ? (Y/N)>> tekan Y, jika tidak tekan N) . Dalam mode ini, informasi tentang dinamika ditampilkan pada dua layar, untuk menyalakannya Anda perlu menekan alternatif Dan 1 atau alternatif Dan 2 .

Layar pertama menampilkan data tentang sistem dan grafik fluktuasi: 1 suhu, 2 energi potensial partikel, 3 energi kinetik, 4 energi total partikel. Selain itu, informasi numerik tambahan seketika ditampilkan di garis merayap: Ni-jumlah langkah iterasi saat ini, t(c)-waktu fisik simulasi dinamika, EP+EK(J)-energi total satu partikel, tereduksi U* energi, T(K) -suhu, t i (c)-waktu komputer untuk menghitung satu langkah untuk satu partikel, P*-tekanan tereduksi, Pv(Pa)-tekanan(verial), P=nkT, dt(c)-waktu langkah integrasi.

Layar kedua menampilkan lintasan partikel dan grafik karakteristik yang diperoleh dengan merata-ratakan parameter dinamis gerak partikel: 1 grafik distribusi kecepatan partikel dengan latar belakang distribusi Maxwell (Vver - kecepatan yang paling mungkin, suhu tertentu dan rata-rata); 2 grafik fungsi distribusi radial, 3 grafik ketergantungan kuadrat rata-rata perpindahan partikel terhadap waktu dan nilai koefisien difusi diri.

Setelah memulai program, Anda perlu mengamati perubahan karakteristik dan menunggu hingga potensi dan fluktuasi kinetik menjadi cukup kecil (5-10%). Keadaan ini dapat dianggap setimbang; dicapai secara otomatis oleh program dengan menjalankan dinamika selama 2,10 -12 s, setelah itu fungsi distribusi radial dan fungsi distribusi kecepatan akan sesuai dengan keseimbangan. Setelah mencapai keadaan setimbang (setelah kira-kira 1.10 -11 detik), data yang diperlukan dari kedua layar perlu dimasukkan ke dalam Tabel N2. Lakukan perhitungan serupa untuk tiga suhu di setiap keadaan agregasi; untuk suhu terakhir, buat sketsa fungsi distribusi kecepatan dan fungsi distribusi radial.

Setelah selesai bekerja melalui langkah 4-<<КОНЕЦ РAБОТЫ>> Anda harus kembali bekerja dengan manual.

Siapkan Tabel N1, Tabel N2 di buku catatan Anda.

Tabel N1. Parameter tiga keadaan fase argon yang disimulasikan.

Suatu zat dapat berada dalam tiga keadaan agregasi: padat, cair dan gas. Fisika molekuler adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari sifat fisik benda dalam berbagai keadaan agregasi berdasarkan struktur molekulnya.

Gerakan termal- pergerakan atom atau molekul suatu zat secara acak (kacau).

DASAR TEORI KINETIK MOLEKULER

Teori kinetika molekuler merupakan teori yang menjelaskan fenomena termal pada benda makroskopis dan sifat-sifat benda tersebut berdasarkan struktur molekulnya.

Prinsip dasar teori kinetika molekuler:

1. materi terdiri dari partikel – partikel dan atom, dipisahkan oleh ruang,
2. partikel-partikel ini bergerak secara kacau,
3. partikel berinteraksi satu sama lain.

MASSA DAN UKURAN MOLEKUL

Massa molekul dan atom sangat kecil. Misalnya, massa satu molekul hidrogen kira-kira 3,34*10 -27 kg, oksigen - 5,32*10 -26 kg. Massa satu atom karbon m 0C =1,995*10 -26 kg

Massa molekul (atau atom) relatif suatu zat Mr adalah rasio massa molekul (atau atom) suatu zat dengan 1/12 massa atom karbon: (satuan massa atom).

Jumlah suatu zat adalah perbandingan jumlah molekul N dalam suatu benda dengan jumlah atom dalam 0,012 kg karbon N A:

Tikus tanah- jumlah zat yang mengandung molekul sebanyak jumlah atom dalam 0,012 kg karbon.

Banyaknya molekul atau atom dalam 1 mol suatu zat disebut Konstanta Avogadro:

Masa molar- massa 1 mol zat:

Massa molar dan massa molekul relatif suatu zat dihubungkan melalui hubungan: M = M r * 10 -3 kg/mol.

KECEPATAN MOLEKUL

Meskipun pergerakan molekul bersifat acak, distribusi kecepatannya mempunyai karakter pola tertentu, yaitu disebut distribusi Maxwell.

Grafik yang mencirikan distribusi ini disebut kurva distribusi Maxwell. Hal ini menunjukkan bahwa dalam suatu sistem molekul pada suhu tertentu ada yang sangat cepat dan sangat lambat, namun sebagian besar molekul bergerak dengan kecepatan tertentu, yang disebut paling mungkin. Ketika suhu meningkat, kemungkinan besar laju ini akan meningkat.

GAS IDEAL DALAM TEORI Kinetika MOLEKULER

gas ideal adalah model gas yang disederhanakan di mana:

1. molekul gas dianggap sebagai titik material,
2. molekul tidak berinteraksi satu sama lain
3. molekul yang bertabrakan dengan rintangan mengalami interaksi elastis.

Dengan kata lain, pergerakan masing-masing molekul gas ideal mematuhi hukum mekanika. Gas nyata berperilaku seperti gas ideal pada penghalusan yang cukup tinggi, ketika jarak antar molekul jauh lebih besar daripada ukurannya.

Persamaan dasar teori kinetika molekul dapat ditulis sebagai

Kecepatan disebut kecepatan kuadrat rata-rata.

SUHU

Setiap benda makroskopis atau sekelompok benda makroskopis disebut sistem termodinamika.

Kesetimbangan termal atau termodinamika- keadaan sistem termodinamika di mana semua parameter makroskopisnya tetap tidak berubah: volume, tekanan tidak berubah, pertukaran panas tidak terjadi, tidak ada transisi dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya, dll. Di bawah kondisi eksternal yang konstan, setiap sistem termodinamika secara spontan memasuki keadaan kesetimbangan termal.

Suhu- besaran fisika yang mencirikan keadaan kesetimbangan termal suatu sistem benda: semua benda dalam sistem yang berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain memiliki suhu yang sama.

Suhu nol mutlak- suhu batas di mana tekanan gas ideal pada volume konstan harus sama dengan nol atau volume gas ideal pada tekanan konstan harus sama dengan nol.

Termometer- alat untuk mengukur suhu. Biasanya, termometer dikalibrasi pada skala Celsius: suhu kristalisasi air (pencairan es) sesuai dengan 0°C, titik didihnya - 100°C.

Kelvin memperkenalkan skala suhu absolut, yang menurutnya suhu nol sama dengan nol mutlak, satuan suhu pada skala Kelvin sama dengan derajat Celcius: [T] = 1 K(Kelvin).

Hubungan suhu dalam satuan energi dan suhu dalam Kelvin:

Di mana k= 1,38*10 -23 J/K - Konstanta Boltzmann.

Hubungan antara skala absolut dan skala Celcius:

T = t + 273

Di mana T- suhu dalam derajat Celcius.

Energi kinetik rata-rata dari pergerakan kacau molekul gas sebanding dengan suhu absolut:

Rata-rata kecepatan kuadrat molekul

Dengan memperhatikan persamaan (1), persamaan dasar teori kinetika molekul dapat dituliskan sebagai berikut:

PERSAMAAN KEADAAN GAS IDEAL

Misalkan gas bermassa m menempati suatu volume V pada suhu tertentu T dan tekanan R, A M- massa molar gas. Menurut definisi, konsentrasi molekul gas adalah: n = T/V, Di mana N-jumlah molekul.

Mari kita substitusikan persamaan ini ke dalam persamaan dasar teori kinetik molekul:

Ukuran R disebut konstanta gas universal, dan persamaannya ditulis dalam bentuk

disebut persamaan keadaan gas ideal atau persamaan Mendeleev-Clapeyron. Kondisi normal - tekanan gas sama dengan atmosfer ( R= 101,325 kPa) pada suhu leleh es ( T = 273,15KE).

1. Proses isotermal

Proses perubahan keadaan suatu sistem termodinamika pada suhu tetap disebut isotermal.

Jika T = konstanta, maka

Hukum Boyle-Mariotte

Untuk suatu massa gas tertentu, hasil kali tekanan gas dan volumenya adalah konstan jika suhu gas tidak berubah: hal 1 V 1 =p 2 V 2 pada T = konstanta

Grafik suatu proses yang terjadi pada suhu konstan disebut isoterm.

2. Proses isobarik

Proses perubahan keadaan sistem termodinamika pada tekanan tetap disebut isobarik.

Hukum Gay-Lussac

Volume suatu gas bermassa tertentu pada tekanan konstan berbanding lurus dengan suhu absolut:

Jika suatu gas, yang mempunyai volume V 0, berada dalam kondisi normal: dan kemudian, pada tekanan konstan, berubah menjadi keadaan dengan suhu T dan volume V, maka kita dapat menulis

Setelah ditunjuk

kita mendapatkan V = V 0 T

Koefisien tersebut disebut koefisien suhu muai volumetrik gas. Grafik suatu proses yang terjadi pada tekanan tetap disebut isobar.

3.Proses isokhorik

Proses perubahan keadaan sistem termodinamika pada volume konstan disebut isokhorik. Jika V = konstanta, Itu

Hukum Charles

Tekanan suatu massa gas tertentu pada volume konstan berbanding lurus dengan suhu absolut:

Jika suatu gas yang volumenya V 0 berada pada keadaan normal :

dan kemudian, dengan mempertahankan volume, berubah menjadi suhu T dan tekanan R, lalu kita bisa menulis

Grafik suatu proses yang terjadi pada volume tetap disebut isokore.

Contoh. Berapa tekanan udara bertekanan dalam silinder 20 liter pada suhu 12°C jika massa udara tersebut 2 kg?

Dari persamaan keadaan gas ideal

Mari kita tentukan nilai tekanannya.