Opis zjawisk fizycznych ( semestr IV LOu Łomża)

W dotychczasowym opisie zjawisk fizycznych przedstawiono ich przebieg na podstawie doświadczeń oraz pomiarów określono ich cechy ilościowe, które następnie umożliwiły formułowanie bardziej ogólnych praw. Mianem materii określamy zwykle otaczające nas ciała stałe, ciekłe i gazowe, które mogą oddziaływać na nasze zmysły bądź bezpośrednio lub też w sposób możliwy do wykrycia za pomocą odpowiednio czułych przyrządów pomiarowych. Dla odróżnienia od tych innych form, materię występującą pod postacią ciał stałych, cieczy i gazów nazywamy korpuskularną.
Materia korpuskularna ma strukturę ziarnistą i jest zbudowana z atomów, które łącząc się ze sobą tworzą cząsteczki. Cząsteczki pierwiastków są utworzone z jednakowych atomów, przy czym cząsteczki gazów szlachetnych i metali w stanie pary są jednoatomowe, czyli utworzone z pojedynczych atomów, cząsteczki innych pierwiastków są dwu- lub wieloatomowe np.: H2 składa się z dwóch jednakowych atomów wodoru. Najprostsze modele cząsteczek pierwiastków i związków chemicznych mają postać stykających się ze sobą lub zachodzących na siebie kulek, odpowiadających kulistym kształtom wchodzących w ich skład atomów. W teorii molekularno – kinetycznej modele te można jeszcze uprościć, traktując poszczególne cząsteczki jako pojedyncze, idealnie sprężyste kulki.
Spoiwem wiążącym ze sobą cząsteczki, z których jest zbudowana materia korpuskularna, są siły międzycząsteczkowe, powstające w wyniku wzajemnych, elektromagnetycznych oddziaływań cząsteczek. Siły międzycząsteczkowe są zależne od rodzaju cząsteczek i stanu skupienia materii, jednakże wspólną ich cechą jest to, że występują w dwóch postaciach, jako siły przyciągające Fp i siły odpychające Fo, przy czym zarówno jedne jak i drugie gwałtownie maleją ze wzrostem odległości r między cząsteczkami. Dowodem niewielkiego zakresu oddziaływania sił między cząsteczkami są zjawiska występujące przy rozciąganiu ciał stałych. W wyniku działania siły rozrywającej, a więc pokonującej siły przyciągania międzycząsteczkowego, ciało wydłuża się, czyli odpowiednio wzrastają odległości między jego cząsteczkami, lecz po przekroczeniu granicy płynności siła potrzebna do dalszego rozciągnięcia i rozerwania ciała gwałtownie maleje, gdyż w rozrywanym przekroju cząsteczki rozsunęły się na odległość większą od promienia cząsteczkowej sfery działania. Wynikiem występowania międzycząsteczkowych sił odpychających jest opór, jaki ciało stałe stawia przy ściskaniu, czyli próbie zmniejszenia odległości między cząsteczkami.
Siły międzycząsteczkowe są przyczyną występowania w materii korpuskularnej specjalnego rodzaju energii potencjalnej, zwanej energią wiązania lub spójności, która jest równa pracy niezbędnej do całkowitego rozsunięcia cząsteczek tworzących ciało. Energia wiązana Ew jest sumą energii potencjalnej Ep sił przyciągających i energii potencjalnej Eo sił odpychających, odległość r0 , której siły przyciągające i odpychające równoważą się wzajemnie, energia wiązania osiąga swoje minimum Ew min. Wartość energii wiązania jest przede wszystkim zależna od stanu skupienia materii.
Ciała stałe wykazują bardzo małą ściśliwość, cząsteczki są w nich umieszczone bardzo blisko siebie i wskutek oddziaływania znacznych sił międzycząsteczkowych ściśle ze sobą związanie bez możliwości swobodnego poruszania się. Wypadkowa sił oddziaływania międzycząsteczkowego Fw zmienia swój kierunek przy przejściu cząsteczki przez położenie równowagi, wynikiem wzajemnego oddziaływania cząsteczek w krysztale jest ich ruch drgający wokół położenia równowagi. Suma energii kinetycznej Ek ruchu cieplnego cząsteczek i energii potencjalnej ich wiązania Ew jest miarą energii wewnętrznej U ciała, gdzie n – liczba cząsteczek tworzących ciało.

U= Ek i + Ew i

W miarę wzrostu temperatury ciała stałego wzrasta amplituda ruchu drgającego jego cząsteczek, czyli zwiększa się ich średnie wychylenie od położenia równowagi. Po osiągnięciu temperatury topnienia średnia amplituda drgań cząsteczek ciała stałego osiąga wartość około 0,1r0, a ich energia kinetyczna staje się w przybliżeniu równa energii potencjalnej spójności. Proces ten w opisie makroskopowym nazywamy topnieniem, a w jego wyniku otrzymujemy materię w stanie ciekłym. Siły oddziaływania cząsteczek cieczy są jednak wobec istniejącej symetrii i równowagi sił działających na poszczególne cząsteczki stają się możliwe ich wzajemne przemieszczenia. Poszczególne cząsteczki cieczy wykazują w swym ruchu cieplnym stosunkowo duże różnice prędkości, wskutek czego w każdej temperaturze znajduje się w pobliżu powierzchni swobodnej
pewna liczba cząsteczek, których energia kinetyczna jest nieco większa od energii potencjalnej spójności, a więc wystarczająca dla pokonania sił przyciągania międzycząsteczkowego. Im wyższa jest temperatura cieczy, tym większa jest energia kinetyczna jej cząsteczek, a więc tym większa ich liczba wydostaje się ponad powierzchnię swobodną cieczy tworząc parę. Im wyższe jest ciśnienie zewnętrzne działające na powierzchnię swobodną cieczy, tym większą energię kinetyczną muszą mieć cząsteczki przechodzące do atmosfery, a więc tym wyższa jest odpowiadająca tej zwiększonej energii temperatura wrzenia.
Wymiana cieplna, w świetle teorii molekularno – kinetycznej, polega na tym, że poruszające się ruchem cieplnym z dużą energią kinetyczną cząsteczki ciała gorącego oddają wskutek zderzeń swej energii cząsteczkom ciała ogrzewanego, zwiększając odpowiednio wartość ich prędkości średniej. Wskutek tego energie kinetyczne cząsteczek ciał wymieniających ciepło stopniowo się wyrównują, aż do sięgnięcia trwałej równowagi cieplnej. Szczególnym przypadkiem wymiany ciepła jest przewodzenie. W świetle teorii molekularno – kinetycznej istota procesu przewodzenia ciepła polega na tym, że cząsteczki źródła ciepła zderzają się z powierzchniowymi cząsteczkami przewodnika, czyli ciała wymieniającego ciepło, przekazując im część swej energii kinetycznej. Po osiągnięciu równowagi termodynamicznej energia jest przenoszona wzdłuż przewodnika w wyniku przekazywania energii kinetycznej sąsiadujących ze sobą cząsteczek.
Zjawisko skraplania, czyli przejścia ze stanu gazowego w stan ciekły, w opisie mikroskopowym wiąże się z koniecznością wzajemnego zbliżenia się cząsteczek na taką odległość, w której występujące siły spójności staną się wystarczające do ich bardziej trwałego połączenia, odpowiadającego cieczy. Warunkiem skroplenia pary jest, przejście przez stan nasycenia. W opisie mikroskopowym stanowi temu odpowiada równowaga cząsteczek cieczy przechodzących w stan pary oraz cząsteczek pary wracających do cieczy. Sprężanie pary nasyconej powoduje zmniejszenie rozporządzalnej objętości, wskutek czego pewna liczba cząsteczek pary wchodząc w strefę działania międzycząsteczkowego łączy się tworząc kroplę cieczy. Równocześnie praca, wykonana przez siły przeciągania międzycząsteczkowego, powoduje odpowiednie zmniejszenie energii wewnętrznej i wydzielenie się różnicy energii w postaci ciepła parowania. Analogicznie, przy krzepnięciu występuje początkowo zmniejszenie prędkości ruchu cieplnego cząsteczek, wywołane obniżeniem temperatury ochładzanej cieczy, wskutek czego odległości między cząsteczkami odpowiednio zmniejszają się aż do chwili, gdy pod działaniem międzycząsteczkowych sił przyciągania sąsiednie cząsteczki zbliżają się do siebie na odległość r0, w której następuje ich wzajemne „uwiązanie”, czyli przemiana w stan stały. Równocześnie praca wykonana przez siły przyciągania powoduje odpowiednie zmniejszenie energii wewnętrznej układu i wydziela się w postaci ciepła krzepnięcia.
Teoria molekularno-kinetyczna wyjaśnia również w prosty sposób zjawiska cieplne występujące przy adiabatycznym rozprężaniu i sprężaniu gazu. Załóżmy, że w procesie adiabatycznego rozprężania gazu, znajdującego się w cylindrze pod tłokiem, cząsteczki gazu zderzają się z tłokiem poruszającym się w tym samym co ona kierunku. Po odbiciu od powierzchni tłoka wartość prędkości cząsteczek ulegnie wobec tego zmniejszeniu, powodując odpowiednie zmniejszenie ich energii kinetycznej, a więc spadek temperatury gazu. W procesie adiabatycznego sprężania gazu cząsteczki po odbiciu się od powierzchni tłoka, przesuwającego w kierunku przeciwnym, zwiększą swą prędkość powodując podniesienie temperatury gazu. Do ciekawych wniosków prowadzi rozpatrywanie z punktu widzenia teorii molekularno-kinetycznej zjawisko ogrzewania pierwiastków metalicznych. Energia pochłaniana przy ogrzewaniu metalu powoduje więc zwiększenie intensywności ruchu cieplnego, a tym samym wzrost energii wewnętrznej ciała. Należy również przewidywać, że ilość ciepła niezbędna dla ogrzania ciała o 1 K, a więc nadania wszystkim zawartym w nim atomom odpowiedniego przyrostu ich średniej energii kinetycznej, jest wprost proporcjonalna do liczby tych atomów. Ponieważ zgodnie z prawem Avogadra liczba atomów zawartych w jednym kilomolu pierwiastka jest jednakowa i niezależna od jego rodzaju, można się spodziewać, że ilość ciepła niezbędna do ogrzania 1 kilomola pierwiastka metalicznego o 1 K, czyli ciepło molowe, powinno być dla wszystkich metali jednakowe.