Kinetyczno-molekularny model budowy materii

Spis treści

WSTĘP

Termin „mikroświat” obejmuje zjawiska i wielkości fizyczne na poziome atomowym, czyli w zakresie tematu modelu kinetyczno - molekularnego są to oddziaływania poruszających się albo drgających atomów lub cząsteczek oraz opisujące ich wielkości takie jak energia, prędkość czy masa. „Makroświatem” natomiast nazywamy zjawiska i wielkości fizyczne dotyczące odległości większych niż rozmiary atomu. Do niego zalicza się
np. zmiany stanów skupienia substancji i ich objętości czy temperaturę. Model kinetyczno - molekularny budowy materii opisuje zależności, jakie występują pomiędzy wielkościami fizycznymi makroskopowymi, poprzez oddziaływania cząstek oraz ich własności. Aspekt „molekularny” modelu to stwierdzenie, że wszystko wokół zbudowane jest z molekuł -
czyli z cząsteczek i atomów. Natomiast w aspekcie „kinetycznym” chodzi o znajdowanie się tych cząsteczek i atomów w ciągłym ruchu.

1. GŁÓWNE ZJAWISKA FIZYCZNE U PODSTAW MODELU

W pierwszym rozdziale przedstawione są najprostsze procesy fizyczne, dzięki którym prawidłowości kinetyczno-molekularnego modelu budowy materii są możliwe do wyjaśnienia - ruchy Browna, dyfuzja, rozpuszczanie.

RUCHY BROWNA

Pierwszym z omawianych zjawisk są tzw. Ruchy Browna (nazwane tak od botanika Roberta Browna) - są to chaotyczne ruchy drobnych cząstek materii, tworzących zawiesinę
w cieczy lub gazie, których przyczyną są ruchy cieplne cząsteczek ośrodka. Ruchy Browna stają się bardziej intensywne wraz ze wzrostem temperatury, dlatego chaotyczny ruch cząsteczek powodujący je - nazwano „ruchem cieplnym”. Intensywniejsze są także
w przypadku, gdy mniejsze są rozmiary cząstek zawiesiny oraz gdy maleje lepkość cieczy.

DYFUZJA

Dyfuzja jest procesem samorzutnego wyrównywania się stężeń substancji w układzie wieloskładnikowym. Prowadzi to do mieszania się ze sobą różnych gazów, cieczy,
a również ciał stałych. Dyfuzja ma miejsce wówczas, gdy dwie substancje gazowe lub płynne rozmieszczone zostaną nierównomiernie w jakiejś przestrzeni, co powoduje różnice stężeń substancji w tej przestrzeni. Model kinetyczno - molekularny pokazuje, że z różnicą stężeń wiąże się różnica ciśnień gazu. Proces dyfuzji powodować może także różnica temperatur.

ROZPUSZCZANIE

Rozpuszczanie jest to tworzenie roztworu ze składników, które uprzednio znajdowały się w odrębnych stanach skupienia. Przykładem dla tego procesu może być zmieszanie substancji stałej z rozpuszczalnikiem, w wyniku czego powstaje roztwór. Z perspektywy „mikro” rozpuszczanie polega na „atakowaniu” cząsteczek rozpuszczalnika cząsteczek tej drugiej substancji i na odrywaniu ich od bloku fazy stałej.

2. ENERGIA WEWNĘTRZNA MATERII

Energia wewnętrzna jest to suma energii kinetycznych wszystkich cząsteczek
i atomów substancji w danej masie oraz suma energii potencjalnych ich wzajemnych oddziaływań. Na poziomie kinetyczno - molekularnej budowy materii energie kinetyczne powiązane są z drganiami atomów substancjach stałych, lub w cieczach i gazach -
z chaotycznym ruchem cieplnym molekuł. Natomiast energia potencjalna oddziaływań to nic innego jak praca, jaką trzeba wykonać, aby przerwać wiązania cząsteczkowe.

3. STANY SKUPIENIA

Wyróżnia się trzy podstawowe formy występowania substancji w przyrodzie:

1. stan gazowy,

2. stan ciekły,

3. stan stały.

Formy te określają jej podstawowe własności fizyczne, które wynikają z układu oraz
z zachowania cząsteczek składających się na daną substancję (Poza nimi współcześnie mówi się często jeszcze dodatkowo o czwartym stanie skupienia - plazmie; jednak w danej pracy autorki skupiły się jedynie na trzech podstawowych).

Cechą charakterystyczną substancji w stanie gazowym jest łatwość zmiany jej objętości i kształtu - substancja zajmuje całą dostępną jej przestrzeń. Substancji znajdującej się w stanie ciekłym trudno jest zmienić objętość, choć kształt łatwo. Natomiast stan stały trudny jest do zmiany zarówno objętości jak i kształtu. Natomiast na poziomie „mikro” podział ten zastosowany został ze względu na relację między sumaryczną energią kinetyczną cząsteczek Ek a sumaryczną energią potencjalną ich wzajemnego oddziaływania Ep. Mówi się zatem o gazach wówczas, gdy Ek >> Ep, czyli gdy cząsteczki zderzają się, aczkolwiek pomiędzy zderzeniami poruszają się ruchem swobodnym. W cieczach cząsteczki są częściowo swobodne - drgają wokół chwilowych położeń równowagi, ale jednocześnie mogą się przemieszczać (Ek <- Ep). W ciałach stałych natomiast cząsteczki i atomy podlegają wyłącznie drganiom (Ek << Ep).

ZMIANY STANÓW SKUPIENIA

Substancje mają możliwość zmiany stanów skupienia. Ma to miejsce wskutek zmiany jej wartości energii wewnętrznej oraz relacji pomiędzy energią kinetyczną a energią potencjalną oddziaływania cząsteczek, składających się na energię wewnętrzną ciała.
W warunkach wysokich temperatur, gdy energia kinetyczna przyjmuje duże wartości - substancje występują w postaci gazu. Wraz z obniżaniem się temperatury, maleje również energia kinetyczna - gdy spadnie do tego stopnia, że energia potencjalna przewyższa jej wartość - mamy do czynienia ze stałym stanem skupienia.

Każde z obserwowalnych w przyrodzie zjawisk przechodzenia substancji z jednego stanu skupienia w drugi, ma swoją nazwę. Topnieniem nazywamy przechodzenie ciała stałego w ciecz, natomiast jeśli zachodzi relacja w drugą stronę - proces ten nazywamy krzepnięciem.
Gdy ciecz przechodzi w gaz, mamy do czynienia z parowaniem, z kolei w kierunku odwrotnym - ze skraplaniem. Ponadto poza wyżej wymienionymi istnieją również dwa inne procesy: bezpośredniego przechodzenia ciała stałego w gaz - sublimacja, oraz gazu w ciało stałe - resublimacja.

4. CIEPŁO

Zanim w rozdziale tym przejdziemy do omówienia ciepła, należy najpierw zaznaczyć fakt, że używanie zamiennie terminów „ciepło” i „temperatura” jest nieprawidłowe, choć tak niestety powszechne.

W fizyce temperatura jest wielkością fizyczną, będącą miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek substancji - jest do niej proporcjonalna. Przykładem dla tego stwierdzenia mogą być trzy substancje będące w trzech różnych stanach skupienia - jeśli mówi się, że mają tę samą temperaturę, to ma się na myśli fakt, że średnia energia kinetyczna poruszających się cząsteczek w każdym z tych ciał jest taka sama. Jednostką temperatury
w układzie SI jest Kelvin (1K).

Następnie omówiony zostanie przykład, za pośrednictwem którego wyjaśniona zostanie relacja temperatury i ciepła. Dane są dwa ciała o różnej temperaturze, które zostają ze sobą zetknięte. Cząsteczki ciała o wyższej temperaturze (czyli większej średniej energii kinetycznej) zderzają się wówczas z cząsteczkami tego drugiego ciała o niższej temperaturze (i mniejszej średniej energii kinetycznej), przekazując im część swej energii kinetycznej.
W wyniku przekazu energii wewnętrznej dochodzi do wyrównania temperatur. Wyżej opisany proces to nic innego jak przepływ ciepła, zwany zwykle po prostu ciepłem.

Ciepło jest zatem zmianą energii wewnętrznej, zachodzącej poprzez przekazanie energii wewnętrznej od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Jednostką ciepła w układzie SI jest dżul (1J).

Za pomocą specjalnych urządzeń, tzw. termometrów, możliwy jest pomiar temperatury. Polega on na zetknięciu się miernika z ciałem, którego temperaturę chcemy zmierzyć oraz na doprowadzeniu się miernika do takiej temperatury, jaką posiada mierzone ciało. Następnie pozostaje już tylko odczyt wielkości fizycznej. Wyróżnia się wiele rodzajów termometrów: termometry cieczowe, bimetalowe, gazowe, parowe czy elektryczne. Najbardziej popularny jest pierwszy z wymienionych, który wykorzystuje zjawisko rozszerzalności cieplnej cieczy - jest nią przeważnie rtęć lub alkohol.

Podstawowymi stosowanymi powszechnie skalami temperatur są dwie: skala Celsjusza oraz Międzynarodowa Praktyczna Skala Temperatury (MPST) - zwana skalą Kelvina. Skala Celsjusza korzysta z jednostki - stopień Celsjusza (1^oC) i wyznaczona jest poprzez przyjęcie wartości dla dwóch punktów odniesienia, którymi jest temperatura topnienia lodu (0oC) oraz temperatura wrzenia wody (100^oC). Drugą popularną skalą jest skala Kelvina, której jednostką jest Kelvin (1K), a wyznaczona jest przez temperaturę „punktu potrójnego” dla wody (273,15 K) oraz warunek, że przy pomiarach zmian temperatury 1K równa się 1^oC.

Terminem ściśle związanym z ciepłem i na pewno wartym wspomnienia jest „ciepło właściwe” - jest to ilość ciepła, którą należy dostarczyć ciało o masie 1kg, aby podnieść jego temperaturę o 1K. Jednostką ciepła właściwego w układzie SI jest 1 J/(kg*K).

Dodatkowo wyróżnia się w fizyce ciepło parowania oraz ciepło topnienia. Ciepło parowania jest ilością ciepła, którą należy dostarczyć cieczy o masie 1kg, aby spowodować jej całkowite odparowanie. Analogicznie ciepło topnienia to ilość ciepła, którą należy dostarczyć cieczy o masie 1kg, aby spowodować jej całkowite stopnienie.

Ostatnim omawianym w tym rozdziale pojęciem związanym z ciepłem jest
tzw. rozszerzalność cieplna substancji. Terminem tym określana jest zmiana rozmiarów liniowych ciał (czyli długości, szerokości, grubości, czy średnicy) oraz ich objętości,
w wyniku zmiany temperatury. Większość ciał reaguje zwiększeniem swoich rozmiarów liniowych przy podwyższeniu temperatury. Jest to zjawisko wprost proporcjonalne do temperatury.

Wyjaśnienia rozszerzalności cieplnej należy szukać na poziomie mikroskopowym -
w rezultacie wzrostu temperatury drgające w substancji atomy lub cząsteczki posiadają większą energię drgań oraz większą średnią odległość pomiędzy sobą. W ten sposób zajmują większą powierzchnię.

5. MECHANIZMY PRZEPŁYWU CIEPŁA

Ciepło może być przenoszone na trzy sposoby - przez przewodnictwo, unoszenie (zwane inaczej konwekcją) i promieniowanie cieplne. Zawsze przechodzi z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze.

PRZEWODNICTWO CIEPLNE MATERII

Najprostszym mechanizmem przepływu ciepła materii jest przewodnictwo. Ujmując najbardziej ogólnie cały proces można powiedzieć, że ciepło przechodzi z miejsca lub ciała
o wyższej temperaturze do miejsca lub ciała o niższej temperaturze. Przewodnictwo odbywa się dzięki różnicy temperatur, na zasadzie przekazywania energii kinetycznej, która pod wpływem drgań cząsteczek przechodzi z jednej cząsteczki do drugiej zmieniając tym samym ciepło (i tym samym energię wewnętrzną) cząsteczki. Proces zachodzi do momentu wyrównania temperatury.

Każdy materiał różnie przewodzi ciepło. Tą szczególną, charakterystyczną dla danego materiału właściwość nazywa się współczynnikiem przewodzenia lub przewodności ciepła. Określa on ilość ciepła, jaka przepływa w ciągu 1 sekundy przez przekrój 1metra kwadratowego danego materiału, gdy różnica temperatur wynosi 1 K na długości 1metra.
W podawanych współczynnikach przewodności nie uwzględnia się wymiany ciepła
z otoczeniem, więc badany układ traktowany jest jako układ zamknięty.

Termin „przewodnictwo względne” stosuje się, gdy współczynniki przewodzenia ciepła przedstawiane są jako porównanie do przewodnictwa jakiejś innej określonej substancji.

Substancje o niskim współczynniku przewodności stosuje się jako materiały izolacyjne. Najlepszym izolatorem jest próżnia (wartość współczynnika: 0 ^W/_m*K ),
którą wykorzystuje się jako izolator w budowie termosów o podwójnych ściankach. Można powiedzieć, że dobrymi przewodnikami ciepła są metale, słabą przewodność mają np. wełna, papier, pióra, śnieg.

KONWEKCJA

Oprócz przewodnictwa ciepło może być także przekazywane przez unoszenie,
czyli konwekcję. Może być ona samorzutna (naturalne) lub wymuszona i polega
na przypływie ciepła za pośrednictwem strumienia cieczy lub gazu. Przy ogrzaniu gazu
lub cieczy w jednym miejscu, w wyniku podwyższenia temperatury, gęstość gazu lub cieczy maleje w danym miejscu. Ciepła substancja unosi się do góry, ponieważ wypiera ją do góry część gazu lub cieczy o większej gęstości, która w tym momencie również ulega podgrzaniu. Ten mechanizm przewodzenia ciepła stosowany jest przy centralnym ogrzewaniu. Ciecz zostaje wprawiona w ruch i przenosi ciepło ze źródła do kaloryferów. Ruch jest możliwy dzięki różnicy gęstości wody ogrzewaniu jej u źródła i schłodzonej w kaloryferach, dodatkowo w ogrzewaniu centralnym stosowane są pompy w celu usprawnienia procesu.

W przypadku gazów ruch konwekcyjny odbywa się podobnie jak w cieczach. Przykładem takiej konwekcji jest ruch gazów w kominie.

PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Proces promieniowania cieplnego polega na przenoszeniu ciepła od ciała gorętszego do zimniejszego bez udziału substancji pośredniczącej. Promieniowanie można inaczej nazwać wysyłaniem fal elektromagnetycznych. Energia zawarta w falach elektromagnetycznych o długości 0,8-1 μm odbierana jest jako ciepło - promieniowanie podczerwone. Wysyłanie promieniowania cieplnego nazywa się emisją, natomiast jego pochłanianie - absorpcją. Bez względu na to czy ciała wytwarzają światło czy też nie,
są zdolne do promieniowania cieplnego. W przypadku temperatury ciała o temperaturze niższej od otoczenia proces promieniowania również zachodzi, jednak pobiera ono więcej energii z otoczenia niż samo emituje.

Przykładem zachodzenia promieniowania cieplnego jest zjawisko mgły radiacyjnej, która powstaje na skutek nocnego wypromieniowywania ciepła z Ziemi, w rezultacie zachodzi ochłodzenie powietrza, rośnie wilgotność powietrza, która przy przekroczeniu punktu rosy powoduje skraplanie się i tworzenie mgły.

6. WILGOTNOŚĆ POWIETRZA

Wilgotność powietrza jest parametrem określającym zawartość pary wodnej w powietrzu atmosferycznym. Wyróżnia się wilgotność względną i bezwzględną.

WILGOTNOŚĆ WZGLĘDNA I BEZWZGLĘDNA

Wilgotnością bezwzględną nazywamy ilość pary wodnej zawartej w powietrzu w gramach na 1metr sześcienny powietrza. Jest ona również wskaźnikiem gęstości bezwzględnej pary wodnej.

Wilgotność względna jest wartością najczęściej stosowaną i jest liczona względem maksymalnej bezwzględnej wilgotności powietrza jaka może wystąpić w określonych warunkach (dane ciśnienie i temperatura), czyli jest wskaźnikiem, który wyraża procentowo jaką część maksymalnej bezwzględnej wilgotności powietrza stanowi wilgotność aktualnie występująca. Wilgotność względna 0 oznacza powietrze całkowicie suche, natomiast
1 (100%) - powietrze całkowicie nasycone parą wodną.

Z definicjami wilgotności powiązane jest pojęcie „ciśnienia cząsteczkowego”,
czyli ciśnienia jakie wywierają cząsteczki określonego składnika powietrza (ciśnienie cząsteczek wszystkich składników powietrza to ciśnienie atmosferyczne). Tym samym wilgotność względna jest wyrażona ilorazem wartości cząsteczkowego ciśnienia pary wodnej (inaczej - prężność pary wodnej) zawartej w powietrzu i ciśnienia cząsteczkowego pary wodnej nasyconej w danej temperaturze.

POMIAR WILGOTNOŚCI POWIETRZA

Wilgotność powietrza mierzy się między innymi przez wyznaczenie temperatury punktu rosy, czyli wartość temperatury powietrza, po osiągnięciu której, przy danym ciśnieniu nasycone powietrze zaczyna się skraplać. Pomiary z wykorzystaniem punktu rosy są bardzo żmudne więc na co dzień do pomiaru wilgotności używa się przyrządów zwanych higrometrami, np. higrometr elektroniczny lub higrometr włosowy, którego czujnikiem jest zwykły włos (najczęściej koński), a jego długość zmienia się wraz z wilgotnością powietrza

PODSUMOWANIE

Kinetyczno-molekularny model budowy materii należy do zakresu wiedzy podstawowej, którą trzeba posiąść, aby zrozumieć procesy zachodzące w przyrodzie. Rozpatruje całą materię na poziomie atomów, cząsteczek, jonów. Przedstawia zachodzące zależności między właściwościami fizycznymi takimi jak temperatura, ciepło, zmiany stanu skupienia, gęstość i innymi, o których uczymy się w dalszym toku edukacji szkolnej.

BIBLIOGRAFIA

1. Gascha H., Pflanz S., Fizyka. Kompendium, Świat Książki, Warszawa 2005.

2. http://www.fuw.edu.pl/studia/podyplomowe/przyra/mat0708/KursEFScz.62007.pdf [dostęp: 20.01.2009]

2

---