2.1 Fizyka_Elementy tworzace swiat. Oddzialywanie

NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
Joanna Sowińska:
Elementy tworzące
oddziaływanie
świat
i
ich
wzajemne
a) kinetyczno-molekularny model budowy materii
Teorii kinetyczno-molekularnej zawdzięczamy specjalne, "mikroskopowe" ujęcie zjawisk
zachodzących w otaczającym nas świecie. Teoria ta opiera się na następujących założeniach
ogólnych:
1. Ciała mają budowę nieciągłą; składają się z drobnych elementów w postaci atomów lub
cząsteczek (molekuł)
2. Wymienione elementy są w ciągłym ruchu. Wartości liczbowe i kierunki prędkości
poszczególnych elementów są różne.
3. Pomiędzy poszczególnymi elementami budowy ciał występują siły wzajemnego
oddziaływania.
Założenie pierwsze, dotyczące atomowej budowy materii, sięga swymi pierwszymi
koncepcjami aż do czasów starożytnych (Demokryt, Epikur, Lukrecjusz), były to jednak w
owym czasie tylko pewne spekulacje filozoficzne, oparte na danych doświadczalnych.
Założenie to zostaje ponownie wysunięte w XVII w. i następnie, dzięki pracom licznych
badaczy (Boyle, Bernoulli, Dalton, Maxwell i in.) przekształca się w poważną hipotezę
naukową.
Założenie drugie znajduje potwierdzenie w licznych faktach doświadczalnych, jak np. w
zjawisku rozprężania się gazów, w zjawisku dyfuzji, w ruchach Browna.
Założenie trzecie dotyczy oddziaływań międzycząsteczkowych, które w dużym stopniu zależą
od wzajemnych odległości między cząsteczkami i gwałtownie maleją ze wzrostem tych
odległości.
Siły międzycząsteczkowe to typowe siły tzw. Krótkiego zasięgu: duże – przy odległościach
mniejszych od ok. 10-10 m, znikające praktycznie – przy odległościach rzędu 10-9 m.
Ujęcie właściwości gazów z punktu widzenia teorii kinetycznej przedstawia się najprościej z
tego względu, że dzięki stosunkowo dużym średnim odległościom międzycząsteczkowym w
gazie można w pierwszym przybliżeniu zaniedbać siły wzajemnego oddziaływania
cząsteczek. Właśnie dzięki temu w dalszych rozważaniach można założyć, że każda
cząsteczka gazu porusza się swobodnie (bez działania sił) aż do momentu zderzenia z inną
cząsteczką albo ze ścianka naczynia. Stąd wniosek, że odcinki drogi między kolejnymi
zderzeniami są przebywane ruchem jednostajnym prostoliniowym.
Cząsteczki podczas zderzeń zmieniają swe prędkości. Zderzenia cząsteczek gazowych można
traktować jako zderzenia doskonale sprężyste. Średnia długość prostoliniowego przebiegu
między dwoma zderzeniami, wyliczona z bardzo wielkiej liczby przelotów, nosi nazwę
średniej drogi swobodnej. Liczba zderzeń przypadających na sekundę jest bardo duża,
odpowiada miliardom.
Średnia droga swobodna cząstki gazu to średnia odległość pomiędzy punktami kolejnych
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda” – J. Sowińska
1
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
zderzeń cząstek. Droga ta zależy od rozmiarów cząsteczek i od ich liczby w jednostce
objętości.
Doświadczenia potwierdzające kinetyczno – molekularną
teorię budowy materii.
DYFUZJA
Dyfuzja jest to proces, w którym następuje mieszanie się substancji na skutek przypadkowego
ruchu ich składników tj.: atomów, cząsteczek i jonów. W gazach wszystkie składniki mieszają
się idealnie i mieszanina w efekcie staje się jednorodna, (jednorodność jest w niewielkim
stopniu naruszana grawitacją). Dyfuzja substancji rozpuszczonej w rozpuszczalniku jest
wolniejsza od procesu dyfuzji w gazach, chociaż charakter procesu jest bardzo podobny. W
ciałach stałych natomiast w temperaturze
pokojowej dyfuzja zachodzi bardzo wolno.
Mechanizm molekularny dyfuzji może być łatwo zrozumiany poprzez założenie, że cząstki w
gazach i cieczach znajdują się w stanie „ruchów termicznych” tj. zderzają się ze sobą
wykreślając zygzakowatą trajektorię ruchu od zderzenia do zderzenia.
RUCHY BROWNA
Taka zygzakowata trajektoria może być obserwowana pod zwykłym mikroskopem, gdy
obserwacje dotyczą tak zwanej „cząstki Browna” (pyłku kwiatowego, kurzu, cząstek
polimeru) i jest zwana „ruchami Browna”.
Jako pierwszy obserwacje nieregularnych ruchów małych cząstek pyłku kwiatowego
unoszących sie na wodzie prowadził angielski botanik Robert Brown (1773-1858) w 1827
roku.
Ruchy Browna
Wytłumaczenie oparte zostało na atomistycznej teorii budowy materii i zostało uznane za jeden z
najmocniejszych dowodów na istnienie atomów. Zygzakowaty ruch cząsteczek zawieszonych w cieczy
jest wymiernym i przewidywalnym skutkiem kinetyki cząsteczek.
Teoria mówi, że pyłki unoszące się w wodzie są bez przerwy bombardowane ze wszystkich stron
wieloma cząsteczkami wody, szybko poruszającymi się, znacznie mniejszymi od pyłków. Pyłek jest
lekki, więc nawet niewielkie ilości wypadkowego pędu, przekazywane mu co chwilę w wyniku wielu
przypadkowych zderzeń, powodują jego powolny zygzakowaty ruch.
W późniejszym czasie, prace Perrina, Smoluchowskiego, Einsteina, Langevina, wyjaśniły przyczynę
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda” – J. Sowińska
2
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
ruchów Browna, jako wynik ciągłego bombardowania cząstki Browna przez cząstki cieczy będące w
termicznym ruchu. Im mniejsze cząstki Browna, tym ruch jest bardziej intensywny. Obserwacje
pokazują, że ze wzrostem temperatury wzrasta również prędkość ruchów Browna.
ROZPUSZCZANIE
Rozpuszczanie jest możliwe, ponieważ substancje zbudowane są z cząsteczek o bardzo
małych rozmiarach.
Jest to tworzenie roztworu ze składników będących uprzednio w odrębnych fazach (stałej i
ciekłej). Przykładem jest mieszanie się substancji stałej z rozpuszczalnikiem, w wyniku czego
powstaje roztwór; np. roztwór cukru lub soli w wodzie. Substancję rozpuszczoną można
wyodrębnić np. przez odparowanie rozpuszczalnika.
W podejściu „mikro” cząsteczki rozpuszczalnika „atakują” cząsteczki substancji
rozpuszczanej (ruchy cieplne) odrywając je od bloku fazy stałej (np. ziarna cukru). Proces
rozpuszczania wymaga zatem pewnej energii dla przezwyciężenia stosunkowo silnego
oddziaływania cząsteczek lub atomów w substancji rozpuszczanej. W zjawisku rozpuszczania
zmienia się tzw. Energia wewnętrzna obu substancji a towarzyszyć temu mogą efekty
cieplne.
ZJAWISKO PRZYLEGANIA (MENISK CIECZY)
Między drobinami występują oddziaływania o różnej sile.
MIESZANIE CIECZY, KTÓREMU TOWARZYSZY ZMNIEJSZENIE OBJĘTOŚCI.
Cząsteczki cieczy są różne i znajdują się w różnej odległości.
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda” – J. Sowińska
3
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
STANY SKUPIENIA
Wszelkie otaczające nas przedmioty zbudowane są z materii. Jednak materia to również
rzeczy, których nie możemy dotknąć jak powietrze czy planety. Istoty żywe też składają się z
materii. Znamy cztery różne postacie występowania materii – stan stały, ciekły, gazowy i
plazma (plazma występuje tylko w bardzo wysokich temperaturach podobnych do tych, które
występują we wnętrzu gwiazd). Właściwościami materii są m.in.: gęstość, objętość, masa,
plastyczność, kruchość, sprężystość, itp.
Większość substancji istnieje w przyrodzie w trzech stanach skupienia, każdy stan skupienia
posiada inne własności:
Gaz: Substancja zajmująca całą możliwą przestrzeń dzięki zjawisku dyfuzji. Gazy mają małą
gęstość, są ściśliwe, wywierają jednakowe ciśnienie w każdym kierunku, często są
niewidoczne.
Ciecz: Substancja łatwo zmieniająca swój kształt i zwykle wymagająca pojemnika do
ograniczenia jej w poziomie. Grawitacja wymusza jej poziome ułożenie. Gęstość cieczy jest
około1000 razy większa niż gazów.
Ciało stałe: Substancja utrzymująca trwały kształt, chyba że jest ściskana lub rozciągana przez
działanie sił zewnętrznych. Gęstość większości ciał stałych jest większa niż gęstość cieczy.
TEMPERATURA
Stan skupienia danej substancji zależy od jej temperatury. Temperatura przejścia cieczy do
stanu stałego nazywana jest temperaturą krzepnięcia (jest równa temperaturze topnienia).
Substancja powyżej swojej temperatury topnienia jest cieczą, natomiast poniżej tej
temperatury jest ciałem stałym. W temperaturze pokojowej, wszystkie ciecze mają
temperaturę topnienia niższą od temperatury pokojowej, natomiast ciała stałe mają
temperaturę topnienia wyższą od temperatury pokojowej. Znając temperatury topnienia
różnych substancji można określić ich stan skupienia w dowolnej temperaturze.
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda” – J. Sowińska
4
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
Substancje mogą zmieniać swój stan skupienia.
Przemiany fazowe to procesy, w wyniku których substancje zmieniają swój stan skupienia.
Schemat przedstawia wszystkie możliwe przemiany:
Parowanie nie jest przemianą fazową, gdyż nie zachodzi w stałej dla danej substancji
temperaturze przemiany, lecz w każdej temperaturze.
Temperatura przemiany fazowej – stała temperatura, w której substancja zmienia stan
skupienia.
Temperatura topnienia jest zawsze równa temperaturze krzepnięcia, zaś temperatura wrzenia
jest równa temperaturze skraplania.
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda” – J. Sowińska
5
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
KINETYCZNA TEORIA MATERII
Kinetyczna teoria materii zakłada, że wszystkie substancje zbudowane są z wielu
identycznych cząstek (atomów lub cząsteczek), będących w stanie ciągłego ruchu.
Oddziaływania międzycząsteczkowe zależą od odległości między cząstkami. W cieczach i
ciałach stałych przeważają siły przyciągania, które utrzymują substancję w całości. W ciałach
stałych cząsteczki są ułożone bardzo blisko siebie tworząc sztywną sieć. Wykonują drgania
wokół położeń równowagi (węzłów sieci), ale nie przemieszczają się względem siebie. W
stanie ciekłym, odległości między cząsteczkami są większe niż w ciałach stałych, cząsteczki
poruszają się szybciej, chaotycznie i często zmieniają wzajemne położenie. W stanie
gazowym cząsteczki poruszają się chaotycznie, z dużo większą prędkością niż w cieczach i
zazwyczaj średnie odległości między cząsteczkami są większe niż w cieczach. Naturalny ruch
cząsteczek jest związany z temperaturą substancji. W gazach i cieczach wyższa temperatura
odpowiada wyższej średniej prędkości cząsteczek, a w ciałach stałych większej częstotliwości
i amplitudzie drgań. Temperatura substancji jest ściśle związana z energią kinetyczną ruchu
cząsteczek. Energia cieplna pobierana przez ciało stałe powoduje wzrost średniej energii
kinetycznej drgań cząsteczek.
Temperatura jest to wielkość fizyczna będąca miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek
substancji; temperatura jest proporcjonalna do średniej energii kinetycznej.
Dla gazu złożonego z pojedynczych atomów średnia energia kinetyczna jednego atomu jest
równa:
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda” – J. Sowińska
6
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
gdzie kB = 1,38 × 10- 23 J / K jest stałą, która nazywa się stałą Boltzmanna, T – temperatura.
Podczas ogrzewania substancji, po osiągnięciu temperatury topnienia, część dostarczanej
energii jest wykorzystana na przerwanie wiązań między cząsteczkami. Zanika kształt
substancji i następuje przejście w stan ciekły. Ta dodatkowa energia, która jest potrzebna na
przerwanie wiązań, nazywana jest ciepłem przemiany fazowej. W czasie topnienia ciał
krystalicznych temperatura pozostaje stała. Dopiero, gdy cała substancja zmieni się w ciecz,
dalsze dostarczanie ciepła powoduje wzrost temperatury. W czasie stygnięcia cieczy
występuje proces odwrotny. Krzepnięcie substancji powoduje wydzielanie ciepła do
otoczenia.
Cechą charakterystyczna wszystkich przemian fazowych jest pobranie (lub oddanie) pewnej
ilości ciepła Q podczas trwania procesu. Ciepło to zależy od masy m ciała biorącego udział w
danej przemianie fazowej i wyraża się wzorem:
Q = l m.
We wzorze tym współczynnik l zależny od rodzaju ciała i rodzaju przemiany, nazywa się
ogólnie ciepłem przemiany, a w konkretnych przypadkach przyjmuje nazwy: ciepła topnienia,
ciepła parowania lub ciepła sublimacji. Ciepło przemiany wyraża się w układzie jednostek SI
w dżulach na kilogram.
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda” – J. Sowińska
7
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
Energia kinetyczna jest związana z chaotycznym ruchem cieplnym molekuł wewnątrz
substancji ciekłych i gazów lub drganiami atomów w substancjach stałych.
Energia potencjalna oddziaływań jest równa pracy (jako wielkości fizycznej) jaką trzeba
wykonać, aby całkowicie oddzielić od siebie oddziałujące cząsteczki lub atomy (przerwać
wiązania cząsteczkowe).
Energia wewnętrzna ciała jest to suma energii kinetycznych wszystkich cząsteczek i atomów
substancji w danej masie, oraz suma energii potencjalnych ich wzajemnych oddziaływań.
W tych przemianach, których końcowym efektem jest rozluźnienie więzów
międzycząsteczkowych, a więc podczas topnienia, parowania czy sublimacji, ciało
podlegające przemianie pobiera ciepło. Energia ruchów cieplnych zostaje wtedy
przetworzona poprzez pracę przeciw siłom wiązań międzycząsteczkowych, na zwiększoną
energię potencjalną cząsteczek w nowym stanie skupienia. Podczas przemian odwrotnych
(krzepnięcie, skraplanie, resublimacja) ciało oddaje ciepło.
Jeśli proces skraplania (krzepnięcia) odbywa się w tej samej temperaturze i pod tym samym
ciśnieniem co proces parowania (topnienia) wówczas ilość ciepła oddanego jest równa ilości
ciepła poprzednio pobranego.
http://www.wsipnet.pl/oip/chemia/naucz/R1/roz01_03_pr.html
Ważną rolę w tych przemianach odgrywa relacja między sumaryczną energią kinetyczną
cząsteczek Ek i sumaryczną energią potencjalną ich wzajemnego oddziaływania Ep,
występującymi w wyrażeniu na energię wewnętrzną:
· gazy – cząsteczki zderzają się, lecz pomiędzy zderzeniami poruszają się swobodnie:
Ek >> Ep .
· ciecze – cząsteczki podlegają drganiom wokół chwilowych położeń równowagi, lecz mogą
jednocześnie przemieszczać się – są częściowo swobodne, Ek ≤ Ep
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda” – J. Sowińska
8
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
· ciała stałe – cząsteczki i atomy podlegają ruchom drgającym wokół położeń równowagi,
Ek << Ep .
Ważnym faktem jest to, że wartość energii kinetycznej cząsteczek i atomów jest wprost
proporcjonalna do temperatury ciała.
Zmiana stanu skupienia następuje wskutek zmiany wartości energii wewnętrznej ciała oraz
relacji między energią kinetyczną a energią oddziaływania cząsteczek. W wysokich
temperaturach, gdy Ek przyjmuje duże wartości, każda substancja występuje w postaci gazu.
Przy obniżaniu temperatury Ek maleje i w niskich temperaturach osiągamy stan, w którym
Ek << Ep , co odpowiada stałemu stanowi skupienia.
http://www.fizykon.org/termodynamika/trmdn_12_wykres_ogrzewania_substancji.htm
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda” – J. Sowińska
9
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
JĄDRO ATOMOWE, CZĄSTECZKA
Wszystko, co można wyczuć zmysłami (choć nie tylko) zbudowane jest z maleńkich drobin
zwanych atomami, których miliony zmieścić można w kropce wielkości tej na końcu zdania.
Na atom składają się znacznie mniejsze cząstki (zwane czasem subatomowymi). Środek
każdego atomu tworzy jądro, które budują protony i neutrony (składniki jądra atomowego
określane są wspólna nazwą: nukleony od łac. nucleus = jądro). Wokół jądra poruszają się
elektrony, które umownie grupuje się w powłoki (swoiste warstwy) w zależności od tego jak
daleko od jądra krążą.
Nazwa nuklid jest stosowana dla każdego jądra większego niż nukleon.
Nuklid pierwiastka o symbolu chemicznym X, oznaczamy symbolem ::
A – liczba nukleonów (liczba masowa),
Z – liczba protonów (liczba atomowa – porządkowa).
Nuklidy o tej samej liczbie Z noszą nazwę izotopów, a o tej samej liczbie A – izobarów.
Jądra zawierające jednakowe liczby neutronów, czyli N = A – Z = const, nazywamy
izotonami.
Neutron i proton mają prawie taką samą masę i bardzo zbliżone właściwości:
mn = 1.674×10–27 kg,
mp = 1.672×10–27 kg, czyli mp = 1836,1me i mn = 1838,6me.
Masa protonów i neutronów jest znacznie większa niż elektronów. Tak więc można uznać
masę atomu jako praktycznie równą masie jądra. Cząsteczki powstają w wyniku łączenia się
atomów w większe układy. Liczba atomowa (oznaczana symbolem Z) określa liczbę
protonów w atomie (w obojętnym atomie liczba protonów i elektronów jest równa). Protony i
elektrony to cząstki mające ładunek elektryczny (protony – dodatni a elektrony – ujemny), z
kolei neutrony są cząstkami obojętnymi elektrycznie. Elektrony poruszają się z prędkością
bliską prędkości światła. Pierwiastek charakteryzuje się tym, że wszystkie jego atomy
posiadają tę samą liczbę protonów. Natomiast liczba neutronów może być różna. Takie
odmiany pierwiastka nazywamy izotopami.
Atomy są niezwykle małe. Ich rozmiary są rzędu 10-10 metra i składają się głównie z pustej
przestrzeni – elektrony poruszają się w bardzo dużej odległości od jądra (relacja jest mniej
więcej taka, że jeśli wyobrazić sobie jądro atomu jako łepek od szpilki umieszczony na
środku boiska piłkarskiego to elektrony są maleńkimi punkcikami na brzegach tego boiska) .
Siły jądrowe
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda” – J. Sowińska
10
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
Trwałe wiązania między nukleonami w jądrze wskazują na istnienie w jądrach atomowych
specyficznych sił, tzw. sił jądrowych (oddziaływania silne).
Między dodatnio naładowanymi protonami występuje odpychanie elektryczne, którego efekty
są równoważone przez oddziaływanie silne między nukleonami. Oddziaływania silne
przeważają na małych odległościach, na większych odległościach przeważają siły odpychania
elektrycznego.
Cechy sił jądrowych:
 nie można ich wyjaśnić za pomocą klasycznych oddziaływań grawitacyjnych czy
elektromagnetycznych (są zbyt słabe),
 siły jądrowe są przyciągające,
 są krótkozasięgowe. Zanikają na odległości około 2×10–15 m,
 są niezależne od ładunku, co oznacza, że nie rozróżniają one protonów od neutronów.
 każdy nukleon oddziałuje z najbliższymi sąsiednimi nukleonami.
Rozmiary atomu i jądra
Badania atomów różnych pierwiastków pokazały, że jego średnica jest wielkością bardzo
małą i wynosi około 0,0000000002 = 2 × 10-10 m, a masa około 5 × 10-26 kg. Atom jest tak
mały, że nie dostrzeżemy go pod lupą, a także pod mikroskopem. Wyodrębnienie
pojedynczego atomu jest więc praktycznie niemożliwe. Jądro atomowe jest około 105 razy
mniejsze od rozmiarów atomu – 2 × 10-15 m.
Rozmiary atomu i jądra:
jądro - 2 × 10-15 m
atom - 2 × 10-10 m
Kwarki.
Nukleony oraz mezony (poza pionami są jeszcze inne mezony) to cząstki silnie oddziałujące –
hadrony. Obecnie przyjmuje się, że hadrony są podzielne – składają się z mniejszych cząstek,
kwarków. Przyjmuje się, że istnieje sześć kwarków i sześć antykwarków, chociaż dotychczas
nikt nie wykazał doświadczalnie istnienia swobodnego kwarku. Być może, że istnieją tylko w
postaci związanej jako składniki, np. protonu czy innego hadronu. Przyjmuje się, że cząstką
wymienną w oddziaływaniu kwarków jest gluon.
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda” – J. Sowińska
11
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
ZJAWISKA TRANSPORTU
Stany równowagi, zjawiska transportu
Równowaga termodynamiczna oznacza stan, w którym makroskopowe parametry układu,
takie jak ciśnienie, objętość i wszystkie funkcje stanu, są stałe w czasie. Wszystkie procesy w
przyrodzie przebiegają w kierunku osiągnięcia stanów równowagowych.
Teraz zapoznamy się z bardzo uproszczonym opisem zjawisk, które zachodzą, gdy układy
dążą do stanów równowagi. Zjawiska te ogólnie można scharakteryzować jako przenoszenie
(transport) pewnej wielkości fizycznej przez ośrodek materialny, przy czym ruch cząsteczek
tego ośrodka ma charakter przypadkowy. W zjawiskach tych mamy zawsze do czynienia z
przenoszeniem:
 materii
 energii
 pędu
 ładunku elektrycznego.
Omówimy teraz krótko wybrane zjawiska transportu:
• Dyfuzja - transport masy
Dyfuzję możemy określić jako proces przenoszenia cząstek jakiejś substancji od miejsc o
większym stężeniu do miejsc o stężeniu mniejszym, czyli mówiąc inaczej dyfuzja jest
transportem masy.
• Przewodnictwo cieplne - transport energii
Zjawisko przewodnictwa cieplnego polega na przenoszeniu energii cieplnej i jest związane z
różnicą temperatur. Z punktu widzenia mikroskopowego transport energii cieplnej polega w
istocie na przekazywaniu energii kinetycznej przez cząsteczki szybsze (o wyższej
temperaturze) cząstkom wolniejszym (o niższej temperaturze) wskutek przypadkowych
zderzeń.
• Lepkość - transport pędu
Zjawisko lepkości cieczy polega na tym, że na ciało poruszające się w cieczy działa siła
oporu. Z mikroskopowego punktu widzenia zjawisko lepkości polega na przekazywaniu przez
ruchomą płytkę pędu cząstkom cieczy. Pęd ten jest przenoszony przez cząsteczki cieczy i
oddawany w wyniku zderzeń drugiej płytce. Charakterystyczną cechą transportu pędu jest to,
że kierunek przenoszenia wektora pędu jest prostopadły do kierunku wektora pędu; pęd jest
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda” – J. Sowińska
12
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
więc przenoszony prostopadle do kierunku ruchu cząstek ośrodka.
Lepkość gazów ujawnia się wówczas, gdy gaz płynie w określonym kierunku i gdy różn
warstwy gazu mają różne prędkości.
• Przewodnictwo elektryczne czyli przenoszenie ładunku elektrycznego w wyniku ruchu
elektronów (dążenie do wyrównania potencjałów elektrycznych).
SYMETRIA I ANIZOTROPIA
Symetria budowy kryształów
Ciała krystaliczne i amorficzne
Każda substancja ciekła (z wyjątkiem helu) podczas oziębiania traci swoje własności ciekłe i
przechodzi w ciało stałe. Jednakże proces przejścia ze stanu ciekłego w stan stały dla różnych
substancji jest różny. Znane są dwa procesy zestalania się cieczy. Pierwszy proces nosi nazwę
krystalizacji i polega na tym, że w cieczy, oziębionej do określonej temperatury, pojawiają
się tzw. centra krystalizacji - drobne kryształki, czyli obszary uporządkowanych i trwale
związanych ze sobą cząstek. W warunkach umożliwiających swobodny wzrost, przy dalszym
oziębianiu cieczy centra krystalizacji rozrastają się w kryształy, tj. w trójwymiarowe
okresowe ułożenia atomów, lub grup atomów.
Przestrzenny układ atomów stanowiący pewne formy przestrzennych brył geometrycznych
opisujemy sieciami krystalicznymi.
Dla drugiego procesu zestalanie się cieczy zachodzi wskutek stosunkowo szybkiego
zwiększenia lepkości cieczy przy obniżaniu temperatury. Znane są dwa rodzaje tego procesu
zestalania się. W niektórych substancjach (lak, wosk, smoła i inne) w ogóle nie obserwuje się
krystalizacji. Takie substancje nie występują w postaci krystalicznej i noszą nazwę ciał
amorficznych. Inne substancje, na przykład szkło, są zdolne do krystalizacji. Jednak wskutek
szybkiego wzrostu ich lepkości przy obniżaniu temperatury (co powoduje, że ruch cząsteczek
konieczny do uformowania się i wzrostu kryształu jest utrudniony) substancja zestala się
wcześniej niż nastąpi krystalizacja. Substancje takie nazywamy szkłopodobnymi. Substancje
szkłopodobne samorzutnie powoli przekształcają się w postać krystaliczną.
Różnica między amorficznymi, szkłopodobnymi i krystalicznymi ciałami nie ogranicza się
tylko do osobliwości które występują podczas zestalania się odpowiednich cieczy Jedną z
podstawowych cech ciał krystalicznych jest anizotropia ich własności fizycznych, tj.
zależność własności fizycznych ciała od kierunku w tym ciele. Na przykład jeżeli umieścimy
kryształ w polu elektrycznym kondensatora i będziemy mierzyli prąd elektryczny
przepływający przez kryształ przy stałej wartości napięcia na kondensatorze, to zauważymy,
że przy obrocie kryształu wokół dowolnej osi wartość prądu elektrycznego zmienia się.
Mówimy, że kryształ jest anizotropowy ze względu na przewodnictwo elektryczne.
Najbardziej widocznym efektem anizotropii kryształów jest ich wzrost: kryształy przy
wzroście nie przyjmują postaci kuli, a mają postać symetrycznego wielościanu. Anizotropia
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda” – J. Sowińska
13
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
fizycznych własności kryształów, jak i wiele charakterystycznych cech kryształów, jest
uwarunkowana osobliwością ich budowy wewnętrznej. Badaniami anizotropii fizycznych
własności kryształów, a dokładniej badaniami zależności między symetrią właściwości
fizycznych kryształów, a symetrią struktury kryształów zajmuje się nauka fizyka kryształów
(lub krystalografia fizyczna albo krystalofizyka).
Elementy symetrii
Jedną z podstawowych cech ciał krystalicznych jest ich zdolność przyjmowania, w
warunkach umożliwiających swobodny wzrost kryształu, postaci symetrycznego wielościanu.
Postać krystaliczna charakteryzuje się płaskością ścian, liniowością krawędzi, które
zbudowane są z atomów o różnej konfiguracji geometrycznej i różnej gęstości obsadzenia.
Charakterystyczną cechą stanu krystalicznego jest również powtarzanie się zespołów ścian,
krawędzi i kątów między nimi co określa się symetrią sieci i zarazem symetrią kryształów.
Związek właściwości i symetrii kryształów ujmuje prawo symetrii, które stwierdza, że
właściwości fizyczne i mechaniczne w niektórych kierunkach nierównoległych są jednakowe
i są to kierunki symetryczne. Różne właściwości dla innych kierunków nierównoległych lecz
niesymetrycznych związane jest z anizotropią kryształów.
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda” – J. Sowińska
14
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
LITERATURA:
1.
D.Halliday, R.Resnik, J.Walker, Podstawy fizyki. T 1, Mechanika, PWN, Warszawa,
2006.
2.
J. Blinowski, J. Trylski, Fizyka dla kandydatów na wyższe uczelnie. ,
Warszawa, 1974.
3.
A. Kubica, E. Wnuczak, R. Żuczkowski, Fizyka dla wyższych szkół technicznych. T 1,
PWN, Warszawa, 1974.
4.
Z. Kamiński, Fizyka dla kandydatów na wyższe uczelnietechniczne. , Wyd. Naukowo
- Techniczne, Warszawa, 1973.
5.
http://www.wmf.univ.szczecin.pl/~sergeev/Dydaktyka/Skrypty/Wstep%20do%20fizy
ki%20krysztalow/ROZDZIAL%20I.pdf
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda” – J. Sowińska
PWN,
15