Fizika. Molekulák. Molekulák elrendeződése gáz, folyadék és szilárd halmazállapotú távolságban.
- Gázhalmazállapotban a molekulák nem kapcsolódnak egymáshoz, és egymástól nagy távolságra helyezkednek el. Brown-mozgalom. A gáz viszonylag könnyen összenyomható.
A folyadékban a molekulák közel vannak egymáshoz és együtt rezegnek. Szinte lehetetlen tömöríteni.
Szilárd testben a molekulák szigorú sorrendbe (kristályrácsokba) helyezkednek el, és nincs molekuláris mozgás. Nem lehet tömöríteni. - Az anyag szerkezete és a kémia kezdetei:
http://samlib.ru/a/anemow_e_m/aa0.shtml
(regisztráció és SMS-ek nélkül, kényelmes szöveges formátumban: használhatja a Ctrl+C-t) - Lehetetlen egyetérteni abban, hogy szilárd állapotban a molekulák nem mozognak.
Molekulák mozgása gázokban
A gázokban a molekulák és az atomok közötti távolság általában sokkal nagyobb, mint a molekulák mérete, és a vonzóerők nagyon kicsik. Ezért a gázoknak nincs saját alakjuk és állandó térfogatuk. A gázok könnyen összenyomhatók, mert a nagy távolságokon fellépő taszító erők is kicsik. A gázoknak az a tulajdonságuk, hogy korlátlanul tágulnak, kitöltve a számukra biztosított teljes térfogatot. A gázmolekulák nagyon nagy sebességgel mozognak, ütköznek egymással, és különböző irányokba verik vissza egymást. A molekuláknak az edény falára gyakorolt számos hatása gáznyomást hoz létre.
Molekulák mozgása folyadékokban
Folyadékokban a molekulák nemcsak egyensúlyi helyzet körül oszcillálnak, hanem egyik egyensúlyi helyzetből a másikba ugrálnak. Ezek az ugrások időszakosan előfordulnak. Az ilyen ugrások közötti időtartamot az ülő élet átlagos időtartamának (vagy átlagos relaxációs időnek) nevezzük, és ? betűvel jelöljük. Más szóval, a relaxációs idő egy adott egyensúlyi helyzet körüli rezgések ideje. Szobahőmérsékleten ez az idő átlagosan 10-11 s. Egy rezgés ideje 10-1210-13 s.
Az ülő élet ideje a hőmérséklet emelkedésével csökken. A folyadék molekulái közötti távolság kisebb, mint a molekulák mérete, a részecskék egymáshoz közel helyezkednek el, az intermolekuláris vonzás erős. A folyadékmolekulák elrendezése azonban nem szigorúan rendezett a térfogatban.
A folyadékok, mint a szilárd anyagok, megtartják térfogatukat, de nincs saját alakjuk. Ezért felveszik annak az edénynek az alakját, amelyben elhelyezkednek. A folyadéknak folyékonysági tulajdonsága van. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően a folyadék nem ellenáll az alakváltozásnak, enyhén összenyomódik, fizikai tulajdonságai a folyadékon belül minden irányban azonosak (folyadékok izotrópiája). A folyadékokban a molekuláris mozgás természetét először Jakov Iljics Frenkel szovjet fizikus állapította meg (1894, 1952).
Molekulák mozgása szilárd anyagokban
A szilárd anyagok molekulái és atomjai meghatározott sorrendben helyezkednek el, és kristályrácsot alkotnak. Az ilyen szilárd anyagokat kristályosnak nevezzük. Az atomok az egyensúlyi helyzet körül rezgésmozgásokat hajtanak végre, és a köztük lévő vonzás nagyon erős. Ezért a szilárd anyagok normál körülmények között megtartják térfogatukat és saját alakjukat.
- A gázneműben - véletlenszerűen mozognak, bekapcsolnak
Folyadékban - mozogjanak egymással összhangban
Szilárd anyagokban nem mozognak.
A molekulák nagyon kicsik, a közönséges molekulákat még a legerősebb optikai mikroszkóppal sem lehet látni - de a molekulák bizonyos paraméterei egészen pontosan kiszámíthatók (tömeg), és vannak, amelyek csak nagyon durván megbecsülhetők (méretek, sebesség), és ez is megtörténne. Jó lenne megérteni, hogy mekkora „méret” a molekulák”, és milyen „molekula sebességről” beszélünk. Tehát egy molekula tömege „egy mól tömege” / „a molekulák száma egy mólban” található. Például egy vízmolekulánál m = 0,018/6 · 1023 = 3 · 10-26 kg (pontosabban számolhat - Avogadro száma jó pontossággal ismert, és bármely molekula moláris tömege könnyen megtalálható).
Egy molekula méretének becslése azzal a kérdéssel kezdődik, hogy mi alkotja a méretét. Bárcsak egy tökéletesen csiszolt kocka lenne! Ez azonban sem nem kocka, sem nem labda, és általában nincsenek is egyértelműen meghatározott határai. Mi a teendő ilyen esetekben? Kezdjük távolról. Becsüljük meg egy sokkal ismerősebb tárgy – egy iskolás – méretét. Mindannyian láttunk iskolásokat, vegyük egy átlagos iskolás tömegét 60 kg-nak (majd meglátjuk, hogy ez a választás jelentősen befolyásolja-e az eredményt), egy iskolás sűrűsége megközelítőleg olyan, mint a vízé (ne feledjük hogy ha mély levegőt veszel, és utána szinte teljesen elmerülve „lóghatsz” a vízben, és ha kilélegzel, azonnal elkezdesz fulladni). Most megtalálja egy iskolás térfogatát: V = 60/1000 = 0,06 köbméter. méter. Ha most feltételezzük, hogy a tanuló kocka alakú, akkor a méretét a kötet kockagyökeként találjuk meg, azaz. körülbelül 0,4 m Így alakult a méret - kisebb, mint a magasság (a „magasság” méret), több, mint a vastagság (a „mélység” méret). Ha nem tudunk semmit az iskolás test alakjáról, akkor ennél a válasznál jobbat nem találunk (kocka helyett vehetnénk egy labdát, de a válasz nagyjából ugyanaz lenne, és az átmérőt számítva egy labda nehezebb, mint a kocka éle). De ha további információink vannak (például fényképek elemzéséből), akkor a válasz sokkal ésszerűbbé tehető. Legyen tudatában annak, hogy egy iskolás „szélessége” átlagosan négyszer kisebb, mint a magassága, a „mélysége” pedig háromszor kisebb. Ekkor Н*Н/4*Н/12 = V, tehát Н = 1,5 m (nincs értelme ilyen rosszul definiált érték pontosabb számítását végezni; ilyen „számításnál” a számológép képességeire hagyatkozni egyszerűen írástudatlan!). Teljesen ésszerű becslést kaptunk egy iskolás magasságára, ha körülbelül 100 kg-os tömeget veszünk (és vannak ilyen iskolások!), akkor körülbelül 1,7 - 1,8 m-t kapunk - ez is meglehetősen ésszerű.
Most becsüljük meg egy vízmolekula méretét. Keressük meg a molekulánkénti térfogatot „folyékony vízben” - ebben vannak a molekulák a legsűrűbben (közelebb nyomva egymáshoz, mint szilárd, „jeges” állapotban). Egy mól víz tömege 18 g, térfogata 18 köbméter. centiméter. Ekkor a molekulánkénti térfogat V= 18·10-6/6·1023 = 3·10-29 m3. Ha nincs információnk a vízmolekula alakjáról (vagy ha nem akarjuk figyelembe venni a molekulák összetett alakját), akkor a legegyszerűbb, ha kockának tekintjük, és pontosan úgy találjuk meg a méretet, ahogy az imént találtuk. egy köbös iskolás mérete: d= (V)1/3 = 3·10-10 m. Kiértékelheti a meglehetősen összetett molekulák alakjának a számítási eredményre gyakorolt hatását, például így: kiszámítja a benzinmolekulák méretét, a molekulákat kockaként számolva - majd végezzen kísérletet úgy, hogy megnézi a molekula területét. folt egy csepp benzinből a víz felszínén. Ha a filmet „egy molekula vastagságú folyadékfelületnek” tekintjük, és ismerjük a csepp tömegét, összehasonlíthatjuk a két módszerrel kapott méreteket. Az eredmény nagyon tanulságos lesz!
A felhasznált ötlet egy teljesen más számításra is alkalmas. Becsüljük meg a ritkított gáz szomszédos molekulái közötti átlagos távolságot egy adott esetben - nitrogén 1 atm nyomáson és 300 K hőmérsékleten. Ehhez keressük meg a molekulánkénti térfogatot ebben a gázban, és akkor minden egyszerű lesz. Tehát vegyünk egy mól nitrogént ilyen körülmények között, és keressük meg a feltételben jelzett rész térfogatát, majd osszuk el ezt a térfogatot a molekulák számával: V= R·T/P·NA= 8,3·300/105· 6·1023 = 4·10 -26 m3. Tegyük fel, hogy a térfogat sűrűn tömött köbös cellákra oszlik, és minden molekula „átlagosan” a sejtje közepén helyezkedik el. Ekkor a szomszédos (legközelebbi) molekulák közötti átlagos távolság megegyezik a köbös cella szélével: d = (V)1/3 = 3·10-9 m Látható, hogy a gáz ritkul - ilyen összefüggéssel a molekula mérete és a „szomszédok” közötti távolság között maguk a molekulák az edény térfogatának meglehetősen kicsi - körülbelül 1/1000 részét - foglalják el. Ebben az esetben is nagyon közelítően végeztük el a számítást - nincs értelme az olyan nem túl határozott mennyiségeket, mint a „szomszédos molekulák közötti átlagos távolság” pontosabban kiszámítani.
Gáztörvények és az IKT alapjai.
Ha a gáz kellően ritkított (és ez általános dolog; leggyakrabban ritkított gázokkal kell számolnunk), akkor szinte minden számítást a P nyomást, V térfogatot, ν gázmennyiséget és T hőmérsékletet összekötő képlet segítségével végezzük. a híres „ideális gáz egyenletállapota” P·V= ν·R·T. Meglehetősen egyszerű és érthető, hogyan lehet megtalálni egy ilyen mennyiséget, ha az összes többi megadva van. De a probléma úgy is megfogalmazható, hogy a kérdés valamilyen más mennyiségre vonatkozik - például egy gáz sűrűségére. Tehát a feladat: keresse meg a nitrogén sűrűségét 300 K hőmérsékleten és 0,2 atm nyomáson. Oldjuk meg. Az állapotból ítélve a gáz meglehetősen ritka (a 80%-ban nitrogénből álló és lényegesen nagyobb nyomású levegő ritkaságnak tekinthető, szabadon lélegezzük és könnyen áthaladunk rajta), és ha ez nem így lenne, akkor nincs semmilyen más képlet nem - ezt a kedvencet használjuk. A feltétel nem határozza meg a gázmennyiség mennyiségét, állítsuk be magunknak. Vegyünk 1 köbméter nitrogént, és keressük meg ebben a térfogatban a gáz mennyiségét. A nitrogén M = 0,028 kg/mol moláris tömegének ismeretében megkapjuk ennek a résznek a tömegét - és a probléma megoldódott. A gáz mennyisége ν= P·V/R·T, tömege m = ν·М = М·P·V/R·T, ezért sűrűség ρ= m/V = М·P/R·T = 0,028·20000/ ( 8,3·300) ≈ 0,2 kg/m3. Az általunk választott kötet nem szerepel a válaszban, a konkrétság miatt választottuk – így könnyebb okoskodni, mert nem feltétlenül veszi azonnal észre, hogy a térfogat bármi lehet, de a sűrűség ugyanaz. Azonban kitalálhatja, hogy "egy, mondjuk ötször nagyobb térfogatot veszünk, pontosan ötszörösére növeljük a gáz mennyiségét, ezért bármilyen térfogatot veszünk is, a sűrűség ugyanaz lesz." Egyszerűen átírhatja kedvenc képletét, behelyettesítve benne a gázmennyiség kifejezését a gáz egy részének tömegén és annak moláris tömegén: ν = m/M, ekkor azonnal kifejeződik az m/V = M P/R T arány. , és ez a sűrűség . Lehetett venni egy mól gázt és megkeresni az általa elfoglalt térfogatot, ami után azonnal meg lehet találni a sűrűséget, mert ismert a mól tömege. Általánosságban elmondható, hogy minél egyszerűbb a probléma, annál ekvivalensebb és szebb megoldási módok vannak...
Itt van egy másik probléma, ahol a kérdés váratlannak tűnhet: keresse meg a légnyomás különbségét 20 m magasságban és 50 m talajszint feletti magasságban. Hőmérséklet 00C, nyomás 1 atm. Megoldás: ha ilyen körülmények között megtaláljuk a ρ levegősűrűséget, akkor a ∆P = ρ·g·∆H nyomáskülönbség. A sűrűséget ugyanúgy megtaláljuk, mint az előző feladatnál, csak az a nehézség, hogy a levegő gázkeverék. Feltételezve, hogy 80% nitrogénből és 20% oxigénből áll, a keverék egy móljának tömegét kapjuk: m = 0,8 0,028 + 0,2 0,032 ≈ 0,029 kg. A mól által elfoglalt térfogat V= R·T/P, és a sűrűséget e két mennyiség arányaként kapjuk meg. Akkor minden világos, a válasz körülbelül 35 Pa lesz.
A gázsűrűséget akkor is ki kell számítani, ha például egy adott térfogatú ballon emelőerejét, a búvárhengerekben lévő levegő mennyiségét, amely egy bizonyos ideig víz alatti légzéshez szükséges, vagy a léggömbök számának kiszámításakor. adott mennyiségű higanygőz szállításához szükséges szamarak a sivatagon és sok más esetben.
De a feladat bonyolultabb: az asztalon zajosan forr egy elektromos vízforraló, fogyasztása 1000 W, hatásfok. fűtő 75% (a többi „megy” a környező térbe). Gőzsugár száll ki a kifolyóból - a „kifolyó” területe 1 cm2, becsülje meg a gáz sebességét ebben a sugárban. Vegye ki az összes szükséges adatot a táblázatokból.
Megoldás. Tegyük fel, hogy a vízforralóban a víz felett telített gőz képződik, majd +1000C-on telített vízgőz áramlik ki a kifolyóból. Az ilyen gőz nyomása 1 atm, könnyű megtalálni a sűrűségét. A párolgáshoz felhasznált teljesítmény Р= 0,75·Р0 = 750 W és a párolgási (párolgás) fajhője r = 2300 kJ/kg ismeretében megkapjuk a τ idő alatt képződött gőz tömegét: m= 0,75Р0·τ/r . Ismerjük a sűrűséget, akkor könnyű meghatározni ennek a gőzmennyiségnek a térfogatát. A többi már világos - képzeljük el ezt a térfogatot egy 1 cm2 keresztmetszeti területű oszlop formájában, ennek az oszlopnak a hossza osztva τ-val megadja az indulás sebességét (ez a hossz egy másodperc alatt felszáll ). Tehát a vízforraló kiöntőjét elhagyó sugár sebessége V = m/(ρ S τ) = 0,75 P0 τ/(r ρ S τ) = 0,75 P0 R T/(r P M ·S) = 750 · 8,3 · 373/(2,3·106·1·105·0,018·1·10-4) ≈ 5 m/s.
c) Zilberman A.R.
Vizsgáljuk meg, hogyan változik a köztük létrejövő kölcsönhatási erő vetülete a molekulák középpontját összekötő egyenesre a molekulák közötti távolság függvényében. Ha a molekulák méretüknél többszörösen nagyobb távolságra helyezkednek el, akkor a köztük lévő kölcsönhatási erőknek gyakorlatilag nincs hatása. A molekulák közötti kölcsönhatási erők rövid hatótávolságúak.
2-3 molekulaátmérőt meghaladó távolságoknál a taszítóerő gyakorlatilag nulla. Csak a vonzás ereje észlelhető. A távolság csökkenésével a vonzás ereje növekszik, és egyúttal a taszító ereje is hatni kezd. Ez az erő nagyon gyorsan növekszik, amikor a molekulák elektronhéjai kezdenek átfedni.
A 2.10. ábra grafikusan mutatja a vetítési függést F r a molekulák kölcsönhatási erői a központjaik távolságára. Távolról r 0, megközelítőleg egyenlő a molekulák sugarának összegével, F r = 0 , mivel a vonzási erő nagysága egyenlő a taszító erővel. Nál nél r > r 0 vonzó erő van a molekulák között. A jobb oldali molekulára ható erő vetülete negatív. Nál nél r < r 0 pozitív vetületi értékű taszító erő van F r .
A rugalmas erők eredete
A molekulák közötti kölcsönhatási erők függése a köztük lévő távolságtól magyarázza a rugalmas erő megjelenését a testek összenyomása és nyújtása során. Ha megpróbálja közelebb hozni a molekulákat egy r0-nál kisebb távolsághoz, akkor olyan erő kezd hatni, amely megakadályozza a megközelítést. Ellenkezőleg, amikor a molekulák eltávolodnak egymástól, vonzó erő hat, amely a külső hatás megszűnése után visszaállítja a molekulákat eredeti helyzetükbe.
A molekulák egyensúlyi helyzetből való kismértékű elmozdulása esetén a vonzási vagy taszító erők lineárisan nőnek az elmozdulás növekedésével. Kis területen a görbe egyenes szakasznak tekinthető (a görbe megvastagított szakasza a 2.10. ábrán). Éppen ezért kis alakváltozásoknál érvényesnek bizonyul a Hooke-törvény, amely szerint a rugalmas erő arányos az alakváltozással. Nagy molekulaeltolódások esetén a Hooke-törvény már nem érvényes.
Mivel a test deformációja során az összes molekula közötti távolság változik, a szomszédos molekularétegek a teljes deformáció jelentéktelen részét teszik ki. Ezért a Hooke-törvény a molekulák méreténél milliószor nagyobb alakváltozásoknál teljesül.
Atomerő mikroszkóp
Az atomerő-mikroszkóp (AFM) eszköze az atomok és molekulák közötti, kis távolságra lévő taszító erők hatásán alapul. Ez a mikroszkóp az alagútmikroszkóptól eltérően lehetővé teszi olyan felületek képét, amelyek nem vezetnek elektromos áramot. Volfrámcsúcs helyett az AFM egy kis gyémánttöredéket használ, amely atomméretűre van kihegyezve. Ez a töredék vékony fémtartóra van rögzítve. Ahogy a csúcs közeledik a vizsgált felülethez, a gyémánt és a felszíni atomok elektronfelhői kezdenek átfedni, és taszító erők lépnek fel. Ezek az erők eltérítik a gyémántcsúcs hegyét. Az eltérést a tartóra szerelt tükörről visszaverődő lézersugár segítségével rögzítik. A visszavert sugár egy piezoelektromos manipulátort hajt meg, hasonlóan egy alagútmikroszkóp manipulátorához. A visszacsatoló mechanizmus biztosítja, hogy a gyémánt tű magassága a felület felett olyan legyen, hogy a tartólemez hajlítása változatlan maradjon.
A 2.11. ábrán az alanin aminosav polimer láncainak AFM-képe látható. Minden tuberkululum egy aminosav molekulát képvisel.
Jelenleg atommikroszkópokat konstruáltak, amelyek tervezése az atom méreténél többszörös távolságra lévő molekuláris vonzási erők hatásán alapul. Ezek az erők körülbelül 1000-szer kisebbek, mint az AFM taszító erői. Ezért az erők rögzítésére bonyolultabb érzékelőrendszert alkalmaznak.
Az atomok és molekulák elektromosan töltött részecskékből állnak. Az elektromos erők rövid távolságokon történő hatása miatt a molekulák vonzzák, de taszítani kezdenek, amikor az atomok elektronhéjai átfedik egymást.
folyadékok, amorf és kristályos testek
gázok és folyadékok
gázok, folyadékok és kristályos szilárd anyagok
megközelítőleg megegyezik a molekula átmérőjével
kisebb, mint a molekula átmérője
körülbelül 10-szerese a molekula átmérőjének
a gáz hőmérsékletétől függ
folyadékok
kristályos testek
amorf testek
csak gázszerkezeti modellek
csak az amorf testek szerkezetének modelljei
gázok és folyadékok szerkezetének modelljei
gázok, folyadékok és szilárd anyagok szerkezetének modelljei
a molekulák közötti távolság nő
a molekulák vonzzák egymást
növekszik a molekulák elrendezésének rendezettsége
csökken a molekulák közötti távolság
nem változott
5-szörösére nőtt
5-szörösére csökkent
ötös gyökével növelve
A molekulák közötti távolság összemérhető a molekulák méretével (normál körülmények között)
Gázokban normál körülmények között a molekulák közötti átlagos távolság az
A részecskék elrendezésében a legkisebb sorrend jellemző
A szomszédos anyagrészecskék közötti távolság átlagosan sokszorosa a részecskék méretének. Ez az állítás megfelel a modellnek
A víz folyadékból kristályos állapotba való átmenete során
Állandó nyomáson a gázmolekulák koncentrációja 5-szörösére nőtt, de tömege nem változott. Gázmolekulák transzlációs mozgásának átlagos kinetikus energiája
A táblázat néhány anyag olvadáspontját és forráspontját mutatja:
anyag | Forráshőmérséklet | anyag | Olvadási hőmérséklet |
naftalin |
Válassza ki a helyes állítást.
A higany olvadáspontja magasabb, mint az éter forráspontja
Az alkohol forráspontja alacsonyabb, mint a higany olvadáspontja
Az alkohol forráspontja magasabb, mint a naftalin olvadáspontja
Az éter forráspontja alacsonyabb, mint a naftalin olvadáspontja
A szilárd anyag hőmérséklete 17 ºC-kal csökkent. Az abszolút hőmérsékleti skálán ez a változás volt
1) 290 K 2) 256 K 3) 17 K 4) 0 K
9. Egy állandó térfogatú edény ideális gázt tartalmaz 2 mol mennyiségben. Hogyan változtatható meg egy gázos edény abszolút hőmérséklete, ha 1 mol gáz szabadul fel az edényből úgy, hogy a gáz nyomása az edény falán kétszeresére nő?
1) 2-szeresére 3) 4-szeresére növelje
2) csökkenti 2-szer 4) csökkenti 4-szer
10. T hőmérsékleten és p nyomáson egy mól ideális gáz V térfogatot foglal el. Mekkora ugyanennek a gáznak a térfogata 2 mól mennyiségben 2p nyomáson és 2T hőmérsékleten?
1) 4V 2) 2V 3) V 4) 8V
11. Egy edényben 3 mol mennyiségben felvett hidrogén hőmérséklete egyenlő T-vel. Mennyi a 3 mol mennyiségben vett oxigén hőmérséklete azonos térfogatú és azonos nyomású edényben?
1) T 2) 8T 3) 24 T 4) T/8
12. Ideális gáz van egy dugattyúval zárt edényben. Az ábrán a gáznyomás hőmérséklettől való függésének grafikonja látható az állapotváltozással. Melyik gázállapot felel meg a legkisebb térfogatnak?
1) A 2) B 3) C 4) D
13. Egy állandó térfogatú edény ideális gázt tartalmaz, amelynek tömege változó. Az ábra a gáz állapotváltozásának folyamatát mutatja be. A diagram melyik pontján a legnagyobb a gáz tömege?
1) A 2) B 3) C 4) D
14. Ugyanazon hőmérsékleten a zárt edényben lévő telített gőz különbözik az ugyanabban az edényben lévő telítetlen gőztől
1) nyomás
2) a molekulák mozgási sebessége
3) a molekulák kaotikus mozgásának átlagos energiája
4) idegen gázok hiánya
15. A diagram melyik pontja felel meg a maximális gáznyomásnak?
lehetetlen pontos választ adni
17. A 2500 köbméter térfogatú, 400 kg héjtömegű ballon alján egy lyuk van, amelyen keresztül a léggömbben lévő levegőt egy égő melegíti fel. Mekkora minimum hőmérsékletre kell felmelegíteni a léggömbben lévő levegőt, hogy a léggömb 200 kg súlyú rakomány (kosár és repülő) együtt felszálljon? A környezeti levegő hőmérséklete 7ºС, sűrűsége 1,2 kg köbméterenként. A labda héját nyújthatatlannak tekintik.
MCT és termodinamika
MCT és termodinamika
Ebben a szakaszban minden opció öt feladatot tartalmazott választási lehetőséggel
választ, ebből 4 alapszintű és 1 felsőfokú. Vizsgaeredmények alapján
A következő tartalmi elemeket tanultuk meg:
A Mengyelejev–Clapeyron egyenlet alkalmazása;
A gáznyomás függése a molekulák koncentrációjától és a hőmérséklettől;
Hőmennyiség fűtés és hűtés közben (számítás);
A hőátadás jellemzői;
A levegő relatív páratartalma (számítás);
Termodinamikai munka (grafikon);
A gáz állapotegyenletének alkalmazása.
Az alapszintű feladatok közül a következő kérdések okoztak nehézséget:
1) A belső energia változása különböző izofolyamatokban (pl
izochorikus nyomásnövekedés) – 50%-os készültség.
2) Izoprocessz gráfok – 56%.
5. példa
A bemutatott folyamatban az ideális gáz állandó tömege vesz részt
a képen. A folyamat során a legmagasabb gáznyomás érhető el
1) az 1. pontban
2) a teljes szegmensben 1–2
3) a 3. pontban
4) a teljes szegmensben 2–3
Válasz: 1
3) A levegő páratartalmának meghatározása – 50%. Ezek a feladatok fényképet tartalmaztak
pszichométer, amely szerint száraz és nedves leolvasást kellett végezni
hőmérőket, majd az alkatrész segítségével határozza meg a levegő páratartalmát
a feladatban megadott pszichometriai táblázat.
4) A termodinamika első főtételének alkalmazása. Ezek a feladatok bizonyultak a legtöbbnek
nehéz ezen a szakaszon az alapszintű feladatok között – 45%. Itt
az izofolyamat típusának meghatározásához a gráfot kellett használni
(vagy izotermákat vagy izokorokat használtak), és ennek megfelelően
határozza meg az egyik paramétert az adott másik alapján.
Az emelt szintű feladatok közül számítási feladatok kerültek bemutatásra
gáz állapotegyenlet alkalmazása, amelyet átlagosan 54%-kal teljesítettek
tanulók, valamint a változások meghatározásához korábban használt feladatok
ideális gáz paraméterei tetszőleges folyamatban. Sikeresen bánik velük
csak az erős diplomások egy csoportja, és az átlagos befejezési arány 45% volt.
Az alábbiakban egy ilyen feladatot mutatunk be.
6. példa
Az ideális gáz egy dugattyúval lezárt edényben található. Folyamat
a gáz halmazállapotának változásait a diagram mutatja (lásd az ábrát). Hogyan
változott-e a gáz térfogata az A állapotból a B állapotba való átmenete során?
1) folyamatosan nőtt
2) folyamatosan csökkent
3) először nőtt, majd csökkent
4) először csökkent, majd nőtt
Válasz: 1
Tevékenységek típusai Mennyiség
feladatok %
fotók2 10-12 25,0-30,0
4. FIZIKA
4.1. Ellenőrző mérőanyagok jellemzői a fizikában
2007
Az egységes államvizsga vizsgamunkája 2007-ben volt
ugyanaz a szerkezet, mint az előző két évben. 40 feladatból állt,
megjelenési formája és összetettségi szintje különbözik egymástól. A mű első részében
30 feleletválasztós feladat került bele, ahol minden feladathoz mellékelt
négy válaszlehetőség, amelyek közül csak egy volt helyes. A második rész 4-et tartalmazott
rövid válaszfeladatok. Számítási feladatok voltak, megoldás után
amelyhez a választ szám formájában kellett megadni. A vizsga harmadik része
munka - ez 6 számítási feladat, amelyhez egy komplettet kellett hozni
részletes megoldás. A munka teljes befejezési ideje 210 perc volt.
Oktatási tartalmi elemek és specifikáció kodifikátora
vizsgadolgozatokat a Kötelező Minimum alapján állították össze
1999 No. 56), és figyelembe vette az állami szabvány szövetségi összetevőjét
középfokú (teljes) fizika szakirányú végzettség (HM rendelet 5
2004. március 1089. szám). A tartalmi elem kódolója nem változott a szerint
2006-hoz képest, és csak azokat az elemeket tartalmazta, amelyek egyszerre voltak
mindkettő jelen van az állami szabvány szövetségi összetevőjében
(profilszint, 2004), valamint a Kötelező minimális tartalomban
oktatás 1999
Opciókban a 2006-os kontroll mérőanyagokhoz képest
A 2007-es egységes államvizsgán két változás történt. Ezek közül az első az újraelosztás volt
feladatok a munka első részében tematikus alapon. Nem számít a nehézség
(alap vagy emelt szint), minden mechanikai feladat következett először, majd ezután
az MCT-ben és a termodinamikában, az elektrodinamikában és végül a kvantumfizikában. Második
A változás a feladattesztelés célzott bevezetését érintette
módszertani készségek kialakítása. 2007-ben A30-as feladatok tették próbára a képességeket
formában kifejezve elemezze a kísérleti vizsgálatok eredményeit
táblázatokat vagy grafikákat, valamint grafikonokat készíthet a kísérlet eredményei alapján. Kiválasztás
Az A30-as vonalra vonatkozó feladatokat az ebben való igazolási igény alapján végeztük el
lehetőségek sorozata egy-egy tevékenységtípusra és ennek megfelelően függetlenül attól
konkrét feladat tematikus hovatartozása.
A vizsgadolgozat alap, haladó feladatokat tartalmazott
és magas nehézségi szint. Az alapszintű feladatok tették próbára leginkább az elsajátítást
fontos fizikai fogalmak és törvények. A magasabb szintű feladatokat ellenőrizték
az a képesség, hogy ezeket a fogalmakat és törvényszerűségeket bonyolultabb folyamatok elemzésére, ill
egy vagy két törvény (képlet) alkalmazásával járó problémák megoldásának képessége bármelyik szerint
az iskolai fizika tanfolyam témái. A nagy bonyolultságú feladatokat kiszámítják
feladatok, amelyek tükrözik az egyetemi felvételi vizsgák követelményszintjét és
egyszerre igénylik a fizika két vagy három szakaszából származó ismeretek alkalmazását módosított ill
új helyzet.
A 2007-es KIM minden alapvető tartalommal kapcsolatos feladatokat tartalmazott
a fizika tantárgy részei:
1) „Mechanika” (kinematika, dinamika, statika, megmaradási törvények a mechanikában,
mechanikai rezgések és hullámok);
2) „Molekuláris fizika. Termodinamika";
3) „Elektrodinamika” (elektrosztatika, egyenáram, mágneses tér,
elektromágneses indukció, elektromágneses rezgések és hullámok, optika);
4) „Kvantumfizika” (az STR elemei, hullám-részecske kettősség, fizika
atom, az atommag fizikája).
A 4.1. táblázat bemutatja a feladatok megoszlását az egyes tartalomblokkok között
a vizsgadolgozat részeiből.
4.1. táblázat
a feladatok típusától függően
Minden munka
(választékkal
(röviden
feladatok % Mennyiség
feladatok % Mennyiség
feladatok %
1 Mechanika 11-131 27,5-32,5 9-10 22,5-25,0 1 2,5 1-2 2,5-5,0
2 MCT és termodinamika 8-10 20,0-25,0 6-7 15,0-17,5 1 2,5 1-2 2,5-5,0
3 Elektrodinamika 12-14 30,0-35,5 9-10 22,5-15,0 2 5,0 2-3 5,0-7,5
4 Kvantumfizika és
STO 6-8 15,0-20,0 5-6 12,5-15,0 – – 1-2 2,5-5,0
A 4.2. táblázat a feladatok tartalomblokkok közötti megoszlását mutatja be
nehézségi szinttől függően.
asztal4.2
A feladatok megoszlása a fizika tantárgy szekciói szerint
nehézségi szinttől függően
Minden munka
Alapszintű
(választékkal
Emelkedett
(válaszválasztással
és rövid
Magas szint
(kibővített
Válasz rész)
feladatok % Mennyiség
feladatok % Mennyiség
feladatok % Mennyiség
feladatok %
1 Mechanika 11-13 27,5-32,5 7-8 17,5-20,0 3 7,5 1-2 2,5-5,0
2 MCT és termodinamika 8-10 20,0-25,0 5-6 12,5-15,0 2 5,0 1-2 2,5-5,0
3 Elektrodinamika 12-14 30,0-35,5 7-8 17,5-20,0 4 10,0 2-3 5,0-7,5
4 Kvantumfizika és
STO 6-8 15,0-20,0 4-5 10,0-12,5 1 2,5 1-2 2,5-5,0
A vizsgadolgozat tartalmának kialakításánál figyelembe vettük
a különféle típusú tevékenységek elsajátításának tesztelésének szükségessége. Ahol
Az egyes opciósorozatokhoz tartozó feladatokat a típus szerinti megoszlás figyelembevételével választottuk ki
a 4.3. táblázatban bemutatott tevékenységek.
1 Az egyes témakörök feladatszámának változása a komplex feladatok eltérő témaköréből adódik C6 ill
feladatok A30, módszertani készségek tesztelése a fizika különböző ágaiból származó anyag alapján, in
különféle lehetőségek sorozata.
asztal4.3
A feladatok tevékenységtípus szerinti megoszlása
Tevékenységek típusai Mennyiség
feladatok %
1 Ismerje meg a modellek, fogalmak, mennyiségek fizikai jelentését 4-5 10,0-12,5
2 Magyarázza el a fizikai jelenségeket, különböztesse meg a hatását
a jelenségek előfordulására vonatkozó tényezők, a jelenségek megnyilvánulása a természetben ill
felhasználásuk a műszaki eszközökben és a mindennapi életben
3 Alkalmazza a fizika törvényeit (képleteket) a folyamatok elemzéséhez
minőségi szint 6-8 15,0-20,0
4 Alkalmazza a fizika törvényeit (képleteket) a folyamatok elemzéséhez
számított szint 10-12 25,0-30,0
5 Kísérleti vizsgálatok eredményeinek elemzése 1-2 2,5-5,0
6 Grafikonokból, táblázatokból, diagramokból nyert információk elemzése,
fotók2 10-12 25,0-30,0
7 Különféle bonyolultságú feladatok megoldása 13-14 32,5-35,0
A vizsgamunka első és második részének minden feladatát 1-re értékelték
elsődleges pontszám. A harmadik részben (C1-C6) szereplő problémák megoldásait két szakértő ellenőrizte ben
általános értékelési szempontoknak megfelelően, figyelembe véve a helyesség ill
a válasz teljessége. A részletes válaszú feladatok maximális pontszáma 3 volt
pontokat. A feladat akkor tekinthető megoldottnak, ha a tanuló érte legalább 2 pontot.
Az összes vizsgafeladat elvégzéséért kapott pontok alapján
munka, 100 pontos skálán „teszt” pontokra és osztályzatokra fordították
ötfokú skálán. A 4.4. táblázat az elsődleges,
teszteredményeket ötpontos rendszerrel az elmúlt három évben.
asztal4.4
Elsődleges pontszámarány, teszteredmények és iskolai osztályzatok
Évek, 2 3 4 5 pont
2007 elsődleges 0-11 12-22 23-35 36-52
teszt 0-32 33-51 52-68 69-100
2006 elsődleges 0-9 10-19 20-33 34-52
teszt 0-34 35-51 52-69 70-100
2005 elsődleges 0-10 11-20 21-35 36-52
teszt 0-33 34-50 51-67 68-100
Az elsődleges pontszámok határainak összehasonlítása azt mutatja, hogy idén a feltételek
a megfelelő pontszámok megszerzése szigorúbb volt 2006-hoz képest, de
megközelítőleg megfelelt a 2005. évi feltételeknek. Ez annak volt köszönhető, hogy a múltban
évben az egységes fizikából nem csak az egyetemi felvételt tervezők tettek le
az érintett profilban, de a hallgatók közel 20%-a is (az összes vizsgázó számának),
akik alapfokon tanultak fizikát (számukra ez a vizsga döntött
régió kötelező).
Összesen 40 választási lehetőség készült a vizsgára 2007-ben,
amelyek öt, 8 opcióból álló sorozatból álltak, amelyeket különböző tervek szerint hoztak létre.
A lehetőségek sorozata ellenőrzött tartalmi elemekben és típusokban különbözött
ugyanarra a feladatsorra vonatkozó tevékenységeket, de általában mindegyiknek kb
2 Jelen esetben a feladat szövegében megjelenő információformát vagy zavaró tényezőket értjük,
ezért ugyanaz a feladat kétféle tevékenységet is tesztelhet.
azonos átlagos nehézségi szinttel és megfelelt a vizsgatervnek
mellékletben megadott munka 4.1.
4.2. Egységes fizika államvizsga jellemzői2007 az év ... ja
Az egységes fizika államvizsga résztvevőinek száma idén 70 052 fő volt, amely
lényegesen alacsonyabb, mint az előző évben, és megközelítőleg megfelel a mutatóknak
2005 (lásd a 4.5. táblázatot). Azon régiók száma, ahol a végzettek egységes államvizsgát tettek
fizika, 65-re nőtt. A formátumban fizikát választó végzettek száma
Az egységes államvizsga régiónként jelentősen eltér: 5316 főtől. a Köztársaságban
Tatár 51 főig a nyenyec autonóm körzetben. Százalékosan
a végzõsök összlétszámáig az egységes fizika államvizsgán résztvevõk száma között mozog.
0,34%-ról Moszkvában 19,1%-ra a szamarai régióban.
asztal4.5
Vizsga résztvevőinek száma
évszám lányok fiúk
régiók
résztvevők száma % szám %
2005 54 68 916 18 006 26,1 50 910 73,9
2006 61 90 3893 29 266 32,4 61 123 67,6
2007 65 70 052 17 076 24,4 52 976 75,6
A fizikavizsgát túlnyomórészt fiatal férfiak választják, és csak a negyedét
a résztvevők teljes számából lányok, akik a folytatást választották
fizikai és műszaki profilú oktatási egyetemek.
A vizsgázók kategóriák szerinti megoszlása évről évre gyakorlatilag változatlan.
településtípusok (lásd 4.6. táblázat). A végzettek majdnem fele
Egységes államvizsga fizikából, nagyvárosokban él, és csak 20%-a végzett
vidéki iskolák.
asztal4.6
A vizsgán résztvevők megoszlása településtípusonként, amiben
oktatási intézményeik találhatók
A vizsgázók száma Százalék
A vizsgázók helyének típusa
Vidéki település (falu,
falu, tanya stb.) 13 767 18 107 14 281 20,0 20,0 20,4
Városi település
(dolgozó falu, városi falu
típus stb.)
4 780 8 325 4 805 6,9 9,2 6,9
50 ezer fő alatti lakosú város 7 427 10 810 7 965 10,8 12,0 11,4
50-100 ezer lakosú város 6 063 8 757 7 088 8,8 9,7 10,1
100-450 ezer lakosú város 16 195 17 673 14 630 23,5 19,5 20,9
450-680 ezer lakosú város 7 679 11 799 7 210 11,1 13,1 10,3
Több mint 680 ezer lakosú város.
fő 13 005 14 283 13 807 18,9 15,8 19,7
Szentpétervár – 72 7 – 0,1 0,01
Moszkva – 224 259 – 0,2 0,3
Nincs adat – 339 – – 0,4 –
Összesen 68 916 90 389 70 052 100% 100% 100%
3 2006-ban az egyik régióban fizikából egyetemi felvételi vizsgát csak
Egységes államvizsga formátum. Ez az egységes államvizsgán résztvevők számának jelentős növekedését eredményezte.
A vizsgázók képzési típusok szerinti összetétele gyakorlatilag változatlan.
intézmények (lásd a 4.7. táblázatot). A tavalyi évhez hasonlóan a túlnyomó többség
a teszteltek általános oktatási intézményben végzett, és csak mintegy 2%-a
érettségizők az általános, ill
középfokú szakképzés.
asztal4.7
A vizsgán résztvevők megoszlása oktatási intézménytípusok szerint
Szám
vizsgázók
Százalék
A vizsgázók oktatási intézményének típusa
2006 G. 2007 G. 2006 G. 2007 G.
Általános oktatási intézmények 86 331 66 849 95,5 95,4
Esti (műszakos) általános oktatás
intézmények 487 369 0,5 0,5
Általános oktatási bentlakásos iskola,
kadét iskola, bentlakásos iskola
kezdeti repülési képzés
1 144 1 369 1,3 2,0
Oktatási intézmények alapfokú és
középfokú szakképzés 1 469 1 333 1,7 1,9
Nincs adat 958 132 1,0 0,2
Összesen: 90 389 70 052 100% 100%
4.3. A fizika vizsgadolgozat főbb eredményei
Általánosságban elmondható, hogy a 2007-es vizsgálati munka eredménye az volt
valamivel magasabb a tavalyi eredménynél, de megközelítőleg azon a szinten
mutatók tavalyelőtt. A 4.8. táblázat az Egységes Fizika Állami Vizsga 2007. évi eredményeit mutatja.
ötfokú skálán, valamint a 4.9. 4,1 – 100-as teszteredmények alapján
pont skála. Az összehasonlítás érthetősége érdekében az eredményeket összehasonlítva mutatjuk be
az előző két évben.
asztal4.8
A vizsgán résztvevők szint szerinti megoszlása
készítmény(százalékos arányban)
Évek „2” „p3o” 5 pont „b4n” az „5” skálán
2005 10,5% 40,7% 38,1% 10,7%
2006 16,0% 41,4% 31,1% 11,5%
2007 12,3% 43,2% 32,5% 12,0%
asztal4.9
A vizsgán résztvevők megoszlása
évben szerzett teszteredmények alapján2005-2007 yy.
Év Teszt pontszám skála intervallum
csere 0-10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80 81-90 91-100
2005 0,09% 0,57% 6,69% 19,62% 24,27% 24,44% 16,45% 6,34% 1,03% 0,50% 68 916
2006 0,10% 0,19% 6,91% 23,65% 23,28% 19,98% 15,74% 7,21% 2,26% 0,68% 90 389
2007 0,07% 1,09% 7,80% 19,13% 27,44% 20,60% 14,82% 6,76% 1,74% 0,55% 70 052
0-10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80 81-90 91-100
Teszt eredmény
A kapott tanulók százalékos aránya
megfelelő tesztpontszám
Rizs. 4.1 A vizsgán résztvevők megoszlása a kapott teszteredmények szerint
A 4.10. táblázat a 100 tesztponton belüli skála összehasonlítását mutatja
skála az alapfokú vizsgaváltozat feladatainak elvégzésének eredményeivel
asztal4.10
Az elsődleges és a teszteredmények intervallumainak összehasonlítása2007 év
Skála intervallum
vizsgálati pontok 0-10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80 81-90 91-100
Skála intervallum
elsődleges pontok 0-3 4-6 7-10 11-15 16-22 23-29 30-37 38-44 45-48 49-52
35 pontot (pontszám 3, elsődleges pontszám – 13) kap a tesztfelvevő
Elég volt az első rész 13 legegyszerűbb kérdésére helyesen válaszolni
munka. A 65 pont (4. pontszám, kezdeti pontszám – 34) eléréséhez egy végzettnek kell
volt például helyesen válaszolni 25 feleletválasztós kérdésre, négyből hármat megoldani
problémákat rövid válaszokkal, és megbirkózni két magas szintű problémával is
nehézségek. Akik 85 pontot kaptak (5 pont, elsődleges pontszám 46)
a munka első és második részét tökéletesen teljesítette, és legalább négy feladatot megoldott
harmadik rész.
A legjobbak legjobbjainak (91 és 100 pont közötti tartomány) nemcsak
szabadon eligazodhat az iskolai fizika tanfolyam minden kérdésében, de gyakorlatilag is
Még a technikai hibákat is kerülje. Tehát 94 pont megszerzéséhez (elsődleges pontszám
– 49) csak 3 elsődleges pontot lehetett „nem kapni”, lehetővé téve pl.
aritmetikai hibák valamelyik nagy bonyolultságú feladat megoldása során
és hibázzon bármelyik két feleletválasztós kérdés megválaszolásakor.
Sajnos idén nem nőtt a végzettek száma
Az egységes fizika államvizsga eredménye szerint a lehető legmagasabb pontszámot. A 4.11
Meg van adva az elmúlt négy év 100 pontjainak száma.
asztal4.11
A vizsgázók száma, aki a vizsgaeredmények szerint pontozott100 pontokat
2004 2005 2006 2007
Diáklétszám 6 23 33 28 fő
Az idei év vezetői 27 fiú és csak egy lány (Romanova A.I. from
Novovoronyezsi 1. számú középiskola). A tavalyi évhez hasonlóan a 153. számú Líceum végzősei között
Ufa - egyszerre két diák, aki 100 pontot szerzett. Ugyanazok az eredmények (két 100-
A róluk elnevezett 4. számú gimnázium is pontszámot ért el. MINT. Puskin Joskar-Olában.
A szilárd anyagok azok az anyagok, amelyek képesek testet alkotni és térfogatuk van. Alakjukban különböznek a folyadékoktól és gázoktól. A szilárd anyagok megtartják testformájukat, mivel részecskéik nem tudnak szabadon mozogni. Sűrűségükben, plaszticitásukban, elektromos vezetőképességükben és színükben különböznek egymástól. Más tulajdonságokkal is rendelkeznek. Például ezeknek az anyagoknak a többsége hevítés közben megolvad, és folyékony halmazállapotú aggregációt vesz fel. Egy részük hevítéskor azonnal gázzá (szublimáttá) alakul. De vannak olyanok is, amelyek más anyagokra bomlanak le.
A szilárd anyagok fajtái
Minden szilárd anyagot két csoportra osztanak.
- Amorf, amelyben az egyes részecskék véletlenszerűen vannak elrendezve. Más szóval: nincs világos (definiált) szerkezetük. Ezek a szilárd anyagok bizonyos hőmérsékleti tartományon belül képesek megolvadni. Ezek közül a leggyakoribb az üveg és a gyanta.
- Kristályos, amelyek viszont 4 típusra oszlanak: atomi, molekuláris, ionos, fémes. Bennük a részecskék csak egy bizonyos minta szerint helyezkednek el, mégpedig a kristályrács csomópontjainál. Geometriája különböző anyagokban nagyon eltérő lehet.
A szilárd kristályos anyagok számukat tekintve túlsúlyban vannak az amorf anyagokkal szemben.
A kristályos szilárd anyagok típusai
Szilárd állapotban szinte minden anyag kristályos szerkezetű. Különböző részecskéket és kémiai elemeket tartalmazó csomópontjukban található rácsok különböztetik meg őket. Velük összhangban kapták a nevüket. Mindegyik típusnak sajátosságai vannak:
- Az atomi kristályrácsban a szilárd test részecskéi kovalens kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. Tartóssága jellemzi. Emiatt az ilyen anyagok magas forrásponttal rendelkeznek. Ez a típus magában foglalja a kvarcot és a gyémántot.
- A molekuláris kristályrácsban a részecskék közötti kötéseket gyengeségük jellemzi. Az ilyen típusú anyagokat a könnyű forrás és olvadás jellemzi. Az illékonyság jellemzi őket, aminek köszönhetően bizonyos szagúak. Ilyen szilárd anyagok a jég és a cukor. A molekulák mozgását az ilyen típusú szilárd anyagokban aktivitásuk különbözteti meg.
- A megfelelő pozitív és negatív töltésű részecskék váltakoznak a csomópontokban. Elektrosztatikus vonzás tartja össze őket. Ez a fajta rács létezik lúgokban, sókban. Sok ilyen típusú anyag könnyen oldódik vízben. Az ionok közötti meglehetősen erős kötés miatt tűzállóak. Szinte mindegyik szagtalan, mivel nem illékonyság jellemzi őket. Az ionrácsos anyagok nem képesek elektromos áramot vezetni, mert nem tartalmaznak szabad elektronokat. Az ionos szilárd anyag tipikus példája az asztali só. Ez a kristályrács törékenységet ad neki. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy ennek bármilyen elmozdulása iontaszító erők kialakulásához vezethet.
- A fémkristályrácsban csak pozitív töltésű kémiai ionok vannak jelen a csomópontokban. Közöttük szabad elektronok vannak, amelyeken a hő- és elektromos energia tökéletesen áthalad. Ezért minden fém megkülönböztethető olyan tulajdonsággal, mint a vezetőképesség.
Általános fogalmak a szilárd anyagokról
A szilárd anyagok és az anyagok gyakorlatilag ugyanazok. Ezek a kifejezések a 4 összesítési állapot egyikére vonatkoznak. A szilárd anyagok stabil alakkal és az atomok hőmozgási mintájával rendelkeznek. Sőt, az utóbbiak kis oszcillációkat hajtanak végre az egyensúlyi helyzetek közelében. Az összetételt és a belső szerkezetet vizsgáló tudományágat szilárdtestfizikának nevezik. Vannak más fontos ismeretek is az ilyen anyagokkal kapcsolatban. A külső hatások és mozgások hatására változó alakváltozást a deformálható test mechanikájának nevezzük.
A szilárd anyagok eltérő tulajdonságainak köszönhetően az ember által létrehozott különféle technikai eszközökben alkalmazták őket. Leggyakrabban olyan tulajdonságokon alapultak, mint a keménység, térfogat, tömeg, rugalmasság, plaszticitás és törékenység. A modern tudomány lehetővé teszi más minőségű szilárd anyagok felhasználását, amelyek csak laboratóriumi körülmények között mutathatók ki.
Mik azok a kristályok
A kristályok szilárd anyagok, amelyek részecskéi bizonyos sorrendben vannak elrendezve. Mindegyiknek megvan a maga szerkezete. Atomjai háromdimenziós periodikus elrendezést alkotnak, amelyet kristályrácsnak neveznek. A szilárd testek szerkezeti szimmetriája eltérő. A szilárd anyag kristályos állapotát stabilnak tekintjük, mivel minimális potenciális energiával rendelkezik.
A szilárd anyagok túlnyomó többsége hatalmas számú véletlenszerűen orientált egyedi szemcsékből (kristályok) áll. Az ilyen anyagokat polikristályosnak nevezik. Ide tartoznak a műszaki ötvözetek és fémek, valamint számos kőzet. Az egyedi természetes vagy szintetikus kristályokat monokristályosnak nevezzük.
Az ilyen szilárd anyagok leggyakrabban a folyékony fázis állapotából képződnek, amelyet olvadék vagy oldat képvisel. Néha gáz halmazállapotból nyerik. Ezt a folyamatot kristályosodásnak nevezik. A tudományos és technológiai fejlődésnek köszönhetően a különféle anyagok termesztésének (szintetizálásának) eljárása ipari méreteket öltött. A legtöbb kristálynak természetes alakja van, mint például a méretük nagyon eltérő. Így a természetes kvarc (kőzetkristály) akár több száz kilogrammot is nyomhat, a gyémántok pedig akár több grammot is.
Az amorf szilárd anyagokban az atomok állandó rezgésben vannak a véletlenszerűen elhelyezkedő pontok körül. Megtartanak egy bizonyos rövid távú sorrendet, de hiányzik a hosszú távú sorrend. Ez annak köszönhető, hogy molekuláik méretükhöz mérhető távolságra helyezkednek el. Az ilyen szilárd anyagra a leggyakoribb példa életünkben az üveges állapot. gyakran végtelenül magas viszkozitású folyadéknak tekintik. Kristályosodásuk ideje néha olyan hosszú, hogy egyáltalán nem jelenik meg.
Ezeknek az anyagoknak a fenti tulajdonságai teszik egyedivé őket. Az amorf szilárd anyagokat instabilnak tekintik, mert idővel kristályosodhatnak.
A szilárd anyagot alkotó molekulák és atomok nagy sűrűségűek. Gyakorlatilag megtartják relatív helyzetüket más részecskékkel szemben, és az intermolekuláris kölcsönhatás miatt tartják össze őket. A szilárd anyag különböző irányú molekulái közötti távolságot kristályrács paraméternek nevezzük. Az anyag szerkezete és szimmetriája számos tulajdonságot meghatároz, például az elektronikus sávot, a hasítást és az optikát. Ha egy szilárd anyagot kellően nagy erőhatásnak tesznek ki, ezek a tulajdonságok valamilyen mértékben ronthatnak. Ebben az esetben a szilárd test visszamaradt deformációnak van kitéve.
A szilárd testek atomjai oszcilláló mozgásokat végeznek, amelyek meghatározzák a hőenergia birtoklását. Mivel elhanyagolhatóak, csak laboratóriumi körülmények között figyelhetők meg. szilárd anyag tulajdonságai nagymértékben befolyásolják.
Szilárd anyagok tanulmányozása
Ezen anyagok tulajdonságait, tulajdonságait, tulajdonságaikat és a részecskék mozgását a szilárdtestfizika különböző részterületein tanulmányozzák.
A kutatáshoz a következő módszereket alkalmazzuk: rádióspektroszkópia, röntgensugaras szerkezeti elemzés és egyéb módszerek. Így vizsgálják a szilárd anyagok mechanikai, fizikai és termikus tulajdonságait. A keménységet, a terhelésállóságot, a szakítószilárdságot, a fázisátalakításokat az anyagtudomány vizsgálja. Sok közös van benne a szilárdtestfizikával. Van egy másik fontos modern tudomány is. A meglévő anyagok vizsgálatát és újak szintézisét szilárdtest-kémia végzi.
A szilárd anyagok jellemzői
A szilárd anyag atomjai külső elektronjainak mozgásának természete meghatározza annak számos tulajdonságát, például az elektromosakat. Az ilyen testeknek 5 osztálya van. Az atomok közötti kötés típusától függően jönnek létre:
- Ionos, melynek fő jellemzője az elektrosztatikus vonzás ereje. Jellemzői: a fény visszaverődése és elnyelése az infravörös tartományban. Alacsony hőmérsékleten az ionos kötések elektromos vezetőképessége alacsony. Ilyen anyag például a sósav nátriumsója (NaCl).
- Kovalens, amelyet egy elektronpár hajt végre, amely mindkét atomhoz tartozik. Az ilyen kötés a következőkre oszlik: egyszeres (egyszerű), kettős és hármas. Ezek az elnevezések elektronpárok jelenlétét jelzik (1, 2, 3). A kettős és hármas kötéseket többszörösnek nevezzük. Ennek a csoportnak van egy másik felosztása is. Így az elektronsűrűség eloszlásától függően poláris és nem poláris kötéseket különböztetünk meg. Az elsőt különböző atomok, a másodikat azonosak alkotják. Ez a szilárd halmazállapotú anyag, amelyre példa a gyémánt (C) és a szilícium (Si), a sűrűségével tűnik ki. A legkeményebb kristályok pontosan a kovalens kötéshez tartoznak.
- Fémes, az atomok vegyértékelektronjainak kombinálásával keletkezik. Ennek eredményeként megjelenik egy általános elektronfelhő, amely az elektromos feszültség hatására eltolódik. Fémes kötés akkor jön létre, ha a kötött atomok nagyok. Ők azok, akik elektronokat tudnak adni. Sok fémben és összetett vegyületben ez a kötés szilárd halmazállapotot képez. Példák: nátrium, bárium, alumínium, réz, arany. A következő nemfémes vegyületek figyelhetők meg: AlCr 2, Ca 2 Cu, Cu 5 Zn 8. A fémes kötésekkel (fémekkel) rendelkező anyagok eltérő fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Lehetnek folyékonyak (Hg), lágyak (Na, K), nagyon kemények (W, Nb).
- Molekuláris, olyan kristályokban fordul elő, amelyeket egy anyag egyedi molekulái alkotnak. A nulla elektronsűrűségű molekulák közötti hézagok jellemzik. Jelentősek azok az erők, amelyek az atomokat összekötik az ilyen kristályokban. Ebben az esetben a molekulákat csak a gyenge intermolekuláris vonzás vonzza egymáshoz. Ezért a köztük lévő kötések melegítés hatására könnyen tönkremennek. Az atomok közötti kapcsolatokat sokkal nehezebb megbontani. A molekuláris kötés orientációs, diszperzív és induktív kötésekre osztható. Ilyen anyag például a szilárd metán.
- Hidrogén, amely egy molekula vagy annak egy része pozitívan polarizált atomjai és egy másik molekula vagy egy része negatívan polarizált legkisebb részecskéje között fordul elő. Ilyen kapcsolatok közé tartozik a jég.
A szilárd anyagok tulajdonságai
Mit tudunk ma? A tudósok régóta tanulmányozták a szilárd halmazállapotú anyagok tulajdonságait. Ha hőmérsékletnek van kitéve, az is megváltozik. Egy ilyen test folyadékká való átalakulását olvadásnak nevezzük. A szilárd anyag gáz halmazállapotúvá történő átalakulását szublimációnak nevezzük. A hőmérséklet csökkenésével a szilárd anyag kikristályosodik. Egyes anyagok a hideg hatására amorf fázisba kerülnek. A tudósok ezt a folyamatot üvegesedésnek nevezik.
Amikor a szilárd testek belső szerkezete megváltozik. A hőmérséklet csökkenésével nyeri el a legnagyobb rendet. T > 0 K légköri nyomáson és hőmérsékleten a természetben előforduló anyagok megszilárdulnak. Ez alól csak a hélium kivétel, amelynek kristályosodásához 24 atm nyomásra van szükség.
Az anyag szilárd halmazállapota különféle fizikai tulajdonságokat ad neki. Jellemzik a testek sajátos viselkedését bizonyos mezők és erők hatására. Ezeket a tulajdonságokat csoportokra osztják. 3 hatásmód létezik, amelyek 3 energiatípusnak felelnek meg (mechanikus, termikus, elektromágneses). Ennek megfelelően a szilárd anyagok fizikai tulajdonságainak 3 csoportja van:
- A testek igénybevételével és deformációjával kapcsolatos mechanikai tulajdonságok. E kritériumok szerint a szilárd anyagokat rugalmas, reológiai, szilárdsági és technológiai csoportokra osztják. Nyugalomban egy ilyen test megtartja alakját, de külső erő hatására megváltozhat. Ebben az esetben deformációja lehet plasztikus (az eredeti forma nem tér vissza), rugalmas (visszaáll eredeti alakjába) vagy destruktív (a szétesés/törés egy bizonyos küszöb elérésekor következik be). Az alkalmazott erőre adott választ rugalmassági modulusok írják le. A szilárd test nem csak a nyomásnak és feszültségnek, hanem a nyírásnak, csavarásnak és hajlításnak is ellenáll. A szilárd anyag ereje abban rejlik, hogy ellenáll a pusztulásnak.
- Termikus, termikus mezőknek kitéve nyilvánul meg. Az egyik legfontosabb tulajdonság az olvadáspont, amelynél a test folyékony halmazállapotúvá válik. Kristályos szilárd anyagokban figyelhető meg. Az amorf testek látens olvadási hővel rendelkeznek, mivel folyékony halmazállapotba való átmenetük a hőmérséklet emelkedésével fokozatosan megy végbe. Egy bizonyos hő elérésekor az amorf test elveszti rugalmasságát és plaszticitást nyer. Ez az állapot azt jelenti, hogy elérte az üvegesedési hőmérsékletet. Melegítéskor a szilárd test deformálódik. Sőt, leggyakrabban kitágul. Mennyiségileg ezt az állapotot egy bizonyos együttható jellemzi. A testhőmérséklet befolyásolja a mechanikai jellemzőket, például a folyékonyságot, a hajlékonyságot, a keménységet és a szilárdságot.
- Elektromágneses, amely a mikrorészecskék áramlásának és a nagy merevségű elektromágneses hullámoknak a szilárd anyagra gyakorolt hatásához kapcsolódik. Ide tartoznak a sugárzási tulajdonságok is.
Zóna szerkezet
A szilárd anyagokat az úgynevezett zónaszerkezetük szerint is osztályozzák. Tehát ezek között vannak:
- A vezetőkre jellemző, hogy vezetési és vegyértéksávjaik átfedik egymást. Ebben az esetben az elektronok mozoghatnak közöttük, megkapva a legkisebb energiát. Minden fém vezetőnek számít. Amikor egy ilyen testre potenciálkülönbséget alkalmazunk, elektromos áram keletkezik (az elektronok szabad mozgása miatt a legalacsonyabb és legmagasabb potenciállal rendelkező pontok között).
- Dielektrikumok, amelyek zónái nem fedik át egymást. A köztük lévő intervallum meghaladja a 4 eV-ot. Ahhoz, hogy az elektronokat a vegyértéksávból a vezetési sávba vezessék, nagy mennyiségű energiára van szükség. Ezen tulajdonságok miatt a dielektrikumok gyakorlatilag nem vezetnek áramot.
- A vezetési és vegyértéksávok hiányával jellemezhető félvezetők. A köztük lévő intervallum kisebb, mint 4 eV. Az elektronok vegyértéksávból a vezetési sávba való átviteléhez kevesebb energia szükséges, mint a dielektrikumokhoz. A tiszta (adalékolatlan és belső) félvezetők nem engedik át jól az áramot.
A molekulák szilárd anyagokban való mozgása határozza meg elektromágneses tulajdonságaikat.
Egyéb tulajdonságok
A szilárd anyagokat mágneses tulajdonságaik szerint is osztályozzák. Három csoport van:
- Diamágnesek, amelyek tulajdonságai kevéssé függenek a hőmérséklettől vagy az aggregáció állapotától.
- Paramágnesek, amelyek a vezetési elektronok orientációjának és az atomok mágneses momentumainak a következményei. Curie törvénye szerint érzékenységük a hőmérséklettel arányosan csökken. Tehát 300 K-en 10 -5.
- Rendezett mágneses szerkezetű, nagy hatótávolságú atomi renddel rendelkező testek. A mágneses momentumokkal rendelkező részecskék periodikusan a rácsuk csomópontjainál helyezkednek el. Az ilyen szilárd anyagokat és anyagokat gyakran használják az emberi tevékenység különböző területein.
A természet legkeményebb anyagai
Kik ők? A szilárd anyagok sűrűsége nagymértékben meghatározza azok keménységét. Az elmúlt években a tudósok számos olyan anyagot fedeztek fel, amelyek a „legerősebb testnek” tartják magukat. A legkeményebb anyag a fullerit (fullerénmolekulákkal rendelkező kristály), amely körülbelül másfélszer keményebb, mint a gyémánt. Sajnos jelenleg csak rendkívül kis mennyiségben kapható.
Ma a legkeményebb anyag, amelyet a jövőben az iparban felhasználhatnak, a lonsdaleit (hatszögletű gyémánt). 58%-kal keményebb, mint a gyémánt. A lonsdaleite a szén allotróp módosulata. Kristályrácsa nagyon hasonló a gyémántéhoz. A lonsdaleite sejtje 4 atomot, a gyémánt pedig 8 atomot tartalmaz. A ma széles körben használt kristályok közül a gyémánt a legkeményebb.
