1. Jak zbudowane są gazy?
Drobiny gazów są w ciągłym, chaotycznym ruchu. Poruszają się one z ogromną szybkością, na drodze między kolejnymi zderzeniami ze sobą. Między drobinami gazów są bowiem, w porównaniu z ich rozmiarami, bardzo duże odległości. Z tych wszystkich powodów gaz nie ma ani własnego kształtu, ani własnej objętości. Za to wypełnia równomiernie każdy dostępny mu zbiornik lub naczynie i przyjmuje jego kształt (rys. 1.).
Skojarz na przykładzie!
Gdy w pompce rowerowej wypełnionej powietrzem uszczelnisz wylot, to mimo to tłoczek „daje się” przesuwać. Między drobinami gazów jest bowiem jeszcze wiele „wolnego miejsca” i przesuwanie tłoczka powoduje zbliżanie drobin do siebie. Mówimy, że gazy są ściśliwe, czyli mogą zmniejszać swoją objętość pod wpływem zewnętrznego oddziaływania. Wraz ze zmniejszeniem objętości gazu rośnie też jego ciśnienie, gdyż w każdy fragment ścianki tej strzykawki uderza teraz więcej drobin.
2. Co to jest gaz doskonały?
Jest to model gazu idealnego, w którym „zaniedbujemy” wszelkie oddziaływania na odległość, jakie istnieją między drobinami gazu. W tym modelu drobiny traktujemy jako małe, sztywne kulki, które oddziałują na siebie tylko wtedy, gdy się zderzą i odbiją od siebie. Przyjmujemy, że takie zderzenia są sprężyste. W normalnych warunkach wszystkie gazy z dużym przybliżeniem spełniają te założenia i możemy je traktować jako gazy doskonałe.
3. Czym jest dyfuzja?
Dyfuzja to samorzutne rozprzestrzenianie się drobin jednej substancji między drobinami innej substancji. Przykładem dyfuzji w gazach jest szybkie rozchodzenie się zapachów. Drobiny lotnych substancji zapachowych zderzają się z drobinami powietrza i mieszają się w ten sposób w całej dostępnej im objętości. Zjawisko dyfuzji jest potwierdzeniem tego, że gaz to ogromna ilość szybko poruszających się drobin, które mają dużą swobodę ruchu.
Dyfuzja ma miejsce również w cieczach, ale zachodzi tam znacznie wolniej. Jest tak dlatego, że drobiny cieczy mają dużo mniejszą swobodę ruchu.
4. Jak zbudowane są ciecze?
W przypadku cieczy nie można pominąć wzajemnych oddziaływań między ich drobinami, gdyż są zbyt silne. Drobiny cieczy przyciągają się wzajemnie, porządkują na niewielkich obszarach i są dość gęsto upakowane. Dzięki temu ciecz zachowuje własną objętość, ale nie ma własnego kształtu. Podobnie jak gazy ciecze przybierają jedynie kształt naczynia, w którym się znajdują, wypełniając zawsze jego dolną część
Skojarz na przykładzie!
Jeśli spróbujesz ścisnąć ciecz przy użyciu strzykawki z zamkniętym wylotem, to przekonasz się, że jest to niemożliwe. Ciecze nie są ściśliwe, co potwierdza fakt, że ich drobiny muszą być gęsto upakowane.
5. Co to są ruchy Browna?
Tak nazwano zaobserwowane po raz pierwszy w 1827 r. przez angielskiego botanika Browna, chaotyczne ruchy pyłku kwiatowego umieszczonego w wodzie. Ruchy te są dowodem na nieustanny, chaotyczny ruch drobin cieczy, które uderzają o pyłek lub inną cząstkę umieszczoną w cieczy i wprawiają ją w chaotyczny ruch. Ruchy Browna obserwuje się również w gazach jako chaotyczne ruchy pyłków kurzu lub innych drobnych cząstek unoszących się w powietrzu.
6. Co to jest siła napięcia powierzchniowego?
Siła ta jest dowodem na to, że drobiny cieczy oddziałują ze sobą. Jest to oddziaływanie elektromagnetyczne. Powierzchnia swobodna cieczy w naczyniu jest płaska i pozioma. Jest tak dlatego, że wypadkowa wszystkich sił międzydrobinowych, dla drobin znajdujących się na powierzchni, jest zwrócona w dół. To tak, jakby drobina była „wciągana” do wnętrza cieczy (rys. 6.). Drobiny znajdujące się wewnątrz cieczy oddziałują jednakowo silnie z wszystkimi drobinami ze swojego otoczenia. Siły te znoszą się wzajemnie i ich wypadkowa jest wówczas równa zeru. Na skutek napięcia powierzchniowego ciecz przyjmuje zawsze taki kształt, aby jej powierzchnia, przy danej objętości, była jak najmniejsza. To tłumaczy, dlaczego ciecz tworzy kuliste krople. Powierzchnia kuli jest bowiem najmniejszą z możliwych powierzchni dla danej objętości.
7. Czym się różnią siły spójności od sił przylegania?
Siłami spójności nazywamy siły, które działają między drobinami tej samej cieczy. Między drobinami cieczy i drobinami ścianek naczynia, w którym ciecz się znajduje, działają siły przylegania. Jeśli siły spójności między drobinami cieczy są większe niż siły przylegania, to powierzchnia cieczy zakrzywia się w dół i tworzy tzw. menisk wypukły. Mówimy wówczas, że taka ciecz nie zwilża ścianek naczynia. Jeśli siły przylegania są dużo większe od sił spójności cieczy, to powierzchnia swobodna cieczy zakrzywia się w górę, tworząc tzw. menisk wklęsły. Zależność między siłami spójności a siłami przylegania dla dwóch różnych cieczy wyjaśnia również, dlaczego niektóre ciecze mogą się ze sobą mieszać, a inne nie.
Skojarz na przykładzie!
W naczyniu ze szkła menisk wklęsły tworzy woda lub olej, a menisk wypukły tworzy rtęć.
8. Jaką budowę ma ciało stałe?
Ciała stałe mają określoną objętość i własny kształt. Ich drobiny są gęsto upakowane i silnie na siebie oddziałują. Dlatego też drobiny ciał stałych nie zmieniają swojego położenia, a jedynie wykonują drgania wokół swoich położeń równowagi.
Ze względu na sposób uporządkowania drobin ciała stałe mogą mieć strukturę:
- krystaliczną,
- bezpostaciową (amorficzną).
Budowa krystaliczna substancji oznacza, że jej drobiny tworzą wewnętrznie uporządkowaną, regularną strukturę. Taką budowę ma większość metali. Sieć krystaliczną tworzą w niej jony dodatnie, między którymi znajduje się część tzw. elektronów swobodnych. Kryształem jest też na przykład lód oraz sól kuchenna.
Budowę bezpostaciową mają ciała o nieuporządkowanej budowie wewnętrznej. Tak zbudowane są na przykład szkło, guma czy też wosk.
9. Jak małe są drobiny?
Rozmiary drobin są tak małe, że na określenie ich rozmiarów używamy specjalnej jednostki zwanej nanometrem. Jeden nanometr stanowi jedną miliardową część metra: 1 nm = 0,000 000 001 m = 10–9 m lub też jedną milionową część milimetra: 1 nm = 0,000 001 mm = 10–6 mm
10. Jaki jest związek między ruchem drobin a temperaturą?
Intensywność ruchu drobin ma bezpośredni związek z temperaturą substancji. Większa temperatura oznacza szybszy ruch drobin. Jeśli do ciała stałego dostarczymy odpowiednio dużej porcji energii, to ruchy drobin staną się na tyle intensywne, że struktura ciała stałego ulegnie zburzeniu i ciało przejdzie w stan charakterystyczny dla cieczy. Powiemy wówczas, że ciało się stopiło. Jeśli porcję energii dostarczymy do cieczy, to jej drobiny mogą zacząć poruszać się na tyle szybko, że ciecz przejdzie w stan gazowy, czyli wyparuje. Za pomocą drobinowej teorii budowy substancji można więc wyjaśnić nie tylko mechaniczne własności ciał, ale i procesy zmian stanów skupienia (rys. 9.).
11. Co to jest teoria kinetyczno-molekularna budowy ciał?
Teoria ta opisuje wewnętrzną budowę ciał, opierając się na następujących założeniach:
- wszystkie substancje mają budowę drobinową
- drobiny są w ciągłym, chaotycznym ruchu
- drobiny oddziałują na siebie
Okienko dla ciekawych
W normalnych warunkach ciśnienia i temperatury w jednym centymetrze sześciennym powietrza w Twoim pokoju znajduje się około 25 trylionów różnych drobin będących składnikami powietrza. Pędzą one przed siebie, w nieustającym ruchu, ze średnią szybkością około 400 m/s! W ciągu każdej sekundy każda z drobin uczestniczy w 4 miliardach zderzeń z innymi drobinami!!! Droga, jaką drobina przebywa między dwoma kolejnymi zderzeniami, wynosi zaledwie 0,0001 mm!