Διδακτικά Βιβλία του Παιδαγωγικού Ινστιτούτου

Αναζήτηση

Βρες
Εμφάνιση

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΘΕΡΜΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ

1.1 Δομή στερεών, υγρών και αερίων

Εικ. 1.1 Πόσα θέματα που έχουν σχέση με τη φυσική βλέπετε σ' αυτή τη φωτογραφία;

Ο κόσμος γύρω μας αποτελείται από μια τεράστια ποικιλία πραγμάτων και φαινομένων. Σκοπός της φυσικής είναι να ταξινομήσει αυτή την απέραντη ποικιλότητα των πραγμάτων και να βρει σχέσεις ανάμεσα στα διάφορα φαινόμενα που εκδηλώνονται συνεχώς στο περιβάλλον μας.

Η πρώτη ταξινόμηση που μπορούμε να κάνουμε για τα σώματα τα οποία μας περιβάλλουν είναι να τα κατατάξουμε σε τρεις μεγάλες κατηγορίες, ανάλογα με την εντύπωση που μας προκαλεί η επαφή μαζί τους. α) Στερεά β) Υγρά γ) Αέρια

Βέβαια όλοι έχουμε άμεση εμπειρία των τριών αυτών κατηγοριών και γνωρίζουμε τις μακροσκοπικές ιδιότητες τους. Ας δούμε τώρα σε τι διαφέρουν από μικροσκοπική άποψη.

Σύμφωνα με το πρότυπο του Bohr το άτομο κάθε στοιχείου παριστάνεται με ένα πλανητικό σύστημα, όπου τη θέση του ήλιου κατέχει ο πυρήνας, όπου βρίσκονται συγκεντρωμένα τα πρωτόνια και τα νετρόνια του ατόμου, ενώ γύρω απ' αυτόν περιφέρονται τα ηλεκτρόνια σε διαφορετικές τροχιές.

Εικ. 1.2 Μοντέλο του μορίου του νερού (α) σύμφωνα με το πρότυπο του Bohr, (β) η αντίστοιχη κατασκευή με μπαλάκια και ξυλάκια.

Οι τρεις αυτές κατηγορίες, οι οποίες ονομάζονται και καταστάσεις της ύλης (ή φάσεις), διακρίνονται μεταξύ τους από την ισχύ των ελκτικών δυνάμεων (δυνάμεις συνοχής) με τις οποίες τα μόρια ή τα άτομα που συνθέτουν τα διάφορα σώματα συνδέονται μεταξύ τους.

Εικ. 1.3 Σχηματική αναπαράσταση της σύνδεσης μορίων μεταξύ τους με το λεγόμενο δεσμό υδρογόνου.

Οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων έχουν ηλεκτρική προέλευση και οφείλονται στο ότι τα μόρια, αν και ηλεκτρικά ουδέτερα, παρουσιάζουν ανισομερή κατανομή του θετικού και του αρνητικού φορτίου τους στο χώρο, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των ετερόσημων περιοχών τους. (Εικ. 1.2α, β).

Εικ. 1.4 Σχηματική αναπαράσταση των μορίων (α) ενός στερεού, όπου τα μόρια είναι εντοπισμένα σε σχεδόν συγκεκριμένες θέσεις, γύρω από τις οποίες εκτελούν ταλαντώσεις μικρού πλάτους, (β) ενός υγρού, όπου τα μόρια κινούνται με μεγαλύτερη σχετικά ελευθερία χωρίς όμως να απομακρύνονται πολύ μεταξύ τους και (γ) ενός αερίου, όπου η κίνηση των μορίων είναι ακανόνιστη χωρίς καμιά μεταξύ τους αλληλεπίδραση.

Αν τα μόρια πλησιάσουν αρκετά, η μεταξύ τους δύναμη γίνεται απωστική (ηλεκτρική άπωση μεταξύ των ηλεκτρονίων των εξωτερικών στιβάδων). Έτσι, τα μόρια διατηρούνται σε μια απόσταση ισορροπίας μεταξύ τους. Σε ένα στερεό οι ελκτικές δυνάμεις είναι τόσο ισχυρές, ώστε τα άτομα ή τα μόρια συγκρατούνται σε σταθερές περίπου θέσεις, που τις λέμε θέσεις ισορροπίας, οι οποίες συχνά σχηματίζουν μια συμμετρική διάταξη στο χώρο, γνωστή ως κρυσταλλικό πλέγμα (Εικ. 1.4α).

Εικ. 1.5 Τροχιά σωματιδίου αιωρουμένου στο νερό. Τα ευθύγραμμα τμήματα συνδέουν τις θέσεις του σωματιδίου σε ίσα χρονικά διαστήματα. Το διάγραμμα έχει την ίδια μορφή ανεξάρτητα αν το χρονικό διάστημα είναι 60 s ή 0,1 s.

Τα άτομα ή τα μόρια σε ένα στερεό ταλαντώνονται περί τη θέση ισορροπίας τους. Σε ένα υγρό οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων είναι ασθενέστερες, έτσι ώστε αυτά να μη διατηρούνται σε σταθερές θέσεις, αλλά να μπορούν να «κυλούν» το ένα γύρω από το άλλο, με συνέπεια να μην μπορεί το υγρό συνολικά να διατηρήσει ένα σταθερό σχήμα (Εικ. 1.4β.).

Σε ένα αέριο οι δυνάμεις αυτές είναι τόσο ασθενείς, ώστε τα μόρια δεν παραμένουν ενωμένα, αλλά κινούνται με μεγάλες ταχύτητες προς όλες τις κατευθύνσεις, καταλαμβάνοντας όσο χώρο είναι διαθέσιμος (Εικ. 1.4γ.). Κατά μέσο όρο οι ταχύτητες τους είναι τόσο μεγάλες, ώστε όταν συγκρούονται μεταξύ τους, η ελκτική δύναμη δεν είναι ικανή να τα συγκρατήσει και αναπηδούν προς άλλες κατευθύνσεις.