Что поменяется при нагревании сосуда

46. Камни малосжимаемы, но металлы (даже очень плотные) с помощью мощного пресса удается сжать до 0,75 от начального объема. Почему возможно такое сильное сжатие?
Данное свойство обусловлено особенностями строения кристаллической решетки металлов.

47. В стеклянную бутылку налили воды и поместили ее в морозильную камеру. Что произойдет с бутылкой и почему?
Вода в бутылке замерзнет, увеличится в объеме, и бутылка лопнет.

48. Меняется ли вместимость сосудов при изменении их температуры?
Меняется

49. Отличаются ли молекулы воды в горячем чае от молекул воды в холодном лимонаде?
Не отличаются

50. Стоит ли наливать полный чайник воды, если в нем нужно вскипятить воду?
Не стоит, так как при увеличении температуры вода может пролиться.

51. Как называется физическое явление, благодаря которому можно засаливать овощи на зиму? Как происходит переход соли из воды в овощи при засолке?
Диффузия. Молекулы соли проникают в пространство между молекулами овощей.

52. Сильно завинченную крышку банки легче отвинтить, если ее подогреть. Почему?
Нагретая крышка увеличится в объеме.

53. Если перенести надутый воздушный шарик из тепла в холод, что произойдет с его объемом? Почему?
Шарик уменьшится. Частицы воздуха внутри будут двигаться медленнее.

54. Горячие стеклянные стаканы не рекомендуется вставлять друг в друга. Почему?
Остывшие стаканы уменьшатся, и их сложно будет вынимать друг из друга.

55. Почему сложенные вместе стекла трудно разъединить?
Действуют силы молекулярного притяжения.

56. Прижмите поплотнее две деревянные линейки. Легко ли их разъединить? Объясните наблюдаемое явление.
Легко. Из-за неровностей на поверхностях линеек их не удается сблизить на такое расстояние, на котором частицы могут притягиваться друг к другу.

57. Положите в стакан крупинку марганцовки, а затем осторожно налейте в него воду. Что вы наблюдаете? Как называется это явлений?
Марганцовка растворяется в воде. Диффузия.

58. Возьмите две чашки. Наполните их водой и осторожно положите несколько крупинок лимонной кислоты. Одну чашку оставьте на столе, а вторую поместите в холодильник. Через некоторое время попробуйте воду. Объясните наблюдаемое явление.
Теплая вода более кислая, так как диффузия в теплой воде протекает быстрее.

59. Слишком соленую рыбу можно положить на некоторое время в воду при комнатной температуре, и рыба станет менее соленой. Почему?
Часть соли из рыбы растворится в воде.

60. На улице вблизи хлебозавода чувствуется запах хлеба. Почему?
Происходит диффузия газов.

61. Возле кондитерской фабрики обычно пахнет ванилью и шоколадом. Объясните это явление, используя понятие о молекулах.
Молекулы ванили и шоколада переносятся из области высокой концентрации в область низкой концентрации.

62. Пятно от йода на ткани можно прогладить горячим утюгом, и оно исчезнет. Почему?
Йод испаряется.

63. Почему пыль садится даже на обращенные вниз поверхности?
За счет межмолекулярного соединения.

64. Почему при сварке металлов необходима очень высокая температура?
Металл необходимо расплавить.

65. У флакончика для духов тщательно шлифуют горлышко и пробку в месте их соприкосновения. Почему?
Чтобы флакон закрывался плотнее, не давая запаху проникнуть наружу.

66. Белье после стирки, вывешенное на мороз, после замерзания трудно разгибается. Почему?
Остатки воды в белье превращаются в лед.

67. Почему при одинаковой температуре диффузия в жидкостях идет медленнее, чем в газах?
Частицы воздуха движутся быстрее, чем частицы воды.

68. Почему разбитые вазы не «срастаются» обратно, как бы сильно мы не прижимали друг к другу осколки?
Из-за неровностей не удается их сблизить на такое расстояние, на котором частицы могут притягиваться друг к другу.

69. Почему разорванный пластилин можно соединить обратно в один кусок?
Структура пластилина позволяет приблизить его молекулы настолько, что притяжение между ними восстанавливается.

70. Почему пыль с мебели устраняется мокрой тряпкой лучше, чем сухой?
Вода связывает молекулы пыли с тряпкой, заполняя промежутки между молекулами.

71. Почему после плавания на человеческом теле остаются капельки воды?
Молекулы жидкости притягиваются к телу сильнее, чем друг к другу.

72. Почему на стыках железнодорожных рельсов оставляют промежутки, а не соединяют их плотно?
Рельсы увеличиваются и уменьшаются в зависимости от температуры.

73. Почему телеграфная проволока провисает летом больше, чем зимой?
Летом проволока расширяется.

74. Чтобы вынуть плотно засевшую стеклянную пробку, надо на слабом огне нагреть снаружи горлышко склянки. Почему это нагревание может помочь делу?
Горлышко увеличится.

75. При литье расплавленный чугун выливают в формы, в которых он и застывает. Литье производят при температуре около 1300°. Зачем формы делают больше, чем будет сам предмет?
При остывании объем детали уменьшится и деталь будет проще вынуть из формы.

76. Можно ли сделать термометр, используя для его наполнения керосин?
Можно, но его показания будут не точными.

77. Чтобы вывернуть старый заржавевший винт, к его головке подносят нагретый паяльник, которым нагревают винт. Когда винт остынет, он легко вывинчивается. Как объяснить это явление?
Винт сначала увеличится, а затем уменьшится и его будет легко вывинтить.

78. Почему из полного чайника вода при нагревании выливается, хотя объем чайника при нагревании тоже увеличивается?
Вода расширяется сильнее, чем металл.

79. Следует ли зимой покупать полный бидон керосина, если его приходится хранить дома в теплом помещении?
Не стоит. В теплом помещении его объем увеличится.

80. Зачем железную шину, надеваемую на обод колеса телеги, кузнец перед надеванием сильно нагревает?
При остывании шина уменьшится и будет более плотно держаться на колесе.

81. Если склепать железную и медную полоски одинакового размера и затем нагреть их, то вся пластинка изогнется. Почему?
Коэффициенты расширения железа и меди разные.

82. На блюдце с водой поставили опрокинутый горячий стакан. Почему через некоторое время вода внутри стакана будет стоять выше, чем в блюдце (рис. 10)?

Стакан остынет. Уменьшится его объем. Объем воды в нем останется прежним.

83. Почему глубокие пруды не промерзают до дна?
Плотность льда меньше плотности воды, теплопроводность льда плохая, поэтому глубокие водоемы не промерзают до дна.

84. Можно ли делать термометры, взяв вместо подкрашенного спирта подкрашенную воду?
Нет.

Источник

Меняется ли вместимость сосудов при изменении их температуры? ГДЗ Тема 4 Задание №48 Физика 7 класс А.В.Перышкин

Прив) Выручите?)
Меняется ли вместимость сосудов при изменении их температуры?

Привет, есть варианты, как ответить на вопрос.
На рисунке изображен деревянный брусок, плавающий в двух разных жидкостях. В ( Подробнее. )

Привет. Выручайте с ответом по физике…
Поплавок со свинцовым грузилом внизу опускают
сначала в воду, потом в масло. В обоих ( Подробнее. )

Привет всем! Нужен ваш совет, как отвечать…
Изобразите силы, действующие на тело, когда оно плавает на поверхности жидкости. ( Подробнее. )

Хочется узнать, когда собираются сократить иностранные языки в школе? Какой в итоге оставят? ( Подробнее. )

Источник

Эксперименты по изучению особенностей кипения воды

Презентация к уроку

Ход урока

1.Стадии кипения воды.

Кипение – переход жидкости в пар, происходящий с образованием в объеме жидкости пузырьков пара или паровых полостей. Пузырьки растут вследствие испарения в них жидкости, всплывают, и содержащийся в пузырьках насыщенный пар переходит в паровую фазу над жидкостью.

Кипение начинается, когда при нагреве жидкости давление насыщенного пара над её поверхностью становится равным внешнему давлению. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения (Ткип). Для каждой жидкости температура кипения имеет свое значение и в стационарном процессе кипения не меняется.

Строго говоря, Ткип соответствует температуре насыщенного пара (температуре насыщения) над плоской поверхностью кипящей жидкости, так как сама жидкость всегда несколько перегрета относительно Ткип. При стационарном кипении температура кипящей жидкости не меняется. С ростом давления Ткип увеличивается

1.1.Классификация процессов кипения.

Кипение классифицируют по следующим признакам:

1) пузырьковое и пленочное.

Кипение, при котором пар образуется в виде периодически зарождающихся и растущих пузырей, называется пузырьковым кипением. При медленном пузырьковом кипении в жидкости (а точнее, на стенках или на дне сосуда) появляются пузырьки, наполненные паром.

При увеличении теплового потока до некоторой критической величины отдельные пузырьки сливаются, образуя у стенки сосуда сплошной паровой слой, периодически прорывающиеся в объём жидкости. Такой режим называется плёночным.

Если температура дна сосуда значительно превышает температуру кипения жидкости, то скорость образования пузырей на дне становится столь большой, что они объединяются вместе, образуя сплошную паровую прослойку между дном сосуда и непосредственно самой жидкостью. В этом режиме плёночного кипения тепловой поток от нагревателя к жидкости резко падает (паровая плёнка проводит тепло хуже, чем конвекция в жидкости), и в результате скорость выкипания уменьшается. Режим плёночного кипения можно наблюдать на примере капли воды на раскалённой плите.

При нагревании вода ведет себя неподвижно, и теплота от нижних слоев к верхним передается посредством теплопроводности. По мере нагревания, однако, характер теплопередачи меняется, поскольку запускается процесс, который принято называть конвекцией. Нагреваясь вблизи дна, вода расширяется. Соответственно, удельный вес придонной разогретой воды оказывается легче, чем вес равного объема воды в поверхностных слоях. Это приводит всю водную систему внутри кастрюли в нестабильное состояние, которое компенсируется за счет того, что горячая вода начинает всплывать к поверхности, а на ее место опускается более прохладная вода. Это свободная конвекция. При вынужденной конвекции теплообмен создается с помощь перемешивания жидкости и движение в воде создается за искусственным теплоносителем-мешалкой, насосом, вентилятором и тому подобное.

Некоторые слои жидкости непосредственно прилегающие к более горячей теплообменной поверхности, нагреваются выше и поднимаются как более легкие пристенные вдоль вертикальной поверхности. Таким образом, вдоль горячей поверхности возникает непрерывное движение среды, скорость которой определяет интенсивность теплообмена поверхности с основной массой практически неподвижной среды

С ростом плотности теплового потока растет коэффициент парообразования. Кипение переходит в развитое пузырьковое. Увеличение частоты отрыва приводит к тому, что пузыри догоняют друг друга и сливаются. С увеличением температуры поверхности нагрева число центров парообразования резко возрастает, все большее количество оторвавшихся пузырьков всплывает в жидкости, вызывая ее интенсивное перемешивание. Такое кипение носит развитый характер.

1.2.Разделение процесса кипения по стадиям.

Кипячение воды представляет собой сложный процесс, состоящий из четырех ясно отличимых одна от другой стадий.

Первая стадия начинается с проскакивания со дна чайника маленьких пузырьков воздуха, а также появления групп пузырьков на поверхности воды у стенок чайника.

Вторая стадия характеризуется увеличение объема пузырьков. Затем постепенно количество пузырьков, возникающих в воде и рвущихся на поверхность, всё более увеличивается. На первой стадии кипения слышим тонкий, едва различимый сольный звук.

Третья стадия кипения характерна массовым стремительным подъёмом пузырьков, которые вызывают сначала легкое помутнение, а затем даже “побеление” воды, напоминая собой быстро бегущую воду родника. Это так называемое кипение “ белым ключом”. Оно — крайне непродолжительное. Звук становится похожим на шум небольшого пчелиного роя.

Четвертая — это интенсивное бурление воды, появление на поверхности больших лопающихся пузырей, а затем брызганьем. Брызги будут означать, что вода очень сильно перекипела. Звуки резко усиливаются, но их равномерность нарушается, они как бы стремятся опередить друг друга, нарастают хаотически.

2.Из Китайской церемонии чаепития.

На востоке отношение к чаепитию особое. В Китае и Японии чайная церемония была частью встреч философов и художников. Во время традиционного восточного чаепития произносились мудрые речи, рассматривались произведения искусства. Чайная церемония специально оформлялась для каждой встречи, подбирались букеты цветов. Использовалась специальная посуда для заварки чая. Особенное отношение было к воде, которая бралась для заваривания чая. Важно правильно вскипятить воду, обращая внимание на “циклы огня”, которые воспринимаются и воспроизводятся в кипятке. Вода не должна доводиться до бурного кипения, так как в результате этого уходит энергия воды, которая, соединяясь с энергией чайного листа, и производит в нас искомое чайное состояние.

Есть четыре стадии внешнего вида кипятка, которые соответственно называются “рыбий глаз”, “крабий глаз”, “жемчужные нити” и “бурлящий источник”. Этим четырем стадиям соответствуют четыре характеристики звукового сопровождения закипания воды: тихий шум, средний шум, шум и сильный шум, которым в разных источниках тоже иногда даются разные поэтические названия.

Кроме того, отслеживают и стадии образования пара. Например, легкая дымка, туман, густой туман. Туман и густой туман указывают на переспелость кипятка, который уже не подходит для заваривания чая. Считается, что энергия огня в нем уже настолько сильна, что подавила энергию воды, и в результате вода не сможет должным образом войти в контакт с чайным листом и дать соответствующее качество энергии человеку, пьющему чаю.

В результате правильного заваривания получаем вкусный чай, заваривать который водой, не нагретой до 100 градусов, можно несколько раз, наслаждаясь тонкими оттенками послевкусия от каждого нового заваривания.

В России стали появляться чайные клубы, которые прививают культуру чаепития Востока. В чайной церемонии, которая называется Лу Юй, или кипячение воды на открытом огне можно наблюдать все стадии кипения воды. Такие эксперименты с процессом кипения воды можно провести в домашних условиях. Предлагаю несколько экспериментов:

– изменения температуры на дне сосуда и на поверхности жидкости;
изменение температурной зависимости стадий кипения воды;
— изменение объема кипящей воды с течением времени;
— распределения температурной зависимости от расстояния до поверхности жидкости.

3.Эксперименты по наблюдению процесса кипения.

3.1. Исследование температурной зависимости стадий кипения воды.

Проводилось измерение температуры на всех четырех стадиях кипениях жидкости. Были получены следующие результаты:

– первая стадия кипения воды (РЫБИЙ ГЛАЗ) длилась с 1-ой по 4-ую минуты. Пузырьки на дне появились при температуре 55 градусов (фото 1).

Фото1.

– вторая стадия кипения воды (КРАБИЙ ГЛАЗ) длилась с5-ой по7-ую минуты при температуре около 77 градусов. Мелкие пузырьки на дне увеличивались в объеме, напоминая глаза краба. (фото 2).

Фото 2.

– третья стадия кипения воды (ЖЕМЧУЖНЫЕ НИТИ) длилась с 8-ой по10-ую минуты. Множество мелких пузырьков образовывали ЖЕМЧУЖНЫЕ НИТИ, которые поднимались к поверхности воды, не достигая её. Процесс начался при температуре в 83 градуса (фото 3).

Фото 3.

– четвертая стадия кипения воды (БУРЛЯЩИЙ ИСТОЧНИК) длилась с 10-ой по12-ую минуты. Пузырьки росли, поднимались на поверхность воды, и лопались, создавая бурление воды. Процесс проходил при температуре 98 градусов (фото 4). Фото 4.

Фото 4.

3.2. Исследование изменения объема кипящей воды с течением времени.

С течением времени, объём кипящей воды изменяется. Первоначальный объем воды в кастрюле составлял 1 л. Через 32 минуты объем уменьшился вдвое. Это хорошо видно на фото 5, отмечено красными точками.

Фото 5.

Фото 6.

За следующие 13 минут кипения воды её объем уменьшился на одну треть, эта линия так же отмечена красными точками (фото 6).

По результатам измерений была получена зависимость изменения объема кипящей воды с течением времени.

Рис.1. График изменения объема кипящей воды от времени

Вывод: Изменение объема обратно пропорционально времени кипения жидкости(рис.1) до тех пор, пока от первоначального объема не осталось1/25 часть. На последней стадии уменьшение объема замедлилось. Здесь играет роль режим плёночного кипения. Если температура дна сосуда значительно превышает температуру кипения жидкости, то скорость образования пузырей на дне становится столь большой, что они объединяются вместе, образуя сплошную паровую прослойку между дном сосуда и непосредственно самой жидкостью. В этом режиме скорость выкипания жидкости уменьшается.

3.3. Исследование распределения температурной зависимости от расстояния до поверхности жидкости.

В кипящей жидкости устанавливается определённое распределение температуры (рис 2), у поверхности нагрева жидкость заметно перегрета. Величина перегрева зависит от ряда физико-химических свойств и самой жидкости, а так же граничных твёрдых поверхностей. Тщательно очищенные жидкости, лишённые растворённых газов (воздуха), можно при соблюдении особых мер предосторожности перегреть на десятки градусов.

Рис. 2.График зависимости изменения температуры воды у поверхности от расстояния до поверхности нагрева.

По результатам измерений можно получить график зависимости изменения температуры воды от расстояния до поверхности нагрева.

Вывод: с увеличением глубины жидкости температура меньше, причем на небольших расстояниях от поверхности до 1 см температура резко уменьшается, а потом почти не меняется.

3.4.Исследование изменения температуры на дне сосуда и у поверхности жидкости.

Было проведено 12 измерений. Воду нагревали от температуры 7 градусов до момента закипания. Измерения температуры проводились через каждую минуту. По результатам измерения было получено два графика изменения температуры у поверхности воды и на дне.

Рис.3.Таблица и график по результатам наблюдений. (Фото автора)

Выводы: изменение температуры воды на дне сосуда и на поверхности различно. На поверхности температура меняется строго по линейному закону и достигает температуры кипения позже на три минуты, чем на дне. Это объясняется тем, что на поверхности жидкость соприкасается с воздухом и отдаёт часть своей энергии, поэтому прогревается не так, как на дне кастрюли.

Выводы по результатам работы.

Было выяснено, что вода при нагревании до температуры кипения проходит три стадии, зависящие от теплообмена внутри жидкости с образованием и ростом внутри жидкости пузырьков пара. При наблюдении за поведением воды отмечены характерные особенности каждой стадии.

Изменение температуры воды на дне сосуда и на поверхности различно. На поверхности температура меняется строго по линейному закону и достигает температуры кипения позже на три минуты, чем на дне. Это объясняется тем, что на поверхности жидкость соприкасается с воздухом и отдаёт часть своей энергии.

Так же было определено экспериментально, что с увеличением глубины жидкости температура меньше, причем на небольших расстояниях от поверхности до 1 см температура резко уменьшается, а потом почти не меняется.

Процесс кипения происходит с поглощение теплоты. При нагревании жидкости большая часть энергии идет на разрыв связей между молекулами воды. При этом растворенный в воде газ выделяется на дне и стенках сосуда, образуя воздушные пузырьки. Достигнув определенных размеров, пузырек поднимается на поверхность и схлопывается с характерным звуком. Если таких пузырьков много, то вода “шипит”. Пузырек воздуха поднимается на поверхность воды и лопается, если выталкивающая сила, больше силы тяжести. Кипение представляет собой непрерывный процесс, при кипении температура воды равна 100 градусов и не меняется в процессе выкипания воды.

Источник

Увеличиваются ли молекулы при нагревании?

Все мы знаем, что если надуть пластиковую бутылку горячим воздухом, крепко-накрепко закрыть крышкой, а потом охладить, то бутылка сожмётся. Причина этого лежит в физике 8-го класса, или, если точнее, в законе Гей-Люссака, утверждающем, что отношение объёмов при разных температурах равно отношению абсолютных температур. То есть ещё со школьных времён (а может и раньше) нам всем известно, что при нагревании некоторого количества газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается.

А что насчёт того, из чего этот газ состоит? Увеличивается ли объём самих частичек газа, то есть размер атомов и молекул? Банальный ответ на этот банальный вопрос под катом.

Ха-ха, попались!

Ответ на этот вопрос весьма прост: как мы определим объём размер частиц (что такое размер атома/молекулы в зависимости от температуры), такой ответ мы и получим. Поскольку атомы по-своей сути — это одноатомные молекулы, то дальше мы будем называть все эти частицы единым термином «молекула«.

Если взять бутылку с газом, и из этой бутылки взять одну единственную молекулу, то окажется, что для неё не возможно (по-честному) даже принципиально измерить температуру. Частица находится в каком-то конкретном (квантовом) состоянии, которое мы можем определить и измерить, но при этом мы не сможем засунуть ей в в неё термометр и узнать сколько там у неё градусов. Связанно это с тем, что «температура» — это свойство макроскопических (т.е. больших) систем, состоящих из большого числа частиц. А значит если молекул в системе мало, то и измерять у этой системы нечего. «Большое число частиц», конечно, это плавающее понятие, но обычно оно измеряется в молях, или в числах Авогадро (), поэтому очевидно, что одна молекула горааааздо меньше этого порядка величин, а значит само понятие температуры не применимо к одной, двум, да даже десяти молекулам.

Что такое температура?

Но что вообще такое температура? Ещё со школы мы знаем, что есть т.н. абсолютная температура T, измеряемая в градусах Кельвина. Именно она стоит во всех газовых законах, в частности в уравнении Менделеева-Клайперона.

абсолютная температура является мерой средней кинетической энергии молекул.

Но эта мантра не объясняет, что же именно из себя представляет температура.

Попробуем разобраться. Начнём с простого примера. Закроем глаза и представим себе Африку: жаркую, солнечную, заполненную равнинными саваннами, и с горой Килиманджаро торчащей посередине. А ещё там есть слоны.

Каждый слон имеет определённую (большую) массу, и поэтому любое поднятие своей туши из равнинной местности в горную — это большая затрата энергии.

Представим, что слоны голодные, поэтому энергии у них мало. Будучи слоном, я бы в таком состоянии не попёрся бы в гору, а тусовался бы в саванне. В горы бы я ходил только по очень-очень большой нужде. В результате, если бы мы сняли фотографию Африки со спутника, она бы выглядела примерно так, как показано на картинке ниже: много-много слонов на равнине, и очень мало смелых и отчаянных в горах, причём, чем выше — меньше вероятность найти слона.

А теперь представим, что слоны хорошенько поели, да ещё какой-нибудь [Роскомнадзор] ещё для скорости им в еду подсыпали, так что энергии у слонов много. В этом случае, что равнина, что гора, слоны будут туда переться без особой устали, поэтому теперь вероятность отыскать слона на равнине и в горах будет отличаться уже меньше, чем в предыдущем примере (см. картинку ниже), хотя всё ещё будет сохраняться правило: чем выше на гору — тем меньше слонов.

Эти два примера весьма точно иллюстрируют случаи газа с низкой (первый) и высокой (второй) температурой. У каждой молекулы (слона) есть какая-то своя энергия, в нашем примере — это гравитационная энергия , где m — масса, g = 9.8 м/c 2 — ускорение свободного падения, а h — высота над равниной. Из энергии каждой конкретной частицы (места, где нашли слона) мы не можем ничего сказать о том, как всех слонов покормили в целом, но именно то, сколько на всех выделили еды, или другими словами, сколько энергии вкачали в среднем во всю систему, даст нам распределение слонов по ландшафту Африки. Собственно, температура в наших примерах — это общая величина накормленности всех слонов во всей Африке. Именно поэтому мантра из школьного курса физики и оказывается верна — температура — это то, сколько в среднем энергии (причем, как кинетической, так и потенциальной) имеет каждая молекула, или, что в данном случае эквивалентно, какова вероятность найти частицу с очень большой энергией. Но более точно, температура — это параметр распределения Больцмана (или Гиббса) — распределения частиц по состояниям с различной энергией. Это распределение говорит нам, что чем выше температура, тем больше высокоэнергетических молекул относительно числа низкоэнергетических мы имеем.

где n(E) — это число частиц с энергией E, R — универсальная газовая постоянная (см. предыдущий спойлер), а T, само собой, температура.

В примере же со слонами мы иллюстрировали т.н. барометрическую формулу: частный случай распределения Больцмана, показывающий как меняется давление газа с увеличением высоты:

где P(h) — это давление на высоте h, , а M — это молярная масса газа.

Растут ли атомы от температуры?

Теперь, собственно, можно перейти к вопросу: а растут ли, например, атомы при росте температуры. Само собой, каждый конкретный атом находится в каком-то квантовом состоянии, поэтому от температуры его размер не зависит, но вот средний размер всех атомов в сосуде с газом от той самой температуры зависеть уже будет.

Представим себе, например, атом водорода: тяжёлый протон, а вокруг него летает электрон. Поскольку протон положительный, а электрон отрицательный, то один притягивает другой по закону Кулона, который выглядит точно так же как ньютоновская гравитация, поэтому в этом смысле атом вполне себе напоминает, например, Солнце и Землю, летающую вокруг него. Только, как говорит нам (далеко не полностью удачная, см. например, тут) атомная модель Бора, в отличие от системы «звезда + планета», электрон летает вокруг ядра только по орбитам определённого радиуса.

Так или иначе, чем больше энергии мы закачиваем в атом водорода, тем более широкая орбита будет доступна электрону для полёта вокруг ядра. Естественно, если мы возьмём один конкретный атом, мы можем узнать его орбиту, и она ничего нам о температуре всех атомов не скажет. Но вот если мы измерим радиусы у множества атомов, а потом усредним полученные величины, то у нас действительно возникнет зависимость от температуры для этого среднего числа. В результате получится что-то типа такой картинки:

Из неё видно, что чтобы начать замечать хоть какие-то изменения в размере электронной оболочки, нужно ооочень сильно нагреть атом (в данном случае до более 10000 градусов). Это в целом общий тренд.

Подробнее о формулах можно узнать в этом посте.

Если кратко, то радиус орбиты (R) в зависимости от главного квантового числа n=1,2,3… — это

где R₀=5.3×10 −11 метра − это боровский радиус. Энергия (E) же орбиты имеет вид

где E_h= 4.3597447222071(85)×10 −18 Джоулей − это энергия Хартри.
Далее используя распределение Больцмана для одной частицы, мы можем посчитать среднее значение радиуса от температуры как

Знаменатель у нас появляется из-за того, что полная вероятность всех исходов измерений должна быть равна единице.

Иными словами, ответ на вопрос поста: да, при нагревании электронные оболочки атомов (и молекул) в среднем расширяются. Но, это увеличение очень маленькое, и требует нагрева до очень высоких температур, к которым мы в обыденной жизни не привыкли.

Растут ли молекулы от температуры?

Теперь зададимся вопросом: а что если наша молекула составлена не из одного, а из двух, трёх или более атомов? Можем ли мы что-то сказать о межатомных расстояниях в ней, как ведут они себя при повышении температуры? Для простоты, естественно, ограничимся двухатомными молекулами, кои, в частности, составляют как минимум 98.7 % нашей атмосферы (азот и кислород).

У нас есть один атом, у нас есть второй атом: ммммм, и расстояние между ними, обозначим его как R. Как ведёт себя потенциальная энергия взаимодействия этих атомов в зависимости от R?

Атомы в молекуле всегда колеблются, даже при абсолютном нуле, когда никакой лишней энергии не осталось. Из-за принципа неопределённости они не могут просто скатиться в минимальную по энергии точку на потенциале и сдохнуть лежать, свернувшись калачиком: им приходится совершать т.н. нулевые колебания. Если же энергия у них выше, то и колеблются они с большей амплитудой. Поэтому возникает вопрос: а как конкретно колеблются атомы?

Если бы слева и справа от точки минимума потенциал был одинаков, как, например, в случае закона Гука, то атомы во время колебаний отклонялись бы в область малых значений межатомных расстояний ровно то же количество времени, сколько и в область больших значений. В этом случае бы среднее значение межатомного расстояния при любой температуре было бы равно значению расстояния в точке минимума. Иными словами, если бы мы взяли газ, и в любой момент времени сфоткали все молекулы, а потом посчитали бы среднее значение для всех расстояний между атомами, то в итоге получили бы расстояние в точке минимума.

Но реальность у нас другая: слева от точки минимума (при R → 0) у молекулы стоит жёсткая стенка, а справа (при R → ∞) — мягкий диван. Вопрос: где будет больше времени проводить молекула: долбиться о стенку, или валяться на диване? Правильно: конечно на диване. Иными словами, распределение расстояний в молекуле, что при абсолютном нуле, что при какой-то температуре, будет несимметричным, поэтому среднее значение расстояний будет сдвинуто в сторону больших расстояний относительно минимального. Мало того, при повышении температуры, т.е. когда мы будем закачивать больше кинетической энергии в систему, увеличивая амплитуду колебаний, молекула будет видеть гораздо более жёсткую стенку, и гораздо более мягкий диван. Поэтому среднее значение межатомных расстояний будет расти с ростом температуры, а значит и средний размер молекул, причём всех, не только двухатомных, будет увеличиваться.

К сожалению, чтобы посчитать этот рост среднего расстояния, потребуется много больше усилий, чем в случае атома водорода. Но можно пойти другим путём, и поискать, а не исследовался ли этот вопрос в экспериментах?

И порывшись на просторах этих наших Интернетов, можно набрести на следующую работу: J. Chem. Phys. 79, 170 (1983). В ней делали эксперимент буквально описанный выше:

Из графика видно, что при нагреве от комнатной температуры до 1000 градусов К это среднее значение выросло почти на 0.004 Å (1 ангстрем, Å, = 10 —10 метров). Конечно, в наших привычных величинах это очень мало, но сама длина связи C=O в этой молекуле составляет 1.2 Å, так что это рост на почти 0.3 %! Вполне себе заметная величина при нагреве, достижимом привычными средствами (например, газовой плитой).

Зачем это вообще знать?

Да хотя бы просто ради любопытства. Разве не прикольно поспорить с коллегой на чашку кофе, что при нагреве контейнера с едой в микроволновке помимо объёма газа увеличится и размер частиц газа? Ну и в практическом смысле это тоже важно. Все эти температурные расширения/уменьшения всяких макроскопических объектов, таких как рельсы, провода линий электропередач, да даже крышки банки под горячей водой, работают ровно по тому же механизму, что и для молекул газа: средние межатомные расстояния увеличиваются, т.к. в систему при увеличении температуры закачивается больше энергии движения частиц. И по-моему, осознание того, что за такими обыденными явлениями стоят такие нетривиальные процессы, вдохновляет на новые подвиги и свершения.

Всех благ, и да пребудет с Вами межатомная сила.

Источник