Một chất có bao nhiêu trạng thái?

47

bởi cô ấy. Pozny, nếu bây giờ chúng ta tính tổng công do các ngoại lực và phản lực thực hiện đối với bất kỳ sự dịch chuyển ảo nào, thì hóa ra nó bằng 0. Nhưng xét về phản lực, chúng ta đã biết rằng chúng không thực hiện công hoàn chỉnh nào. Do đó, đối với bất kỳ chuyển vị ảo nào, tổng công do các ngoại lực thực hiện cũng phải bằng 0.

Vì vậy, các điều kiện cân bằng của một hệ cơ học có thể được xây dựng dưới dạng cái gọi là nguyên lý chuyển vị ảo (có thể):

Để cân bằng một hệ cơ học với các kết nối lý tưởng, điều cần và đủ là tổng công của tất cả các ngoại lực tác dụng lên hệ đối với bất kỳ chuyển vị ảo nào của hệ đều bằng 0.

Nhờ nguyên lý này do Johann Bernouli đưa ra năm 1717, để tìm điều kiện cân bằng không cần xét đến một số lượng lớn các phản lực. Chỉ cần chọn các chuyển vị ảo thuận tiện, tính tổng công tương ứng của chỉ các ngoại lực và đánh đồng nó bằng 0 là đủ.

Chúng ta hãy minh họa việc áp dụng nguyên lý này bằng một ví dụ đơn giản: chúng ta sẽ tìm lực đàn hồi của một lò xo mà từ đó treo một tải trọng có khối lượng $m$. Hãy chọn chính tải làm hệ thống. Có hai ngoại lực tác dụng lên nó - lực đàn hồi của lò xo $T$ và trọng lực của tải trọng $mg$. Hãy tưởng tượng rằng chúng ta đã dịch chuyển tải ở trạng thái cân bằng xuống một lượng nhỏ $\Delta x$. Khi đó công do lực hấp dẫn thực hiện sẽ bằng

$$\Delta A_1 = mg\Delta x,$$

và công do lực đàn hồi của lò xo thực hiện là

$$\Delta A_2 = -T\Delta x.$$

Theo nguyên tắc chuyển động ảo, tổng công của cả hai phải bằng 0:

$$\Delta A_1 + \Delta A_2 = mg\Delta x - T\Delta x = 0,$$

chúng ta lấy nó từ đâu

$$T = mg.$$

Tất nhiên, bài toán này có thể được giải theo cách thông thường - sử dụng các điều kiện cân bằng của vật thể. Hơn nữa, trong trường hợp này, cả hai phương pháp đều giống nhau về độ phức tạp. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, phương pháp dịch chuyển ảo dẫn đến lời giải nhanh hơn và đơn giản hơn, thậm chí đôi khi còn cho phép giải bài toán, về nguyên tắc không thể giải được trên cơ sở các điều kiện cân bằng tổng quát.

Cũng lưu ý rằng phương pháp dịch chuyển ảo có thể được sử dụng thành công cho lời giải không chỉ cơ học bài toán mà còn cho bài toán điện tử và vật lý phân tử.

A. A. Varlamov

Một chất có bao nhiêu trạng thái?

Trong bài viết này, chúng tôi muốn nói một chút về các trạng thái khác nhau của vật chất - trạng thái nổi tiếng nhất, ít được biết đến và rất ít được biết đến.

Bất kỳ cơ thể nào cũng là một số lượng lớn các phân tử chuyển động và tương tác với nhau. Mọi sự hoàn hảo đều có tính chất tự nhiên, đó là khi sự tương tác giữa các phân tử với nhau yếu thì các phân tử phải tạo thành chất khí; mặt khác, khi tương tác mạnh, nó là vật thể rắn; trong trường hợp trung gian - chất lỏng. Điều này chắc chắn là đúng. Chỉ trong vật lý thì không có số lượng lớn hay nhỏ có thể hiểu được nếu không so sánh với một vật nào đó. Trong trường hợp này, năng lượng tương tác của các phân tử phải được so sánh với động năng của chúng.

Từ lý thuyết động học phân tử, người ta biết rằng động năng trung bình dị năng của các phân tử $\bar{E}$ liên quan trực tiếp đến nhiệt độ $T$ của hệ: $\bar{E} = \frac{3}{2}kT$. Vì chúng ta chỉ quan tâm đến những cân nhắc về mặt định tính nên chúng ta có thể

48

chúng tôi sẽ không tính đến số điện thoại $^3/2$. Chúng ta hãy biểu thị năng lượng tương tác trung bình của các phân tử với môi trường của chúng bằng $U$. Hãy giới thiệu tham số $\varepsilon$, bằng tỉ số giữa năng lượng tương tác trung bình và động năng trung bình: $\varepsilon=U/kT$. Bây giờ chúng ta có thể viết ra các điều kiện cho sự tồn tại của chất khí, chất lỏng và chất rắn. Nếu $\varepsilon\ll 1$, chúng ta có chất khí (các phân tử chuyển động nhanh, hầu như không có tương tác với nhau). Khi $\varepsilon\gg 1$, hệ thống là chất rắn (các phân tử bị “kẹp” vào vị trí của chúng). Trường hợp trung gian, khi $\varepsilon\approx 1$, tương ứng với chất lỏng. Nhưng trong mỗi loại điều kiện rất lớn này lại có khá nhiều sự đa dạng.

Trước tiên chúng ta hãy tập trung vào cơ thể rắn. Từ điều kiện $\varepsilon\gg 1$, rõ ràng trạng thái của chất rắn được xác định chủ yếu bởi sự tương tác năng lượng của các phân tử. Như đã biết, bất kỳ hệ thống nào xuất hiện trước chính nó đều có xu hướng chiếm một vị trí sao cho thế năng của nó là tối thiểu (theo thế năng ở đây chúng ta phải nhớ chính xác năng lượng tương tác của các phân tử với nhau). Vì vậy, hóa ra năng lượng tối thiểu tương ứng với trạng thái khi các phân tử được sắp xếp chặt chẽ theo chu kỳ. Nói cách khác, trạng thái cân bằng ổn định không chỉ tương ứng với một vật thể rắn mà còn tương ứng với một tinh thể. Đây là loại chất rắn đầu tiên được nghiên cứu nhiều nhất. Các tính chất của tinh thể hoàn toàn được xác định bởi loại mạng tinh thể. Có các mạng gồm các cốc, lăng kính lục giác, các khối song song, v.v. Khi tinh thể bị nung nóng (ví dụ, ở áp suất khí quyển), sẽ có một nhiệt độ (chú ý! một nhiệt độ rất cụ thể) tại đó mạng tinh thể trở nên không ổn định. Bắt đầu bơi (rõ ràng là nhiệt độ bơi phải được xác định từ điều kiện $\varepsilon\approx 1$, tức là $kT_{\pi l}\approx U$).

Một loại chất rắn khác sẽ xuất hiện khi, khi nguội đi, chất lỏng mất tính linh động trước khi chúng có thời gian nhô vào mạng tinh thể. Bây giờ họ “muốn” tổ chức lại, nhưng họ không thể. Chính xác hơn là họ có thể, nhưng để làm được điều này họ cần rất nhiều thời gian. Chúng ta có được một chất rắn, nhưng không phải là tinh thể, mà là một cơ thể vô định hình. Một ví dụ điển hình của những vật thể như vậy là thủy tinh. Khi đun nóng, thủy tinh dần dần mềm đi và cuối cùng biến thành chất lỏng, nhưng không có điểm nóng chảy cụ thể.

Việc làm mát một chất lỏng nhất định sẽ tạo ra tinh thể hay vật thể vô định hình phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ làm mát. Ví dụ, để thu được kim loại vô định hình, tốc độ làm nguội phải rất lớn (kim loại nóng chảy được phun lên bề mặt được làm mát bằng nitơ lỏng). Nhưng đây không phải là điều kiện duy nhất. Ví dụ, cho dù nó có tan chảy đến đâu, glycerin sẽ không tạo thành tinh thể (ngày nay lý do cho điều này vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng).

Nếu chúng ta đang nói về các vật thể bao gồm các phân tử có hình dạng đơn giản, thì rõ ràng là không có khả năng nào khác. Nhưng may mắn thay, thế giới không đơn giản như vậy. Bạn biết rất rõ rằng có những đặc tính phân tử hạn chế (và không chỉ giới hạn) của các hình dạng phức tạp. Các chất được tạo ra từ các phân tử như vậy có thể ở trạng thái không hình thành và không thể phân loại là chất lỏng hoặc chất rắn. Dưới đây là một số ví dụ.

Một tính chất điển hình của chất lỏng là tính đẳng hướng của nó, tức là các tính chất giống nhau theo mọi hướng. Tuy nhiên, hiện nay người ta có thể sử dụng các tính chất cơ học, tốc độ truyền của các loại sóng khác nhau (đàn hồi hoặc điện từ), v.v. Vì vậy, khoảng một trăm năm trước, người ta đã phát hiện ra các chất lỏng không đẳng hướng - cái gọi là chất lỏng dị hướng. Kể từ đó, một lượng lớn chất lỏng đã được phát hiện (và được tạo ra một cách nhân tạo). Đặc điểm chính của chúng là ở một số hướng chúng có