VIII. AINE EHITUSE MUDEL


Aine kolm olekut


Kõik meid ümbritsevad kehad koosnevad ainetest või nende segudest. Ained omakorda koosnevad molekulidest või aatomitest. Nii molekulid kui aatomid on imepisikesed, mistõttu pole inimestel võimalik neid oma meeleorganitega tajuda.

Tahke (jää)

Vedel (vesi)

Gaas (aur)

Ained võivad looduses eksisteerida kolmes olekus – tahkes, vedelas ja gaasilises. Füüsikas nimeta­tak­se erinevaid aine olekuid faasideks.  Üleminekuid ühest faasist teise nime­ta­takse faasi­siireteks.

NB! Sageli nimetatakse neljanda aine olekuna ka plasmat, mis on täielikult ioniseeritud gaas. Kuna selles osas vaatleme aine siseehitusega seonduvat peamiselt soojusliikumise, mitte elektromagnetismi seisukohtadelt, siis jätame siinkohal plasmaga seonduva vaatluse alt välja.

Pole vahet millise aineolekuga on tegemist – aineosakesed on kõikides olekutes ühed ja samad, muu­tub vaid osakeste:

  • vastastikune asend (kaugus, korrapära),
  • vahelise vastastikmõju tugevus ning
  • osakeste liikuvus (liikumiskiirus ja -ulatus)

Soojusliikumine


1827. aastal avastas inglise botaanik Robert Brown, et vette sattunud õietolmu osakesed hakkavad seal korrapäratult liikuma. Vaatluse tulemusena järeldas ta, et selle liikumise põhjustab hoopis veemolekulide pidev, lakkamatu ja korrapäratu liikumine, mida hakati kutsuma soojusliikumiseks.

Soojusliikumine on kõikidele molekulidele (ja aatomite) iseloomulik omadus, kusjuures kehtib seaduspärasus, et mida kõrgem on keha temperatuur, seda kiiremini ja ulatuslikumalt tema koostisosakesed liikuda saavad. Kehas sisalduvad molekulid (ja aatomid) ei liigu ühesuguse kiirusega – kehas on tavaliselt nii väga aeglaselt kui ka üsna kiiresti liikuvaid osakesi, kuid peame tõdema, et mida kõrgem on keha temperatuur, seda suurem on kõikide osakeste kiiruste keskväärtus.

Soojusliikumise olemasolu kinnituseks on temast tingitud nähtused nagu soojuspaisumine ja difusioon.


Soojuspaisumine


Mida kõrgem on keha temperatuur, seda kiiremini tema koostisosakesed (keskmiselt) liiguvad ning seda suuremat ruumi nad liikumiseks vajavad. Nii kehtibki reegel, et soojenedes keha mõõtmed suurenevad – keha paisub ning jahtudes keha mõõtmed vähenevad – keha tõmbub kokku.

Nähtust, kus keha mõõtmed sõltuvad (on võrdelised) tema temperatuuriga nimetatakse soojuspaisumiseks.


Termomeeter


Soojuspaisumist kasutatakse temperatuuri määramiseks mõeldud mõõteriistades – vede­lik­ter­mo­meetrites.

Termomeeter koosneb reservuaarist, milles on vedelik ning peenikesest skaalaga varustatud torust. Mida kõrgem on reservuaaris asuva vedeliku temperatuur, seda suurem on tema ruumala ning seda kõrgem on vedelikunivoo torukeses. Skaalalt saame lugeda keha soo­jen­datusse astme – temperatuuri – näidu.


Temperatuuriskaalad


Temperatuuri mõõtmiseks koostatakse temperatuuriskaala, selleks

  • valitakse skaala püsipunktid so punktid, mille temperatuur on teada/kokku lepitud
  • jagatakse püsipunktide vahemik võrdseteks osadeks

Peamiselt on kasutusel 3 temperatuuriskaalat: (1) Celsiuse skaala, (2) Absoluutne temperatuuri ehk Kelvini skaala ning (3) Fahrenheiti skaala

Celsiuse skaala on saanud oma nime Rootsi füüsiku ja astronoomi Anders Celsius’e järgi, kes tegeles erinevate linnade pikkus- ja laiuskraadide täpse määramisega, samuti Päikese uurimise ning tähtede heleduse kirjeldamisega.

Celsiuse skaala üheks püsipunktiks on võetud vee kolmikpunkt – see on punkt, mille juures vesi saab olla kõigis kolmes olekus – tahkes (jääna), vedelas ja gaa­si­li­ses (auruna).

Teiseks püsipunktiks on skaalal võetud vee keemis­tem­pe­ratuur normaalrõhul (760 mmHg) ning nende punktide vahe on jagatud sajaks võrdseks osaks – Celsiuse kraadiks.

Seega jää sulab Celsiuse skaalal 0°C ja vesi keeb 100°C juures.

Fahrenheit’i skaala on saanud oma nime Saksa teadlase, leiutaja ja klaasipuhuja Daniel Gabriel Fahrenheit’i järgi. Fah­ren­heit’i suurimaks saavutuseks peetakse elavhõbeda­ter­mo­meetri leiutamist 1714. aastal.

Fahrenheit’i püsipunktideks on võetud erilise, selle skaala loomise ajal 1724. aastal kõige madalama temperatuuri andnud vee, jää- ja salmiaagi (ammooniumkloriid NH4Cl) segu vahekorras  temperatuur, teiseks püsipunktiks aga inimkeha temperatuur. Nende punktide vahe on jagatud sajaks võrdseks osaks – Fahrenheiti kraadiks.

Seega on jää- ja salmiaagi segu temperatuur 0 °F ning inimkeha temperatuur 100 °F

Kelvini ehk absoluutse temperatuuri skaalal on ainult üks püsipunkt – skaala nullpunktiks on võetud teoreetiline temperatuur, mille juures soojusliikumine lõppeb.

Kelvini temperatuuriskaala samm – Kelvini kraad ehk lihtsalt kelvin on valitud selline, et vee kolmikpunkti ja keemispunkti tempe­ra­tuu­ri­de vahe oleks 100 kraadi – ehk teisisõnu temperatuuri muutus 1K vastab temperatuuri muutusele 1°C. Kelvini kraad (kelvin) on üks SI seitsmest fundamentaalühikust.

Erinevatel skaaladel mõõdetud temperatuuride teisendamine

Fahrenheiti skaalal mõõdetud temperatuuri teisendamine Celsiuse kraadidesse:

Kelvini skaalal mõõdetud temperatuuri teisendamine Celsiuse kraadidesse:


Aine siseehitus tahkes olekus


Molekulid mõjutavad tahkes kehas ehk tahkises üksteist tõmbe- ja tõukejõududega. De­for­mee­ri­mata kehas on need jõud omavahel tasakaalus. Tõmbejõud muutuvad osakeste vahel valdavaks kui eemaldada molekule teineteisest, tõukejõud aga siis kui osakesi teineteisele lähendada.

Tahkes aines paiknevad molekulid kristallvõre sõlmedes korrapäraselt, nad asuvad üksteisega üsna lähestikku. Kuna nendevaheline vastastikmõju on tugev, siis ei saa molekulid eriti liikuda, vaid ainult võnguvad mingi kindla tasakaaluasendi ümber.

Tänu eelpooltoodule on tahkel kehal alati kindel kuju ja kindel ruumala.

Selliseid tahketele kehadele sarnanevaid kehi, milles kristallstruktuur puudub ning osakesed paik­ne­vad korrapäratult ning nad on seetõttu isotroopsed nimetatakse amorfseteks kehadeks. Amorfsete kehade puhul võime rääkida kui tardunud (väga väikese voolavusega) vedelikust.


Aine siseehitus vedelas olekus


Vedelikus molekulide asetuse korrapärasus väiksem – võime öelda, et korrapärasus on tinglik.

Molekulid asuvad üksteisest kaugemal kui tahkes kehas, mistõttu on ka nende vahel mõjuvad jõud nõrgemad ning molekulid saavad seetõttu rohkem liikuda.

Vedelikes võnguvad molekulid küll enamuse ajast oma tasakaaluasendi ümber, kuid see asend ei ole püsiv ning seetõttu hüppavad molekulid aeg-ajalt korrapäratult ühest kohast teise.

Taolistest „hüpetest“ ongi tingitud vedelike voolavus.

Ülaltoodud omadustest tingituna on vedelikel küll kindel ruumala, kuid tänu voolavusele puudub neil kindlaks määratud kuju ja vedelikud võtavad alati selle anuma kuju, millesse neid valatakse.


Aine siseehitus gaasilises olekus


Nii nagu vedelikes, puudub ka gaasides osakeste asetuses kor­rapära.

Võrreldes tahkiste ja vedelikega asuvad gaasi­molekulid üks­tei­sest väga kaugel – kaugustel mis üle­ta­vad molekulide mõõt­meid miljonites kordades, mistõttu nende vahel vastas­tikmõju peaaegu puu­dub.

Tänu sellele ei ole gaasimolekulide liikumine takistatud ning nad saavad liikuda täiesti vabalt ja korra­päratult.

Seetõttu ei saa me gaaside puhul rääkida ei kindast kujust (nad võtavad samuti alati anuma kuju) ega ka ruumalast (nad võivad vabalt paisuda, aga neid saab ka kokku suruda).

Seega on nii gaasid kui ka vedelikud voolavad – taoliste ühiste omadustega kehi nimetatakse voolisteks.

Erinevate faaside molekulaarsed mudelid ja faasisiirded on kujutatud juures olevas ani­mat­sioonis


Difusioon


Difusiooniks nimetatakse ainete iseeneslikku segunemist nende koostisosakeste soojus­lii­ku­mise tagajärjel.

Difusioon esineb nii gaasilistes ainetes – ühes toanurgas pihustatud lõhnaaine täidab peagi terve ruumi, vedelikes – vedelikku tilgutatud värv „lahustub“ ning täidab mõne aja möödudes ühtlaselt terve anuma kui ka tahkiste korral. Kui asetada kaks peegelsiledaks lihvitud metallipinda tihedasti kokku, siis pika aja möödudes „kasvavad“ need metallitükid kokku – ühe osakesed tungivad teise vahele.

Gaasides, kus soojusliikumine on kõige intensiivsem, toimub difusioon kõige kiiremini, samas kui tahkistes on see kõige aeglasem – kirjeldatud metallide kokku „kleepumine“ võib võtta aega aastaid.