сколько степеней свободы имеет молекула углекислого газа

Молекула углекислого газа (CO₂) имеет несколько степеней свободы, которые можно разделить на различные типы движений: поступательное, вращательное и колебательное.

1. Общее количество степеней свободы
   Для молекулы с $N$ атомами общее количество степеней свободы определяется формулой:

   $$3N$$

   где $N$ — количество атомов в молекуле, а 3 — количество пространственных измерений (по осям $x$, $y$, $z$).

   У молекулы углекислого газа (CO₂) 3 атома (1 атом углерода и 2 атома кислорода), соответственно, общее количество степеней свободы для CO₂ равно:

   $$3\times 3=9$$

   То есть молекула углекислого газа обладает 9 степенями свободы.

2. Распределение степеней свободы

   Далее эти 9 степеней свободы делятся на три основные категории движений:

   • Поступательные (переводные) движения:
     Это движения всей молекулы в пространстве. В этом случае молекула может двигаться вдоль трех осей (по осям $x$, $y$, $z$), т.е. 3 степени свободы.

   • Вращательные движения:
     Молекула CO₂, как линейная молекула, может вращаться вокруг двух независимых осей, перпендикулярных направлению молекулы (вдоль оси, соединяющей два атома кислорода, вращение не происходит). Поэтому у CO₂ есть 2 степени свободы вращения.

   • Колебательные движения:
     Эти движения связаны с вибрациями атомов относительно друг друга. Колебательные движения можно разделить на:

     • Вибрации вдоль оси молекулы (сжатие и растяжение связи C=O). Каждая из двух таких колебательных мод может быть описана одной степенью свободы.

     • Перпендикулярные колебания (движения атомов кислорода относительно углерода, перпендикулярные к оси молекулы). Эти колебания происходят на частоте, которая отличается от растяжения, и для каждой пары атомов это дает еще 2 степени свободы (по одной для каждого атома кислорода).

     В сумме получается 4 колебательных степени свободы для CO₂ (включая все возможные колебания, как вдоль, так и перпендикулярно оси молекулы).

3. Итоговое распределение степеней свободы

   • 3 степени свободы для поступательного движения.

   • 2 степени свободы для вращательных движений.

   • 4 степени свободы для колебательных движений.

   Таким образом, молекула углекислого газа имеет:

   $$3(\text{поступательные})+2(\text{вращательные})+4(\text{колебательные})=9\text{степеней свободы}.$$

4. Температурные и энергообменные особенности
   В термодинамике, в зависимости от температуры, молекулы могут осваивать различные степени свободы. Для высоких температур колебания могут возбуждаться, и молекула может обладать дополнительной внутренней энергией, связанной с колебательными степенями свободы.

   При низких температурах (например, при комнатной температуре) молекулы углекислого газа в основном используют поступательные и вращательные степени свободы, а колебания еще не возбуждены. Но при более высоких температурах колебательные степени свободы начинают участвовать в теплообмене, что влияет на теплоёмкость вещества.

Резюме:

Молекула углекислого газа (CO₂) обладает 9 степенями свободы: 3 степени свободы для поступательных движений, 2 для вращательных и 4 для колебательных.