Главная > Подоконники, откосы и отливы

II. Молекулярная физика

Мир, в котором мы с вами живем, невообразимо прекрасен и полон множества различных процессов, которые задают течение жизни. Все эти процессы изучает всем знакомая наука - физика. Она дает возможность получить хоть какое-то представление о происхождении Вселенной. В данной статье мы рассмотрим такое понятие, как молекулярно-кинетическая теория, ее уравнения, виды и формулы. Однако, прежде чем перейти к более глубокому изучению этих вопросов, нужно прояснить для себя сам смысл физики и областей, ею изучаемых.

Что же такое физика?

На самом деле, это очень обширная наука и, пожалуй, одна из самых фундаментальных за всю историю человечества. Например, если та же информатика связана практически с каждой областью человеческой деятельности, будь то расчетное проектирование или создание мультфильмов, то физика - это сама жизнь, описание ее сложных процессов и течений. Давайте постараемся разобрать ее смысл, максимально упростив понимание.

Таким образом, физика - это наука, которая занимается изучением энергии и материи, связей между ними, объяснением многих процессов, происходящих в нашей необъятной Вселенной. Молекулярно-кинетическая теория строения вещества - лишь малая капля в море теорий и разделов физики.

Энергию, которую подробно изучает данная наука, можно представить в самых различных формах. Например, в виде света, движения, гравитации, излучения, электричества и во многих других видах. Нами будет затронута в данной статье молекулярная кинетическая теория строения этих форм.

Изучение материи дает нам представление об атомарном строении вещества. Оно, кстати, следует из молекулярно-кинетической теории. Наука о строении материи позволяет понять и найти смысл нашего существования, причины возникновения жизни и самой Вселенной. Давайте все-таки постараемся изучить молекулярно кинетическую теорию вещества.

Для начала необходимо некоторое вступление для полного осознания терминологии и каких-либо выводов.

Разделы физики

Отвечая на вопрос о том, что такое молекулярно-кинетическая теория, нельзя не поговорить о разделах физики. Каждый из этих них занимается подробным изучением и объяснением определенной области человеческой жизни. Они классифицируются следующим образом:

  • Механика, которая делится еще на два раздела: кинематика и динамика.
  • Статика.
  • Термодинамика.
  • Молекулярный раздел.
  • Электродинамика.
  • Оптика.
  • Физика квантов и атомного ядра.

Поговорим конкретно о молекулярной физике, ведь именно в ее основе лежит молекулярно-кинетическая теория.

Что такое термодинамика?

Вообще, молекулярная часть и термодинамика являются тесно связанными разделами физики, которые занимаются изучением исключительно макроскопической составляющей общего числа физических систем. Стоит помнить, что эти науки описывают именно внутреннее состояние тел и веществ. Например, их состояние при нагреве, кристаллизации, парообразовании и конденсации, на атомарном уровне. Другими словами, молекулярная физика - наука о системах, которые состоят из огромного количества частиц: атомов и молекул.

Именно этими науками были изучены основные положения молекулярно-кинетической теории.

Еще в курсе седьмого класса мы познакомились с понятиями микро- и макромиров, систем. Не будет лишним освежить эти термины в памяти.

Микромир, как мы можем заметить из самого его названия, составляют элементарные частицы. Другими словами, малых частиц. Размеры их измеряются в пределах от 10 -18 м до 10 -4 м, а время их фактического состояния может достичь как бесконечности, так и несоизмеримо малых промежутков, к примеру, 10 -20 с.

Макромир рассматривает тела и системы устойчивых форм, состоящих из множества элементарных частиц. Такие системы соизмеримы с нашими, человеческими размерами.

Кроме того, существует и такое понятие, как мегамир. Его составляют огромных масштабов планеты, космические галактики и комплексы.

Основные положения теории

Теперь, когда мы немного повторили и вспомнили основные термины физики, можем перейти непосредственно к рассмотрению главной темы данной статьи.

Молекулярно-кинетическая теория появилась и была сформулирована впервые еще в девятнадцатом веке. Суть ее заключается в том, что она подробно описывает строение какого-либо вещества (чаще строение газов, чем твердых и жидких тел), основываясь на трех фундаментальных положениях, которые были собраны из предположений таких видных научных деятелей, как Роберт Гук, Исаак Ньютон, Даниил Бернулли, Михаил Ломоносов и многих других.

Положения основные молекулярно-кинетической теории звучат так:

  1. Абсолютно все вещества (независимо от того, жидкие они, твердые или газообразные) имеют сложное строение, состоящее из более мелких частиц: молекул и атомов. Атомы иногда называют "элементарными молекулами".
  2. Все эти элементарные частицы всегда находятся в состоянии непрерывного и хаотического перемещения. Каждый из нас сталкивался с прямым доказательством данного положения, но, вероятнее всего, не придавал этому особого значения. Например, все мы видели на фоне солнечных лучей, что пылинки непрерывно движутся в хаотическом направлении. Это связано с тем, что атомы производят взаимные толчки друг с другом, постоянно сообщая кинетическую энергию друг другу. Впервые это явление было изучено в 1827 году, а названо оно в честь открывателя - "броуновским движением".
  3. Все элементарные частицы находятся в процессе непрерывного взаимодействия друг с другом с определенными силами, которые имеют электрическую породу.

Стоит отметить, что другим примером, описывающим положение под номером два, которое может относиться также, например, к молекулярно кинетической теории газов, служит диффузия. С ней мы сталкиваемся и в повседневной жизни, и в многократных тестах и контрольных, поэтому важно иметь о ней представление.

Для начала рассмотрим следующие примеры:

Врач случайно пролил на стол спирт из колбы. Или же вы уронили флакон с духами, а они растеклись по полу.

Почему в этих двух случаях и запах спирта, и запах духов через какое то время наполнит всю комнату, а не только ту область, куда пролилось содержимое этих веществ?

Ответ прост: диффузия.

Диффузия - что это? Как она протекает?

Это процесс, при котором частицы, входящие в состав какого-то одного определенного вещества (чаще газа), проникают в межмолекулярные пустоты другого. В наших примерах, приведенных выше, произошло следующее: за счет теплового, то есть непрерывного и разобщенного движения, молекулы спирта и/или духов попадали в промежутки между молекулами воздуха. Постепенно, под действием соударения с атомами и молекулами воздуха, они распространялись по комнате. К слову, интенсивность диффузии, то есть скорость ее протекания, зависит от плотности веществ, участвующих в диффузии, а также от энергии движения их атомов и молекул, именуемой кинетической. Чем больше кинетическая энергия, тем выше скорость этих молекул, соответственно, и интенсивность.

Наиболее быстрым процессом диффузии можно назвать диффузию в газах. Это связано с тем, что газ не является однородным по своему составу, а это означает, что межмолекулярные пустоты в газах занимают значительный объем пространства, соответственно, и процесс попадания атомов и молекул стороннего вещества в них протекает проще и быстрее.

Немного медленней этот процесс проходит в жидкостях. Растворение кубиков сахара в кружке с чаем - как раз твердого тела в жидкости.

Но самой продолжительной по времени является диффузия в телах с твердой кристаллической структурой. Это именно так, потому что структура твердых тел однородна и имеет прочную кристаллическую решетку, в ячейках которой атомы твердого вещества колеблются. Например, если поверхности двух металлических брусков хорошо очистить, а затем заставить их контактировать друг с другом, то спустя достаточно длительное время мы сможем обнаружить кусочки одного металла в другом, и наоборот.

Как и любой другой фундаментальный раздел, основная теория физики подразделяется на отдельные части: классификацию, виды, формулы, уравнения и так далее. Таким образом, мы изучили основы молекулярно-кинетической теории. Это значит, что можно спокойно перейти к рассмотрению отдельных теоретических блоков.

Молекулярно-кинетическая теория газов

Появляется необходимость в понимании положений газовой теории. Как мы говорили ранее, нами будут рассмотрены макроскопические характеристики газов, например, давление и температура. Это понадобится в дальнейшем для того, чтобы вывести уравнение молекулярно-кинетической теории газов. Но математика - потом, а сейчас займемся теорией и, соответственно, физикой.

Учеными были сформулированы пять положений молекулярной теории газов, которые служат для осмысления кинетической модели газов. Они звучат так:

  1. Все газы состоят из элементарных частиц, которые не имеют какого-то определенного размера, но имеют определенную массу. Иными словами, объем этих частиц минимален по сравнению с величиной длины между ними.
  2. Атомы и молекулы газов практически не имеют потенциальной энергии, соответственно, по закону вся энергия равна кинетической.
  3. С этим положением мы уже знакомились ранее - броуновское движение. То есть, газовые частицы всегда совершают в непрерывное и сумбурное движение.
  4. Абсолютно все взаимные соударения газовых частиц, сопровождающиеся сообщением скорости и энергии, являются полностью эластичными. Это означает, что потери энергии или резкие скачки их кинетической энергии при столкновении отсутствуют.
  5. При нормальных условиях и постоянной температуре усредненная энергия движения частиц практически всех газов одинакова.

Пятое положение мы с вами можем переписать через такой вид уравнения молекулярно-кинетической теории газов:

Е=1/2*m*v^2=3/2*k*T,

где k - это постоянная Больцмана; Т - температура в Кельвинах.

Это уравнение дает нам понять связь между скоростью элементарных частиц газа и их абсолютной температурой. Соответственно, чем выше их абсолютная температура, тем больше их скорость и кинетическая энергия.

Давление газов

Такие макроскопические составляющие характеристики, как, например, давление газов, также можно объяснить с помощью кинетической теории. Для этого представим такой пример.

Допустим, что молекула какого-то газа находится в ящике, длина которого L. Воспользуемся вышеописанными положениями газовой теории и учтем тот факт, что молекулярная сфера движется только по иксовой оси. Таким образом, мы сможем наблюдать процесс упругого столкновения с одной из стенок сосуда (ящика).

Импульс происходящего столкновения, как нам известно, определяется формулой: p=m*v, но в данном случае эта формула приобретет проекционный вид: p=m*v(х).

Так как нами рассматривается только размерность оси абсцисс, то есть оси х, то общее изменение импульса будет выражено формулой: m*v(х) - m*(-v(х))=2*m*v(х).

Из этих формул выразим давление со стороны газа: P=F/a;

Теперь подставим в полученную формулу выражения силы и получим: P=m*v(х)^2/L^3.

После этого нашу готовую формулу давления можно записать для N-го числа молекул газа. Иными словами, она приобретет следующий вид:

P=N*m*v(х)^2/V, где v - скорость, а V - объем.

Теперь постараемся выделить несколько основных положений по давлению газа:

  • Оно проявляется благодаря столкновениям молекул с молекулами стенок объекта, в котором он находится.
  • Величина давления прямо пропорциональна силе и скорости ударения молекул о стенки сосуда.

Немного кратких выводов по теории

  • Мерой средней энергии движения ее атомов и молекул является абсолютная температура.
  • В том случае, когда два различных газа находятся при тождественной температуре, их молекулы имеют равную среднюю кинетическую энергию.
  • Энергия газовых частиц прямо пропорциональна среднеквадратичной скорости: Е=1/2*m*v^2.
  • Во сколько раз мы увеличиваем температуру газа (например, удваиваем), во столько раз увеличивается и энергия движения его частиц (соответственно, удваивается).

Основное уравнение и формулы

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории позволяет установить взаимосвязь между величинами микромира и, соответственно, макроскопическими, то есть измеряемыми, величинами.

Одной из самых простых моделей, которые может рассматривать молекулярная теория, считается модель идеального газа.

Можно сказать, что это своеобразная воображаемая модель, изучаемая молекулярно-кинетической теорией идеального газа, в которой:

  • простейшие частицы газа рассматриваются в качестве идеально упругих шаров, которые проявляют взаимодействие как друг с другом, так и с молекулами стенок какого бы то ни было сосуда только в одном случае - абсолютно упругого столкновения;
  • силы притяжения внутри газа отсутствуют, или можно ими фактически пренебречь;
  • элементы внутреннего строения газа могут приниматься в качестве материальных точек, то есть их объемом можно также пренебречь.

Рассматривая такую модель, физик Рудольф Клаузиус немецкого происхождения написал формулу давления газа через связь микро- и макроскопических параметров. Она имеет вид:

р=1/3*m(0)*n*v^2.

Позже эту формулу назовут как основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Ее можно будет представить в нескольких различных видах. Наша обязанность сейчас заключается в том, чтобы показать разделы, такие как молекулярная физика, молекулярно-кинетическая теория, а значит и их полные уравнения и виды. Поэтому есть смыл в рассмотрении иных вариаций основной формулы.

Нам известно, что среднюю энергию, характеризующую движение молекул газа, можно найти с помощью формулы: Е=m(0)*v^2/2.

В таком случае мы можем заменить выражение m(0)*v^2 в исходной формуле давления на среднюю кинетическую энергию. В результате этого нам представится возможность составить основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов в такой форме: р=2/3*n*E.

Кроме того, мы с вами знаем, что выражение m(0)*n можно расписать в виде произведения двух частных:

После этих манипуляций мы можем переписать нашу формулу уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа уже в третьем, отличном от других, виде:

Ну что, пожалуй, это все, что нужно знать по данной теме. Осталось только систематизировать полученные знания в форме кратких (и не очень) выводов.

Все общие выводы и формулы по теме "Молекулярно-кинетическая теория"

Итак, приступим.

Во-первых:

Физика - фундаментальная наука, входящая в курс естествознания, которая занимается тем, что изучает свойства материи и энергии, их строения, закономерностей неорганической природы.

В ее состав входят следующие разделы:

  • механика (кинематика и динамика);
  • статика;
  • термодинамика;
  • электродинамика;
  • молекулярный раздел;
  • оптика;
  • физика квантов и атомного ядра.

Во-вторых:

Физика простых частиц и термодинамика являются тесно связанными разделами, которые занимаются изучением исключительно макроскопической составляющей общего числа физических систем, то есть систем, состоящих из огромного числа элементарных частиц.

В их основе лежит молекулярно-кинетическая теория.

В-третьих:

Суть вопроса заключается в следующем. Молекулярно-кинетическая теория подробно описывает строение какого-либо вещества (чаще строение газов, чем твердых и жидких тел), основываясь на трех фундаментальных положениях, которые были собраны из предположений видных научных деятелей. Среди них: Роберт Гук, Исаак Ньютон, Даниил Бернулли, Михаил Ломоносов и многие другие.

В-четвертых:

Три основных положения молекулярно-кинетической теории:

  1. Все вещества (независимо от того, жидкие они, твердые или газообразные) имеют сложное строение, состоящее из более мелких частиц: молекул и атомов.
  2. Все эти простые частицы находятся в непрерывном сумбурном движении. Пример: броуновское движение и диффузия.
  3. Все молекулы при любых условиях взаимодействуют друг с другом с определенными силами, которые имеют электрическую породу.

Каждое это положение молекулярно-кинетической теории является прочным фундаментом в изучении строения материи.

Несколько главных положений молекулярной теории для модели газа:

  • Все газы состоят из элементарных частиц, которые не имеют какого-то определенного размера, но имеют определенную массу. Иными словами, объем этих частиц минимален по сравнению с расстояниями между ними.
  • Атомы и молекулы газов практически не имеют потенциальной энергии, соответственно, их полная энергия равна кинетической.
  • С этим положением мы уже знакомились ранее - броуновское движение. То есть, газовые частицы всегда находятся в непрерывном и беспорядочном движении.
  • Абсолютно все взаимные соударения атомов и молекул газов, сопровождающиеся сообщением скорости и энергии, являются полностью эластичными. Это означает, что потери энергии или резкие скачки их кинетической энергии при столкновении отсутствуют.
  • При нормальных условиях и постоянной температуре средняя кинетическая энергия практически всех газов одинакова.

В-шестых:

Выводы из теории по газам:

  • Абсолютная температура является мерой средней кинетической энергии ее атомов и молекул.
  • В том случае, когда два различных газа находятся при одинаковой температуре, их молекулы имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию.
  • Средняя кинетическая энергия частиц газа прямо пропорциональна среднеквадратичной скорости: Е=1/2*m*v^2.
  • Хотя молекулы газа и имеют среднюю кинетическую энергию, соответственно, и среднюю скорость, отдельные частицы движутся с различной скоростью: какие-то быстро, какие-то медленно.
  • Чем выше температура, тем выше и скорость молекул.
  • Во сколько раз мы увеличиваем температуру газа (например, удваиваем), во столько раз увеличивается и средняя кинетическая энергия его частиц (соответственно, удваивается).
  • Взаимосвязь между давлением газа на стенки сосуда, в котором он располагается, и интенсивностью ударов молекул об эти стенки прямо пропорциональна: чем больше ударов, тем выше давление, и наоборот.

В-седьмых:

Такая модель, в которой должны выполняться следующие условия:

  • Молекулы газа могут и рассматриваются в качестве идеально упругих шаров.
  • Эти шары могут взаимодействовать друг с другом и со стенками какого бы то ни было сосуда только в одном случае - абсолютно упругого столкновения.
  • Те силы, которые описывают взаимную тягу между атомами и молекулами газа, отсутствуют или можно ими фактически пренебречь.
  • Атомы и молекулы рассматриваются в качестве материальных точек, то есть их объемом можно также пренебречь.

В-восьмых:

Приведем все основные уравнения и покажем в теме "Молекулярно-кинетическая теория" формулы:

р=1/3*m(0)*n*v^2 - основное уравнение для модели идеального газа, выведена немецким физиком Рудольфом Клаузиусом.

р=2/3*n*E - основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Выводится через среднюю кинетическую энергию молекул.

р=1/3*ρ*v^2 - это же уравнение, но рассмотренное через плотность и среднюю квадратичную скорость молекул идеального газа.

m(0)=M/N(a) - формула для нахождения массы одной молекулы через число Авогадро.

v^2=(v(1)+v(2)+v(3)+...)/N - формула для нахождения средней квадратичной скорости молекул, где v(1),v(2),v(3) и так далее - скорости первой молекулы, второй, третьей и так далее до n-ной молекулы.

n=N/V - формула для нахождения концентрации молекул, где N - количество молекул в объеме газа к данному объему V.

Е=m*v^2/2=3/2*k*Т - формулы для нахождения средней кинетической энергии молекул, где v^2 - средняя квадратичная скорость молекул, k - постоянная величина, названная в честь австрийского физика Людвига Больцмана, а Т - это температура газа.

p=nkT - формула давления через концентрацию, постоянную Больцмана и абсолютную температуру Т. Из нее вытекает другая фундаментальная формула, открытая русским ученым Менделеевым и французским физиком-инженером Клайпероном:

pV=m/M*R*T, где R=k*N(a) - универсальная постоянная для газов.

Теперь покажем константы для разных и адиабатного.

р*V/Т=const - выполняется в том случае, когда масса и состав газа являются величинами неизменными.

р*V=const - если при этом постоянна и температура.

V/T=const - если постоянно давление газа.

p/T=const - если объем постоянен.

Пожалуй, вот и все, что нужно было бы знать по этой теме.

Сегодня мы с вами погрузились в такую научную область, как теоретическая физика, ее множественные разделы и блоки. Более подробно нами была затронута такая область физики, как фундаментальная молекулярная физика и термодинамика, а именно молекулярно-кинетическая теория, которая, казалось бы, не представляет никаких сложностей при первичном изучении, но на самом деле имеет множество подводных камней. Она расширяет наше представление о модели идеального газа, которую мы также подробно изучили. Кроме того, стоит отметить, что мы познакомились и с основными уравнениями молекулярной теории в различных их вариациях, а также рассмотрели все самые необходимые формулы для нахождения тех или иных неизвестных величин по этой теме Это будет особо полезно при подготовке к написанию каких-либо тестов, экзаменационных и контрольных работ, или для расширения общего кругозора и знаний по физике.

Надеемся, что данная статья была вам полезна, и вы извлекли из нее только самую необходимую информацию, укрепив свои знания в таких столпах термодинамики, как основные положения молекулярно-кинетической теории.

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ
раздел молекулярной физики, рассматривающий многие свойства веществ исходя из представлений о быстром хаотическом движении огромного числа атомов и молекул, из которых эти вещества состоят. Молекулярно-кинетическая теория концентрирует внимание не на различиях между отдельными типами атомов и молекул, а на том общем, что имеется в их поведении. Еще древнегреческие философы, первыми высказывавшие атомистические идеи, полагали, что атомы находятся в непрерывном движении. Количественный анализ этого движения попытался дать Д.Бернулли в 1738. Принципиальный вклад в развитие молекулярно-кинетической теории был сделан в период с 1850 по 1900 Р.Клаузиусом в Германии, Л.Больцманом в Австрии и Дж.Максвеллом в Англии. Эти же физики заложили основы статистической механики - более абстрактной дисциплины, занимающейся изучением того же предмета, что и молекулярно-кинетическая теория, но без построения детальных, а потому менее общих моделей. Углубление статистического подхода в начале 20 в. связано главным образом с именем американского физика Дж.Гиббса, который считается одним из основоположников статистической механики. Революционные идеи были привнесены в эту науку также М.Планком и А.Эйнштейном. В середине 1920-х годов классическая механика окончательно уступила место новой, квантовой, механике. Она дала импульс развитию статистической механики, не прекращающемуся до сих пор.
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОТЫ
Известно, что нагретые тела, остывая, отдают часть своей теплоты более холодным телам. До 19 в. считалось, что теплота - это некая жидкость (теплород), перетекающая от одного тела к другому. Одним из главных достижений физики 19 в. стало то, что теплота стала рассматриваться просто как одна из форм энергии, а именно - кинетическая энергия атомов и молекул. Такое представление распространяется на все вещества - твердые, жидкие и газообразные. Частицы нагретого тела движутся быстрее, чем холодного. Например, солнечные лучи, нагревая нашу кожу, заставляют ее молекулы колебаться быстрее, и мы ощущаем эти колебания как тепло. На холодном ветру молекулы воздуха, сталкиваясь с молекулами поверхности нашего тела, отбирают у них энергию, и мы ощущаем холод. Во всех случаях, когда тепло передается от одного тела к другому, движение частиц в первом из них замедляется, во втором ускоряется, а энергия частиц второго тела увеличивается ровно на столько, на сколько уменьшается энергия частиц первого. Многие знакомые нам тепловые явления можно непосредственно объяснить с помощью молекулярно-кинетической теории. Поскольку теплота порождается беспорядочным движением молекул, можно повышать температуру тела (увеличивать запас теплоты в нем) не за счет подвода тепла, а, например, с помощью трения: молекулы трущихся поверхностей, соударяясь друг с другом, начинают двигаться более интенсивно, и температура поверхностей повышается. По той же причине нагревается кусок железа, когда по нему бьют молотом. Еще одно тепловое явление - увеличение давления газов при нагревании. С повышением температуры скорость движения молекул увеличивается, они чаще и сильнее ударяются о стенки сосуда, в котором газ находится, что проявляется в повышении давления. Постепенное испарение жидкостей объясняется тем, что их молекулы одна за другой переходят в воздух, при этом первыми улетучиваются самые быстрые из них, а у тех, которые остаются, энергия в среднем оказывается меньше. Вот почему при испарении жидкостей с влажной поверхности она охлаждается. Математический аппарат, построенный на молекулярно-кинетической теории, позволяет анализировать эти и многие другие эффекты, исходя из уравнений движения молекул и общих положений теории вероятностей. Предположим, что мы подняли резиновый мяч на некоторую высоту, а затем выпустили его из рук. Мяч ударится об пол, а затем несколько раз подскочит, каждый раз на меньшую высоту, чем перед этим, поскольку при ударе часть его кинетической энергии превращается в теплоту. Такой удар называется частично упругим. Кусок свинца совсем не отскакивает от пола - при первом же ударе в теплоту превращается вся его кинетическая энергия, и температура куска свинца и пола слегка повышается. Такой удар называют абсолютно неупругим. Удар, при котором вся кинетическая энергия тела сохраняется, не превращаясь в тепло, называется абсолютно упругим. В газах при столкновении атомов и молекул друг с другом происходит лишь обмен их скоростями (мы не рассматриваем здесь случай, когда в результате столкновений частицы газа взаимодействуют - вступают в химические реакции); суммарная кинетическая энергия всей совокупности атомов и молекул не может при этом превратиться в теплоту, поскольку она уже ею является. Непрерывное движение атомов и молекул вещества называется тепловым движением. В жидкостях и твердых телах картина более сложная: помимо кинетической энергии необходимо учитывать и потенциальную энергию взаимодействия частиц.
Тепловое движение в воздухе. Если воздух охладить до очень низкой температуры, то он превратится в жидкость, при этом объем образовавшейся жидкости будет очень мал. Например, при ожижении 1200 см3 атмосферного воздуха получаются 2 см3 жидкого воздуха. Основное допущение атомной теории состоит в том, что размеры атомов и молекул при изменении агрегатного состояния вещества почти не изменяются. Следовательно, в атмосферном воздухе молекулы должны находиться друг от друга на расстояниях, гораздо больших, чем в жидкости. Действительно, из 1200 см3 атмосферного воздуха более 1198 см3 занимает пустое пространство. Молекулы воздуха движутся хаотически в этом пространстве с очень высокими скоростями, постоянно сталкиваясь друг с другом наподобие бильярдных шаров.
Давление газа или пара. Рассмотрим прямоугольный сосуд, в единице объема которого содержится n молекул газа массой m каждая. Нас будут интересовать только те молекулы, которые ударяются об одну из стенок сосуда. Выберем ось x так, чтобы она была перпендикулярна этой стенке и рассмотрим молекулу, у которой составляющая скорости v вдоль выбранной нами оси равна vx. При ударе молекулы о стенку сосуда ее импульс в направлении оси x изменится на величину -2mvx. В соответствии с третьим законом Ньютона таков же будет импульс, переданный стенке. Можно показать, что если все молекулы движутся с одинаковыми скоростями, то с единицей площади стенки в 1 с сталкивается (1/2) nvx молекул. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим пограничный слой газа вблизи одной из стенок, заполненный молекулами с одинаковыми величинами v и vx (рис. 1). Предположим, что толщина этого слоя настолько мала, что большинство молекул пролетают его без столкновений. Молекула А долетит до стенки в момент времени t = l /vx ; к этому времени о стенку ударится ровно половина молекул из пограничного слоя (другая половина движется от стенки). Их число определяется плотностью газа и объемом пограничного слоя площадью А и толщиной l: N = (1/2) nAl. Тогда число молекул, ударившихся о единичную площадку за 1 с, составит N/At = (1/2) nvx, и полный импульс, переданный этой площадке за 1 с, будет равен (1/2) nvx Ч2mvx = nmvx2. На самом деле составляющая vх неодинакова для разных молекул, поэтому величину vx2 следует заменить ее средним значением

и">


. Если молекулы движутся хаотически, то среднее всех vх равно среднему для vy и vz, так что


и




где - среднее для всех молекул значение v2. Удары молекул о стенку так быстро следуют один за другим, что последовательность передаваемых импульсов воспринимается как постоянное давление Р. Величину Р можно найти, если вспомнить, что давление - это сила, действующая на единицу площади, а сила, в свою очередь, - это скорость изменения импульса. Следовательно, Р равно скорости изменения импульса, приходящегося на единицу площади, т.е.


Такое же соотношение мы получим, если вместо случайного движения молекул во всех направлениях будем рассматривать движение одной шестой их числа перпендикулярно каждой из шести граней прямоугольного сосуда, считая, что каждая молекула обладает кинетической энергией
Закон Бойля - Мариотта. В формуле (1) через n обозначено не полное число молекул, а число молекул в единице объема. Если то же число молекул поместить в половину объема (не изменив при этом температуру), то величина n удвоится, при этом удвоится и давление, если v2 не зависит от плотности. Иначе говоря, при постоянной температуре давление газа обратно пропорционально объему. Английский физик Р. Бойль и французский физик Э. Мариотт экспериментально установили, что при низких давлениях это утверждение справедливо для любого газа. Таким образом, закон Бойля - Мариотта можно объяснить, сделав разумное предположение, что при низких давлениях скорость молекул не зависит от n.
Закон Дальтона. Если в сосуде находится смесь газов, т.е. имеются несколько разных сортов молекул, то импульс, передаваемый стенке молекулами каждого сорта, не зависит от того, присутствуют ли молекулы других сортов. Таким образом, согласно молекулярно-кинетической теории, давление смеси двух или большего числа идеальных газов равно сумме давлений, которые создавал бы каждый из газов, если бы занимал весь объем. В этом и состоит закон Дальтона, которому подчиняются газовые смеси при низких давлениях.
Скорости молекул. Формула (1) позволяет оценить среднюю скорость молекул газа. Так, атмосферное давление на уровне моря составляет примерно 106 дин/см2 (0,1 МПа), а масса 1 см3 воздуха равна 0,0013 г. Подставив эти значения в формулу (1), мы получим для скорости молекул очень большую величину:


На большой высоте над уровнем моря, где атмосфера очень разрежена, молекулы воздуха за секунду могут перемещаться на огромные расстояния, не сталкиваясь друг с другом. У поверхности Земли наблюдается иная картина: за 1 с каждая молекула сталкивается с другими молекулами в среднем ок. 800 миллионов раз. Она описывает в высшей степени изломанную траекторию, и в отсутствие воздушных потоков через одну секунду с высокой вероятностью оказывается на расстоянии всего 1-2 см от того места, где она находилась в начале этой секунды.
Закон Авогадро. Как мы уже говорили, воздух при комнатной температуре имеет плотность примерно 0,0013 г/см3 и создает давление МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ106 дин/см2. Газообразный водород, плотность которого при комнатной температуре равна всего лишь 0,00008 г/см3, тоже создает давление в 106 дин/см2. Согласно формуле (1), давление газа пропорционально числу молекул в единице объема и их средней кинетической энергии. В 1811 итальянский физик А.Авогадро выдвинул гипотезу, согласно которой равные объемы различных газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул. Если эта гипотеза верна, то из соотношения (1) получим, что для разных газов при указанных выше условиях величина (1/2) mv2 одинакова, т.е. одинакова средняя кинетическая энергия молекул. Этот вывод вполне согласуется с молекулярно-кинетической теорией
(см. также ТЕПЛОТА).
Масса 1 см3 водорода мала не потому, что в данном объеме присутствует меньше молекул, а потому, что масса каждой молекулы водорода в несколько раз меньше массы молекулы азота или кислорода - газов, из которых в основном состоит воздух. Установлено, что число молекул любого газа в 1 см3 при 0° С и нормальном атмосферном давлении равно 2,687*10 19.
Средняя длина свободного пробега. Важной величиной в молекулярно-кинетической теории газов является среднее расстояние, пробегаемое молекулой между двумя столкновениями. Эта величина называется средней длиной свободного пробега и обозначается через L. Вычислить ее можно следующим образом. Представим себе, что молекулы - это сферы радиусом r ; тогда их центры при столкновении будут находиться на расстоянии 2r друг от друга. При своем движении молекула "задевает" все молекулы в пределах поперечного сечения площадью p (2r)2 и, перемещаясь на расстояние L, она "заденет" все молекулы в объеме 4pr2L, так что среднее число молекул, с которыми она столкнется, будет равно 4pr2Ln. Чтобы найти L, нужно принять это число равным 1, откуда

Из этого соотношения можно прямо найти радиус молекулы, если известна величина L (ее можно найти из измерений вязкости газа; см. ниже). Величина r оказывается порядка 10-8 см, что согласуется с результатами других измерений, а L для типичных газов при обычных условиях составляет от 100 до 200 диаметров молекул. В таблице приведены значения L для атмосферного воздуха на разной высоте над уровнем моря.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛ ПО СКОРОСТЯМ
В середине 19 в. происходило не только развитие молекулярно-кинетической теории, но и становление термодинамики. Некоторые понятия термодинамики оказались полезными и для молекулярно-кинетической теории - это в первую очередь абсолютная температура и энтропия.
Тепловое равновесие. В термодинамике свойства веществ рассматриваются в основном исходя из представления о том, что любая система стремится к состоянию с наибольшей энтропией и, достигнув такого состояния, не может самопроизвольно выйти из него. Такое представление согласуется с молекулярно-кинетическим описанием поведения газа. Совокупность молекул газа обладает некоторой суммарной энергией, которая может быть распределена между отдельными молекулами огромным числом способов. Каким бы ни было начальное распределение энергии, если газ предоставить самому себе, то энергия быстро перераспределится и газ придет в состояние теплового равновесия, т.е. в состояние с наибольшей энтропией. Попытаемся сформулировать это утверждение более строго. Пусть N (E) dЕ - это число молекул газа с кинетической энергией в интервале от E до Е + dE. Независимо от начального распределения энергии газ, предоставленный сам себе, придет в состояние теплового равновесия с характерной функцией N (E), соответствующей установившейся температуре. Вместо энергий можно рассматривать скорости молекул. Обозначим через f (v) dv число молекул со скоростями, лежащими в интервале от v до v + dv. В газе всегда найдется некоторое число молекул со скоростями в интервале от v до v + dv. Уже мгновение спустя ни одна из этих молекул не будет обладать скоростью, лежащей в указанном интервале, поскольку все они претерпят одно или несколько столкновений. Но зато другие молекулы со скоростями, ранее значительно отличавшимися от v, в результате столкновений приобретут скорости, лежащие в интервале от v до v + dv. Если газ находится в стационарном состоянии, то число молекул, которые приобретут скорость v, через достаточно большой промежуток времени будет равно числу молекул, скорость которых перестанет быть равной v. Только в этом случае функция n (v) может оставаться постоянной. Это число, разумеется, зависит от распределения молекул газа по скоростям. Форму этого распределения в покоящемся газе установил Максвелл: если всего имеется N молекул, то число молекул со скоростями в интервале от v до v + dv равно


где параметр b зависит от температуры (см. ниже).
Газовые законы. Приведенные выше оценки для средней скорости молекул воздуха на уровне моря соответствовали обычной температуре. Согласно молекулярно-кинетической теории, кинетическая энергия всех молекул газа и есть та теплота, которой он обладает. При более высокой температуре молекулы движутся быстрее и газ содержит больше теплоты. Как следует из формулы (1), если объем газа постоянен, то с ростом температуры его давление повышается. Именно так ведут себя все газы (закон Шарля). Если же газ нагревать при постоянном давлении, то он будет расширяться. Установлено, что при низком давлении для любого газа объемом V, содержащим N молекул, произведение давления на объем пропорционально абсолютной температуре:


где T - абсолютная температура, k - константа. Из закона Авогадро следует, что величина k одинакова для всех газов. Она называется постоянной Больцмана и равна 1,38*10 -14 эрг/К. Сравнив выражения (1) и (3), нетрудно заметить, что полная энергия поступательного движения N молекул, равная (1/2) Nmv2, пропорциональна абсолютной температуре и равна

С другой стороны, проинтегрировав выражение (2), получим, что полная энергия поступательного движения N молекул равна 3Nm /4b 2. Отсюда


Подставив выражение (5) в формулу (2), можно найти распределение молекул по скоростям при любой температуре T. Молекулы многих распространенных газов, например азота и кислорода (основных компонентов атмосферного воздуха), состоят из двух атомов, а их молекула напоминает по форме гантель. Каждая такая молекула не только движется поступательно с огромной скоростью, но и очень быстро вращается. Помимо энергии поступательного движения, N молекул обладают энергией вращательного движения NkT, так что полная энергия N молекул равна (5/2) NkT.
Экспериментальная проверка распределения Максвелла. В 1929 появилась возможность непосредственно находить распределение молекул газа по скоростям. Если в стенке сосуда, содержащего газ или пар при определенной температуре, проделать маленькое отверстие или прорезать узкую щель, то молекулы будут вылетать через них наружу, каждая со своей скоростью. Если отверстие ведет в другой сосуд, из которого откачан воздух, то большинство молекул до первого столкновения успеют пролететь расстояние в несколько сантиметров. В установке, схематически изображенной на рис. 2, имеется сосуд V, содержащий газ или пар, молекулы которого вылетают через щель S1; S2 и S3 - щели в поперечных пластинах; W1 и W2 - два диска, насаженных на общий вал R. В каждом диске прорезано несколько радиальных щелей. Щель S3 расположена так, что, если бы не было дисков, вылетевшие из щели S1 и прошедшие сквозь щель S2 молекулы пролетали бы и сквозь щель S3 и попадали на детектор D. Если одна из щелей диска W1 окажется напротив щели S2, то молекулы, пролетевшие сквозь щели S1 и S2, пройдут и сквозь щель диска W1, но их задержит диск W2, насаженный на вал R так, что его щели не совпадают со щелями диска W1. Если диски неподвижны или медленно вращаются, то молекулы из сосуда V не попадают в детектор D. Если же диски быстро вращаются с постоянной скоростью, то некоторые из молекул проходят сквозь оба диска. Нетрудно понять, какие молекулы смогут преодолеть оба препятствия, - те, которые преодолеют расстояние от W1 до W2 за время, необходимое для смещения щели диска W2 на нужный угол. Например, если все щели диска W2 повернуты на угол 2° относительно щелей диска W1, то в детектор попадут молекулы, которые пролетают от W1 до W2 за время поворота диска W2 на 2°. Изменяя частоту вращения вала с дисками, можно измерять скорости молекул, вылетающих из сосуда V, и построить их распределение. Полученное таким образом распределение хорошо согласуется с максвелловским.



Броуновское движение. В 19 в. метод измерения скоростей молекул, описанный выше, еще не был известен, но одно явление позволяло наблюдать непрестанное тепловое движение молекул в жидкости. Шотландский ботаник Р.Браун (в прежней транскрипции - Броун) в 1827, наблюдая под микроскопом за частицами цветочной пыльцы, взвешенными в воде, обнаружил, что они не стоят на месте, а все время движутся, словно что-то толкает их то в одну, то в другую сторону. Позднее было высказано предположение, что хаотическое движение частиц вызвано непрерывным тепловым движением молекул жидкости, а точные исследования движения, получившего название броуновского, подтвердили правильность этой гипотезы
(см. БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ).
Теплоемкость газа или пара. Количество теплоты, необходимое для повышения температуры некоторого количества вещества на 1 градус, называется его теплоемкостью. Из формулы (4) следует, что если температуру газа повысить при постоянном объеме от T до T + 1, то энергия поступательного движения увеличится на (3/2) Nk. Вся тепловая энергия одноатомного газа есть энергия поступательного движения. Следовательно, теплоемкость такого газа при постоянном объеме Cv = (3/2) Nk, а теплоемкость на одну молекулу составляет (3/2) k. Теплоемкость N двухатомных молекул, обладающих еще и энергией вращательного движения kT, равна Cv = (5/2) Nk, а на одну молекулу приходится (5/2) k. В обоих случаях теплоемкость не зависит от температуры, а тепловая энергия дается выражением


Давление насыщенного пара. Если налить немного воды в большой закрытый сосуд, в котором есть воздух, но отсутствуют водяные пары, то некоторое ее количество немедленно испарится и частички пара начнут распространяться по всему сосуду. Если объем сосуда очень велик по сравнению с объемом воды, то испарение будет идти до тех пор, пока вся вода не превратится в пар. Если же воды налито достаточно много, то испарится не вся она; скорость испарения будет постепенно уменьшаться и в конце концов процесс остановится - произойдет насыщение объема сосуда водяными парами. С позиций молекулярно-кинетической теории это объясняется следующим образом. Время от времени та или иная молекула воды, находящаяся в жидкой среде вблизи поверхности, получает от соседних молекул достаточно энергии, чтобы вырваться в паровоздушную среду. Здесь она сталкивается с другими такими же молекулами и с молекулами воздуха, описывая весьма замысловатую зигзагообразную траекторию. В своем движении она также ударяется о стенки сосуда и о поверхность воды; при этом она может отскочить от воды или поглотиться ею. Пока вода испаряется, число молекул пара, захватываемых ею из паровоздушной среды, остается меньше числа молекул, покидающих воду. Но наступает момент, когда эти величины уравниваются - устанавливается равновесие, и давление пара достигает насыщения. В таком состоянии число молекул в единице объема пара над жидкостью остается постоянным (конечно, если постоянна температура). Такая же картина наблюдается и для твердых тел, но для большинства тел давление пара становится ощутимым только при высоких температурах.
КОЛЕБАНИЯ АТОМОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ И ЖИДКОСТЯХ
Рассматривая под микроскопом хорошо сохранившуюся древнегреческую или древнеримскую гемму, можно увидеть, что ее детали остались такими же четкими, какими они, по-видимому, были, когда гемма только что вышла из рук изготовившего ее мастера. Ясно, что за огромное время лишь очень немногие атомы смогли "вырваться" с поверхности камня, из которого сделана гемма, - в противном случае ее детали со временем потеряли бы четкость. Большинство атомов твердого тела могут совершать только колебательные движения относительно некоторого фиксированного положения, и с повышением температуры лишь увеличиваются средняя частота этих колебаний и их амплитуда. Когда вещество начинает плавиться, поведение его молекул становится похожим на поведение молекул жидкости. Если в твердом теле каждая частица колеблется в небольшом объеме, занимающем в пространстве фиксированное положение, то в жидкости и сам этот объем медленно и беспорядочно перемещается, а вместе с ним перемещается и колеблющаяся частица.
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ГАЗА
В любом неравномерно нагретом теле теплота передается от более теплых его частей к более холодным. Это явление называется теплопроводностью. Используя молекулярно-кинетическую теорию, можно найти скорость, с которой газ проводит тепло. Рассмотрим газ, заключенный в прямоугольный сосуд, верхняя поверхность которого имеет более высокую температуру, чем нижняя. Температура газа в сосуде постепенно понижается при переходе от верхних слоев к нижним - в газе существует температурный градиент. Рассмотрим тонкий горизонтальный слой газа АВ, имеющий температуру Т (рис. 3), и соседний слой CD с несколько более высокой температурой, T ў. Пусть расстояние между АВ и CD равно средней длине свободного пробега L. Согласно формуле (4), средняя энергия молекулы в слое АВ пропорциональна температуре Т, а в слое CD - температуре T". Рассмотрим молекулу из слоя АВ, которая сталкивается с другой молекулой в точке А, после чего движется без столкновений до точки С; с большой вероятностью она попадет в слой CD с энергией, соответствующей слою АВ. И наоборот, молекула из слоя CD, движущаяся без столкновений из точки D в точку В, с большой вероятностью попадет в слой АВ с большей энергией, соответствующей слою CD, откуда она вылетела. Ясно, что при таких столкновениях от CD к АВ передается больше энергии, чем от АВ к CD, - от более теплого слоя к более холодному идет непрерывный поток тепла. Такая же картина наблюдается для всех слоев в газе.



Скорость распространения тепла можно вычислить с достаточно хорошей точностью, даже если пренебречь тем, что длина свободного пробега одних молекул больше, а других - меньше средней. Рассмотрим плоскость FG, параллельную плоскостям АВ и CD и проходящую посредине между ними (рис. 3), и выделим единичную площадку этой плоскости. Если в единице объема имеется n молекул, движущихся со средней скоростью с, то за 1 с (1/2) nc молекул пересекут FG снизу вверх и перенесут энергию (1/2) ncE ; такое же число молекул пересечет FG сверху вниз и перенесет энергию (1/2) ncEў, где E и Еў - средние энергии молекул при температурах Т и Т". Таким образом, если бы оба потока молекул двигались перпендикулярно плоскости FG, то разность перенесенных энергий была бы равна (1/2) nc (Е" - Е). Но молекулы пересекают FG под всевозможными углами, и, чтобы учесть это, указанную величину следует умножить на 2/3. Используя соотношение (6), получим

Где Cv - теплоемкость n молекул, содержащихся в единице объема. При переходе от CD к АВ, находящихся друг от друга на расстоянии L, температура понижается на (Т" - Т) и если dT/dz - градиент температуры в направлении, перпендикулярном плоскости FG, то


Подставляя разность температур, выраженную через градиент, в формулу (7), получаем, что полная энергия, переносимая через единичную площадку за 1 с, равна

Величина K, описываемая выражением K = (1/3)CvcL,
называется коэффициентом теплопроводности газа.
ВЯЗКОСТЬ ГАЗА
Если измерять скорость течения реки на разной глубине, то можно обнаружить, что у дна вода почти неподвижна, а чем ближе к поверхности, тем быстрее она движется. Таким образом, в речном потоке имеется градиент скорости, аналогичный рассмотренному выше градиенту температуры; при этом благодаря вязкости каждый выше расположенный слой увлекает за собой соседний, лежащий под ним. Такая картина наблюдается не только в жидкостях, но и в газах. Используя молекулярно-кинетическую теорию, попытаемся определить вязкость газа. Предположим, что газ течет слева направо и что в горизонтальном слое CD на рис. 3 скорость течения больше, чем в слое АВ, расположенном непосредственно под CD. Пусть, как и прежде, расстояние между плоскостями равно средней длине свободного пробега. Молекулы газа быстро движутся по всему объему по хаотическим траекториям, но на это хаотическое движение накладывается направленное движение газа. Пусть u - скорость потока газа в слое АВ (в направлении от А к В), а u" - несколько большая скорость в слое CD (в направлении от C к D). Помимо импульса, обусловленного хаотическим движением, молекула в слое АВ обладает импульсом mu, а в слое CD - импульсом muў. Молекулы, переходящие без столкновений из АВ в CD, переносят в слой CD импульс mu, соответствующий слою АВ, тогда как частицы, попадающие из CD в АВ, смешиваются с молекулами из АВ и приносят с собой импульс mu". Следовательно, из CD в АВ через единичную площадку плоскости FG за 1 с постоянно переносится импульс, равный

Поскольку скорость изменения импульса равна силе, мы получили выражение силы, приходящейся на единицу площади, с которой один слой действует на другой: более медленный слой тормозит более быстрый, а тот, напротив, увлекая за собой более медленный слой, ускоряет его. Аналогичные силы действуют между соседними слоями во всем объеме текущего газа. Если du/dz -градиент скорости в газе в направлении, перпендикулярном FG, то

Величина nm в формуле (8) есть масса газа в единице объема; если обозначить эту величину через r, то сила, приходящаяся на единицу площади, будет равна


где коэффициент (1/3)rLc - вязкость газа. Из последних двух разделов статьи следуют два вывода. Первый состоит в том, что отношение вязкости к теплопроводности равно r/Cv. Второй вытекает из приведенного ранее выражения для L и состоит в том, что вязкость газа зависит только от его температуры и не зависит от давления и плотности. Правильность обоих выводов с высокой точностью подтверждена экспериментально.
См. также
ТЕПЛОТА ;
СТАТИСТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА ;
ТЕРМОДИНАМИКА .
ЛИТЕРАТУРА
Гиршфельд Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М., 1961 Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л., 1975 Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М., 1976

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Смотреть что такое "МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ" в других словарях:

    - (сокращённо МКТ) теория XIX века, рассматривавшая строение вещества, в основном газов, с точки зрения трёх основных приближенно верных положений: все тела состоят из частиц: атомов, молекул и ионов; частицы находятся в непрерывном… … Википедия

    - (сокращённо МКТ) теория, рассматривающая строение вещества с точки зрения трёх основных приближенно верных положений: все тела состоят из частиц, размером которых можно пренебречь: атомов, молекул и ионов; частицы находятся в непрерывном… … Википедия

Основные положения молекулярно-кинетической теории.

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) занимается изучением свойств веществ, основываясь при этом на представлениях о частицах вещества.

МКТ базируется на трех основных положениях:

1. Все вещества состоят из частиц - молекул, атомов и ионов.

2. Частицы вещества беспрерывно и беспорядочно движутся.

3. Частицы вещества взаимодействуют друг с другом.

Беспорядочное (хаотичное) движение атомов и молекул в веществе называют тепловым движением, потому что скорость движения частиц увеличивается с ростом температуры. Экспериментальным подтверждением непрерывного движения атомов и молекул в веществе является броуновское движение и диффузия.

Частицы вещества.

Все вещества и тела в природе состоят из атомов и молекул - групп атомов. Такие большие тела называются макроскопическими. Атомы и молекулы относятся к микроскопическим телам. Современные приборы (ионные проекторы, туннельные микроскопы) позволяют видеть изображения отдельных атомов и молекул.
Основа строения вещества - атомы. Атомы тоже имеют сложную структуру, они состоят из элементарных частиц - протонов, нейтронов, входящих в состав ядра атома, электронов, а также других элементарных частиц.
Атомы могут объединяться в молекулы, а могут быть вещества, состоящие только из атомов. Атомы в целом электронейтральны. Атомы, имеющие избыток или недостаток электронов называются ионами. Бывают положительные и отрицательные ионы.

На иллюстрации показаны примеры разных веществ, имеющих строение соответственно в виде атомов, молекул и ионов.

Силы взаимодействия между молекулами.

На очень малых расстояниях между молекулами действуют силы отталкивания. Благодаря этому молекулы не проникают друг в друга и куски вещества никогда не сжимаются до размеров одной молекулы. Молекула - это сложная система, состоящая из отдельных заряженных частиц: электронов и атомных ядер. Хотя в целом молекулы электрически нейтральны, но между ними на малых расстояниях действуют значительные электрические силы: происходит взаимодействие электронов и атомных ядер соседних молекул. Если молекулы находятся на расстояниях, превышающих их размеры в несколько раз, то силы взаимодействия практически не сказываются. Силы между электрически нейтральными молекулами являются короткодействующими. На расстояниях, превышающих 2 - 3 диаметра молекул, действуют силы притяжения. По мере уменьшения расстояния между молекулами сила притяжения сначала увеличивается, а затем начинает убывать и убывает до нуля, когда расстояние между двумя молекулами становится равным сумме радиусов молекул. При дальнейшем уменьшении расстояния электронные оболочки атомов начинают перекрываться, и между молекулами возникают быстро нарастающие силы отталкивания.

Идеальный газ. Основное уравнение МКТ.

Известно, что частицы в газах, в отличие от жидкостей и твердых тел, располагаются друг относительно друга на расстояниях, существенно превышающих их собственные размеры. В этом случае взаимодействие между молекулами пренебрежимо мало и кинетическая энергия молекул много больше энергии межмолекулярного взаимодействия. Для выяснения наиболее общих свойств, присущих всем газам, используют упрощенную модель реальных газов - идеальный газ. Основные отличия идеального газа от реального газа:

1. Частицы идеального газа - сферические тела очень малых размеров, практически материальные точки.
2. Между частицами отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия.
3. Соударения частиц являются абсолютно упругими.

Реальные разреженные газы действительно ведут себя подобно идеальному газу. Воспользуемся моделью идеального газа для объяснения происхождения давления газа. Вследствие теплового движения, частицы газа время от времени ударяются о стенки сосуда. При каждом ударе молекулы действуют на стенку сосуда с некоторой силой. Складываясь друг с другом, силы ударов отдельных частиц образуют некоторую силу давления, постоянно действующую на стенку. Понятно, что чем больше частиц содержится в сосуде, тем чаще они будут ударяться о стенку сосуда, и тем большей будет сила давления, а значит и давление. Чем быстрее движутся частицы, тем сильнее они ударяют в стенку сосуда. Мысленно представим себе простейший опыт: катящийся мяч ударяется о стенку. Если мяч катится медленно, то он при ударе подействует на стенку с меньшей силой, чем если бы он двигался быстро. Чем больше масса частицы, тем больше сила удара. Чем быстрее движутся частицы, тем чаще они ударяются о стенки сосуда. Итак, сила, с которой молекулы действуют на стенку сосуда, прямо пропорциональна числу молекул, содержащихся в единице объема (это число называется концентрацией молекул и обозначается n), массе молекулы m o , среднему квадрату их скоростей и площади стенки сосуда. В результате получаем: давление газа прямо пропорционально концентрации частиц, массе частицы и квадрату скорости частицы (или их кинетической энергии). Зависимость давления идеального газа от концентрации и от средней кинетической энергии частиц выражается основным уравнением молекулярно-кинетической теории идеального газа. Мы получили основное уравнение МКТ идеального газа из общих соображений, но его можно строго вывести, опираясь на законы классической механики. Приведем одну из форм записи основного уравнения МКТ:
P=(1/3)· n· m o · V 2 .

Атомы или молекулы, из которых состоит газ, свободно движутся на значительном удалении друг от друга и взаимодействуют только при соударениях друг с другом (далее, чтобы не повторяться, я буду упоминать только «молекулы», подразумевая под этим «молекулы или атомы»). Поэтому молекула движется прямолинейно лишь в промежутках между соударениями, меняя направление движения после каждого такого взаимодействия с другой молекулой. Средняя длина прямолинейного отрезка движения молекулы газа называется усредненным свободным путем. Чем выше плотность газа (и, следовательно, меньше среднее расстояние между молекулами), тем короче средний свободный путь между столкновениями.

Во второй половине XIX века столь простая внешне картина атомно-молекулярной структуры газов усилиями ряда физиков-теоретиков развилась в мощную и достаточно универсальную теорию. В основу новой теории легла идея о связи измеримых макроскопических показателей состояния газа (температуры, давления и объема) с микроскопическими характеристиками — числом, массой и скоростью движения молекул. Поскольку молекулы постоянно находятся в движении и, как следствие, обладают кинетической энергией, эта теория и получила название молекулярно-кинетической теории газов.

Возьмем, к примеру, давление. В любой момент времени молекулы ударяются о стенки сосуда и при каждом ударе передают им определенный импульс силы, который сам по себе крайне мал, однако суммарное воздействие миллионов молекул производит к значительному силовому воздействию на стенки, которое и воспринимается нами как давление. Например, накачивая автомобильное колесо, вы перегоняете молекулы атмосферного воздуха внутрь замкнутого объема шины дополнительно к числу молекул, уже находящихся внутри нее; в результате концентрация молекул внутри шины оказывается выше, чем снаружи, они чаще ударяются о стенки, давление внутри шины оказывается выше атмосферного, и шина становится накачанной и упругой.

Смысл теории состоит в том, что по среднему свободному пути молекул мы можем рассчитать частоту их столкновений со стенками сосуда. То есть, располагая информацией о скорости движения молекул, можно рассчитать характеристики газа, поддающиеся непосредственному измерению. Иными словами, молекулярно-кинетическая теория дает нам прямую связь между миром молекул и атомов и осязаемым макромиром.

То же самое касается и понимания температуры в рамках этой теории. Чем выше температура, тем больше средняя скорость молекул газа. Эта взаимосвязь описывается следующим уравнением:

1/2mv 2 = kT

где m — масса одной молекулы газа, v — средняя скорость теплового движения молекул, Т — температура газа (в Кельвинах), а k — постоянная Больцмана . Основное уравнение молекулярно-кинетической теории определяет прямую связь между молекулярными характеристиками газа (слева) и измеримыми макроскопическими характеристиками (справа). Температура газа прямо пропорциональна квадрату средней скорости движения молекул.

Молекулярно-кинетическая теория также дает достаточно определенный ответ на вопрос об отклонениях скоростей отдельных молекул от среднего значения. Каждое столкновение между молекулами газа приводит к перераспределению энергии между ними: слишком быстрые молекулы замедляются, слишком медленные — ускоряются, что и приводит к усреднению. В любой момент в газе происходят несчетные миллионы таких столкновений. Тем не менее выяснилось, что при заданной температуре газа, находящегося в стабильном состоянии, среднее число молекул, обладающих определенной скоростью v или энергией Е , не меняется. Происходит это потому, что со статистической точки зрения вероятность того, что молекула с энергией Е изменит свою энергию и перейдет в близкое энергетическое состояние, равна вероятности того, что другая молекула, наоборот, перейдет в состояние с энергией Е. Таким образом, хотя каждая отдельно взятая молекула обладает энергией Е лишь эпизодически, среднее число молекул с энергией Е остается неизменным. (Аналогичную ситуацию мы наблюдаем в человеческом обществе. Никто не остается семнадцатилетним дольше одного года — и слава Богу! — однако в среднем процент семнадцатилетних в стабильном человеческом сообществе остается практически неизменным.)

Эта идея усредненного распределения молекул по скоростям и ее строгая формулировка принадлежит Джеймсу Кларку Максвеллу — этому же выдающемуся теоретику принадлежит и строгое описание электромагнитных полей (см. Уравнения Максвелла). Именно он вывел распределение молекул по скоростям при заданной температуре (см. рисунок). Больше всего молекул пребывают в энергетическом состоянии, соответствующем пику распределения Максвелла и средней скорости, однако, фактически, скорости молекул варьируются в достаточно больших пределах.

Нас окружают разнообразные предметы. Мы можем увидеть, что это либо твердые тела, либо жидкости, либо газы. Возникает масса вопросов обо всем, что нас окружает. Ответы на многие вопросы дает молекулярно-кинетическая теория .

Молекулярно-кинетическая теория – это совокупность воззрений, используемых для описания наблюдаемых и измеряемых свойств вещества на основе изучения свойств атомов и молекул данного вещества, их взаимодействия и движения.

Основные положения молекулярно-кинетической теории

  • Все тела состоят из частиц – атомов, молекул, ионов.
  • Все частицы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении.
  • Между частицами любого тела существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания.

Таким образом, в молекулярно-кинетической теории объектом исследования является система, состоящая из большого количества частиц – макросистема . Для объяснения поведения такой системы законы механики не применимы. Поэтому основным методом исследования является статистический метод изучения свойств вещества.

Для объяснения и предсказания явлений важно знать основные характеристики молекул :

  1. Размеры

Оценка размера молекулы может быть сделана как размер кубика a в котором содержится одна молекула, исходя из плотности твердых или жидких веществ и массы одной молекулы:

  1. Масса молекул

Отношение массы вещества m к числу молекул N в данном веществе:

  1. Относительная молекулярная масса

Отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода:

  1. Количество вещества

Количество вещества равно отношению числа частиц N в теле (атомов – в атомарном веществе, молекул – в молекулярном) к числу молекул в одном моле веществаN А:

  1. Постоянная Авогадро

Количество молекул, содержащихся в 1 моль вещества.

  1. Молярная масса

Молярной массой вещества называют массу вещества, взятого в количестве 1 моля.

В Международной системе единиц молярная масса вещества выражается в кг/моль .

  1. Взаимодействие (количественно на основе опытов)

Для взаимодействия молекул характерно одновременно и притяжение, и отталкивание: на расстояниях r 0 доминирует отталкивание, на расстоянии r>r 0 – притяжение, причем оно быстро убывает. На расстоянии r 0 система двух молекул обладает минимумом потенциальной энергии (сила взаимодействия равна нулю) – это состояние устойчивого равновесия

Молекулярно-кинетическая теория дает возможность понять, почему вещество может находиться в газообразном, жидком и твердом состояниях. С точки зрения МКТ агрегатные состояния различаются по значению среднего расстояния между молекулами и характеру движения молекул друг относительно друга .

Основные положения молекулярно-кинетической теории неоднократно подтверждались различными физическими экспериментами. Например, исследованием:

А) Диффузии

Б) Броуновского движения

Краткие итоги

Молекулярно-кинетическая теория объясняет строение и свойства тел на основе движения и взаимодействия атомов, молекул и ионов. В основе МКТ лежат три положения , которые полностью подтверждены экспериментально и теоретически:

1) все тела состоят из частиц – молекул, атомов, ионов;

2) частицы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении;

3) между частицами любого тела существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания.

Молекулярное строение вещества подтверждается непосредственным наблюдением молекул в электронных микроскопах, а также растворением твердых веществ в жидкостях, сжимаемостью и проницаемостью вещества. Тепловое движение – броуновским движением и диффузией. Наличие межмолекулярного взаимодействия прочностью и упругостью твердых тел, поверхностным натяжением жидкостей.

Опорный конспект к уроку:

Вопросы для самоконтроля по блоку «Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование»

  1. Сформулируйте основные положения молекулярно-кинетической теории.
  2. Какие наблюдения и эксперименты подтверждают основные положения молекулярно-кинетической теории?
  3. Что такое молекула? атом?
  4. Что называют относительной молекулярной массой? Какая формула выражает это понятие?
  5. Что называют количеством вещества? Какая формула выражает это понятие? Какова единица количества вещества?
  6. Что называют постоянной Авогадро?
  7. Что такое молярная масса вещества? Какая формула выражает смысл этого понятия? Какова единица молярной массы?
  8. Какова природа межмолекулярных сил?
  9. Какими свойствами обладают силы молекулярного взаимодействия?
  10. Как силы взаимодействия зависят от расстояния между ними?
  11. Опишите характер движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах.
  12. Каков характер упаковки частиц у газов, жидкостей и твердых тел?
  13. Каково среднее расстояние между молекулами у газов, жидкостей и твердых тел?
  14. Перечислите основные свойства газов, жидкостей, твердых тел.
  15. Что называют броуновским движением?
  16. О чем свидетельствует броуновское движение?
  17. Что называют диффузией? Приведите примеры диффузии в газах, жидкостях и твердых телах.
  18. 18. Как зависит скорость диффузии от температуры тел?

Рекомендуем также

Loading...Loading...