МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ.
ОПЫТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ МКТ:
Молекулярно-кинетическая теория – учение о строении и свойствах вещества, использующее представление о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химического вещества. В основе МКТ лежат три строго доказанных с помощью опытов утверждения:
— Вещество состоит из частиц – атомов и молекул, между кото-рыми существуют промежутки;
— Эти частицы находятся в хаотическом движении, на скорость которого влияет температура;
— Частицы взаимодействуют друг с другом.
То, что вещество действительно состоит из молекул, можно доказать, определив их размеры.: Капля масла расплывается по поверхности воды, об-разуя слой, толщина которого равна диаметру молекулы. Капля объемом 1 мм3 не может расплыться больше, чем на 0,6 м2:
Существуют также другие способы доказательства существования молекул, но перечислять их нет необходимости: современные приборы (элек-тронный микроскоп, ионный проектор) позволяют видеть отдельные атомы и молекулы.
Силы взаимодействия молекул. а) взаимодействие имеет электромаг-нитный характер; б) силы короткодействующие, обнаруживаются на рас-стояниях, сопоставимых с размерами молекул; в) существует такое расстоя-ние, когда силы притяжения и отталкивания равны (R0), если R>R0, тогда преобладают силы притяжения, если R<R0 – силы отталкивания.
Действие сил молекулярного притяжения обнаруживается в опыте со свинцовыми цилиндрами, слипающимися после очистки их поверхностей.
Молекулы и атомы в твердом теле совершают беспорядочные коле-бания относительно положений, в которых силы притяжения и отталкивания со стороны соседних атомов уравновешены. В жидкости молекулы не толь-ко колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседнее, эти перескоки молекул являются причиной текучести жидкости, ее способности принимать форму сосуда. В газах обычно расстояния между атомами и молекулами в среднем значитель-но больше размеров молекул; силы отталкивания на больших расстояниях не действуют, поэтому газы легко сжимаются; практически отсутствуют между молекулами газа и силы притяжения, поэтому газы обладают свойством не-ограниченно расширяться.
МАССА И РАЗМЕР МОЛЕКУЛ. ПОСТОЯННАЯ АВОГАДРО:
Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Единицей количества ве-щества является моль. Моль равен количеству вещества системы, содержа-щей столько же частиц, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода.
Отношение числа молекул к количеству вещества называется посто-янной Авогадро:
Постоянная Авогадро равна . Она показыва-ет, сколько атомов или молекул содержится в одном моле вещества.
Количество вещества можно найти как отношение числа атомов или молекул вещества к постоянной Авогадро:
Молярной массой называется величина, равная отношению массы вещества к количеству вещества:
Молярную массу можно выразить через массу молекулы:
Для определения массы молекул нужно разделить массу вещества на число молекул в нем:
БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ:
Броуновское движение – тепловое движение взвешенных в газе или жидкости частиц. Английский ботаник Роберт Броун (1773 – 1858) в 1827 году обнаружил беспорядочное движение видимых в микроскоп твердых частиц, находящихся в жидкости. Это явление было названо броуновским движением. Это движение не прекращается; с увеличением температуры его интенсивность растет. Броуновское движение – результат флуктуации давле-ния (заметного отклонения от средней величины).
Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга.
ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ:
У разреженного газа расстояние между молекулами во много раз превышает их размеры. В этом случае взаимодействие между молекулами пренебрежимо мало и кинетическая энергия молекул много больше потенци-альной энергии их взаимодействия.
Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии вместо реального газа используется его физическая модель — идеальный газ. В моде-ли предполагается:
— расстояние между молекулами чуть больше их диаметра;
— молекулы – упругие шарики;
— между молекулами не действуют силы притяжения;
— при соударении молекул друг с другом и со стенками сосуда действуют силы отталкивают;
— движения молекул подчиняется законам механики.
ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ МКТ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА:
Основное уравнение МКТ позволяет вычислить давление газа, если известны масса молекулы, среднее значение квадрата скорости и концентра-ция молекул.
Давление идеального газа заключается в том, что молекулы при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам ме-ханики как упругие тела. При столкновении молекулы со стенкой сосуда проекция скорости vx вектора скорости на ось OX, перпендикулярную стенке, изменяет свой знак на противоположный, но остается постоянной по модулю. Поэтому в результате столкновений молекулы со стенкой проекция ее им-пульса на ось OX изменяется от mv1x=-mvx до mv2x=mvx. Изменение импульса молекулы при столкновении со стенкой вызывает сила F1, действующая на нее со стороны стенки. Изменение импульса молекулы равно импульсу этой силы:
Во время столкновения, согласно третьему закону Ньютона, молеку-ла действует на стенку с силой F2, равной по модулю силе F1 и направленной противоположно.
Молекул много, и каждая передает стенке при столкновении такой же импульс. За секунду они передают импульс , где z – число столк-новений всех молекул со стенкой, которое пропорционально концентрации молекул в газе, скорости молекул и площади поверхности стенки: . К стенке движется только половина молекул, остальные движутся в обрат-ную сторону: . Тогда полный импульс, переданный стенке за 1 секунду: . Согласно второму закону Ньютона изменение импульса тела за единицу времени равно действующей на него силе:
Учитывая, что не все молекулы имеют одинаковую скорость, сила, действующая на стенку будет пропорциональна среднему квадрату скорости. Так как молекулы движутся во всех направлениях, средние значения квадра-тов проекций скорости равны. Следовательно, средний квадрат проекции скорости: ; . Тогда давление газа на стенку сосуда равно:
— основное уравнение МКТ.
Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа:
, получим
ТЕМПЕРАТУРА И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ:
Основное уравнение МКТ для идеального газа устанавливает связь легко измеряемого макроскопического параметра – давления – с такими мик-роскопическими параметрами газа, как средняя кинетическая энергия и кон-центрация молекул. Но, измерив только давление, мы не можем узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их кон-центрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужны измерения еще какой-то физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул. Такой величиной является темпе-ратура.
Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теп-лового равновесия. Тепловое равновесие – это такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными.
Температура характеризует состояние теплового равновесия сис-темы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равно-весии, имеют одну и ту же температуру.
Для измерения температуры можно воспользоваться изменением любой макроскопической величины в зависимости от температуры: объема, давления, электрического сопротивления и т.д.
Чаще всего на практике используют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры. При градуировке термометра обычно за начало отсчета (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосфер-ном давлении (шкала Цельсия). Так как различные жидкости расширяются при нагревании неодинаково, то установленная таким образом шкала будет до некоторой степени зависеть от свойств данной жидкости. Конечно, 0 и 100?С будут совпадать у всех термометров, но 50?С совпадать не будут.
В отличие от жидкостей все разреженные газы расширяются при на-гревании одинаково и одинаково меняют свое давление при изменении тем-пературы. Поэтому в физике для установления рациональной температурной шкалы используют изменение давления определенного количества разрежен-ного газа при постоянном объеме или изменение объема газа при постоянном давлении. Такую шкалу иногда называют идеальной газовой шкалой темпе-ратур.
