Молекулярная физика основные положения молекулярно кинетической теории. Основные положения мкт

Как правило, мы познаем мир через так называемые макроскопические тела (греч. "макрос" – большой). Это все тела, которые нас окружают: дома, машины, вода в стакане, вода в океане и т.д. Нас интересовало, что происходит с этими телами и вокруг них. Теперь нас будет интересовать также и то, что происходит внутри тел. На этот вопрос нам поможет ответить раздел физики, который называется МКТ.
МКТ – молекулярно-кинетическая теория. Она объясняет физические явления и свойства тел с точки зрения их внутреннего микроскопического строения. В основе этой теории лежат три утверждения:

Все тела состоят из малых частиц, между которыми есть промежутки.
Частицы тел постоянно и беспорядочно движутся.
Частицы тел взаимодействуют друг с другом: притягиваются и отталкиваются.

Эти утверждения называются основными положениями МКТ. Все они подтверждены многочисленными экспериментами.

При макроскопическом подходе нас интересуют сами тела: их размеры, объем, масса, энергия и так далее. Взгляните на рисунок слева. Например, макроскопически изучая водяные брызги, мы будем измерять их размеры, объем, массу.

При микроскопическом же подходе нас тоже интересуют размеры, объем, масса и энергия. Однако уже не самих тел, а тех частиц, из которых они состоят: молекул, ионов и атомов. Именно это и символизирует верхний рисунок. Но не следует думать, что молекулы, ионы и атомы можно увидеть в лупу. Этот рисунок – всего лишь художественная гипербола. Увидеть эти частицы можно лишь при помощи особых, так называемых электронных, микроскопов.

МКТ не всегда была научной теорией. Зародившись еще до Нашей эры, молекулярная (или, как ее называли прежде, – атомическая) теория оставалась лишь удобной гипотезой больше двух тысяч лет! И только в XX веке она превращается в полноправную физическую теорию. Вот как говорит об этом знаменитый физик Э.Резерфорд:

"Ни один физик или химик не может закрыть глаза перед той огромной ролью, какую в настоящее время играет в науке атомическая гипотеза. … К концу XIX столетия ее идеи пропитали очень большую область физики и химии. Представление об атомах делалось все более и более конкретным. … Простота и польза атомических воззрений при объяснении самых различных явлений физики и химии, естественно, подняли авторитет этой теории в глазах научных работников. Появилась тенденция рассматривать атомическую гипотезу уже не как полезную рабочую гипотезу, для которой очень трудно найти непосредственные и убедительные доказательства, а как один из твердо обоснованных фактов природы.

Но также не было и недостатка в ученых и философах, которые указывали на необоснованность этой теории, на которой, однако, было построено так много. Можно согласиться с полезностью идеи о молекулах для объяснения данных опытов, но какая у нас уверенность в том, что атомы действительно существуют, а не представляют только фикцию, плод нашей фантазии? Нужно, впрочем сказать, что этот недостаток непосредственных доказательств отнюдь не поколебал веру громадного большинства людей науки в зернистое строение материи.

Отрицание атомической теории никогда еще не способствовало и не будет способствовать открытию новых фактов. Большим преимуществом атомической теории является то, что она дает нам, так сказать, ощутимое конкретное представление о материи, которое не только служит нам для объяснения множества явлений, но оказывает также нам громадные услуги как рабочая гипотеза".

Существует два метода изучения свойств вещества: молекулярно-кинетический и термодинамический.

Молекулярно-кинетическая теория истолковывает свойства тел, которые непосредственно наблюдаются на опыте (давление, температуру и т.п.), как суммарный результат действия молекул. При этом она пользуется статистическим методом, интересуясь не движением отдельных молекул, а лишь средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое её название – статистическая физика.

Термодинамика изучает макроскопические свойства тел, не интересуясь их микроскопической картиной. В основе термодинамики лежит несколько фундаментальных законов (называемых началами термодинамики), установленных на основании обобщения большой совокупности опытных фактов. Термодинамика и молекулярно-кинетическая теория взаимно дополняют друг друга, образуя по существу единое целое.

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 (сокращённо МКТ) - теория, возникшая в XIX веке и рассматривающая 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 хаотическом движении (тепловом);

частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений .

МКТ стала одной из самых успешных физических теорий и была подтверждена целым рядом опытных фактов. Основными доказательствами положений МКТ стали:

Диффузия

Броуновское движение

Изменение агрегатных состояний вещества

На основе МКТ развит целый ряд разделов современной физики, в частности, физическая кинетика и статистическая механика . В этих разделах физики изучаются не только молекулярные (атомные или ионные) системы, находящиеся не только в «тепловом» движении, и взаимодействующие не только через абсолютно упругие столкновения. Термин же молекулярно-кинетическая теория в современной теоретической физике уже практически не используется, хотя он встречается в учебниках по курсу общей физики.

Идеальный газ - математическая модель газа , в которой предполагается, что: 1) потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией ; 2) суммарный объем молекул газа пренебрежимо мал. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги , а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями. В расширенной модели идеального газа частицы, из которого он состоит, имеют также форму в виде упругих сфер или эллипсоидов , что позволяет учитывать энергию не только поступательного, но и вращательно-колебательного движения, а также не только центральные, но и нецентральные столкновения частиц и др.

Различают классический идеальный газ (его свойства выводятся из законов классической механики и описываются статистикой Больцмана) и квантовый идеальный газ (свойства определяются законами квантовой механики, описываются статистиками Ферми - Дирака или Бозе - Эйнштейна )

Классический идеальный газ

Объём идеального газа линейно зависит от температуры при постоянном давлении

Свойства идеального газа на основе молекулярно-кинетических представлений определяются исходя из физической модели идеального газа, в которой приняты следующие допущения:

В этом случае частицы газа движутся независимо друг от друга, давление газа на стенку равно полному импульсу, переданному при столкновении частиц со стенкой в единицу времени, внутренняя энергия - сумме энергий частиц газа.

По эквивалентной формулировке идеальный газ - такой газ, который одновременно подчиняется закону Бойля - Мариотта и Гей-Люссака , то есть:

где - давление,- абсолютная температура. Свойства идеального газа описываютсяуравнением Менделеева - Клапейрона

,

где -, - масса,-молярная масса .

где -концентрация частиц , -постоянная Больцмана .

Для любого идеального газа справедливо соотношение Майера :

где -универсальная газовая постоянная , - молярнаятеплоемкость при постоянном давлении, - молярная теплоемкость при постоянном объёме.

Статистический расчет распределения скоростей молекул был выполнен Максвеллом.

Рассмотрим результат, полученный Максвеллом в виде графика.

Молекулы газа при своем движении постоянно сталкиваются. Скорость каждой молекулы при столкновении изменяется. Она может возрастать и убывать. Однако среднеквадратичная скорость остается неизменной. Это объясняется тем, что в газе, находящемся при определенной температуре, устанавливается некоторое стационарное, не меняющееся со временем распределение молекул по скоростям, которое подчиняется определенному статистическому закону. Скорость отдельной молекулы с течением времени может меняться, однако доля молекул со скоростями в некотором интервале скоростей остается неизменной.

Нельзя ставить вопрос: сколько молекул обладает определенной скоростью. Дело в том, что, хоть число молекул очень велико в любом даже малом объеме, но количество значений скорости сколь угодно велико (как чисел в последовательном ряде), и может случиться, что ни одна молекула не обладает заданной скоростью.

Основываясь на опыте Штерна, можно ожидать, что наибольшее число молекул будут иметь какую-то среднюю скорость, а доля быстрых и медленных молекул не очень велика. Необходимые измерения показали, что доля молекул , отнесенная к интервалу скорости Δv , т.е. , имеет вид, показанный на рис. 3.3. Максвелл в 1859 г. теоретически на основании теории вероятности определил эту функцию. С тех пор она называется функцией распределения молекул по скоростям или законом Максвелла.

Выведем функцию распределения молекул идеального газа по скоростям

- интервал скоростей вблизи скорости .

- число молекул, скорости которых лежат в интервале
.

- число молекул в рассматриваемом объеме.

- угол молекул, скорости которых принадлежат интервалу
.

- доля молекул в единичном интервале скоростей вблизи скорости .

- формула Максвелла.

Используя статистические методы Максвелла получим следующую формулу:

.

- масса одной молекулы,
- постоянная Больцмана.

Наивероятнейшая скорость определяется из условия
.

Решая получаем
;
.

Обозначим ч/з
.

Тогда
.

Рассчитаем долю молекул в заданном интервале скоростей вблизи заданной скорости в заданном направлении.

.

.

- доля молекул, которые имеют скорости в интервале
,
,
.

Развивая идеи Максвелла Больцман рассчитал распределение молекул по скоростям в силовом поле. В отличие от распределения Максвелла в распределении Больцмана вместо кинетической энергии молекул фигурирует сумма кинетической и потенциальной энергии.

В распределении Максвелла:
.

В распределении Больцмана:
.

В гравитационном поле

.

Для концентрации молекул идеального газа имеет место формула:

исоответственно.

- распределение Больцмана.

- концентрация молекул у поверхности Земли.

- концентрация молекул на высоте .

Теплоемкость.

Теплоемкостью тела называется физическая величина, равная отношению

,
.

Теплоемкость одного моля – молярная теплоемкость

.

Т.к.
- функция процесса
, то
.

Учитывая

;

;



.

- формула Майера.

Т.о. задача вычисления теплоемкости сводится к нахождению .

.

Для одного моля:

, отсюда
.

Двухатомный газ (О 2 , N 2 , Cl 2 , СО и т.д.).

(модель жесткой гантели).

Полное число степеней свободы:

.

Тогда
, то

;
.

Это значит, что теплоемкость должна быть постоянной. Вместе с тем опыт говорит, что теплоемкость зависит от температуры.

При понижении температуры "замараживаются" сначала колебательные степени свободы, а затем и вращательные степени свободы.

Согласно законам квантовой механики энергия гармонического осциллятора с классической частотой может принимать только дискретный набор значений

Многоатомные газы (H 2 O, CH 4 , C 4 H 10 O и т.д.).

;
;
;

Сравним теоретические данные с опытными.

Видно, что 2-х атомных газов равняется, но изменяется при низких температурах вопреки теории теплоемкости.

Такой ход кривой отсвидетельствует о «замораживании» степеней свободы. Наоборот при больших температурах подключаются дополнительные степени свободы эти данные ставят под сомнение теорему о равномерном распределении. Современная физика позволяет объяснить зависимость отиспользуя квантовые представления.

Квантовая статистика устранила трудности в объяснении зависимости теплоемкости газов (в частности двухатомных газов) от температуры. Согласно положениям квантовой механики, энергия вращательного движения молекул и энергия колебаний атомов могут принимать лишь дискретные значения. Если энергия теплового движения значительно меньше разности энергий соседних уровней энергии (), то при столкновении молекул вращательные и колебательные степени свободы практически не возбуждаются. Поэтому при низких температурах поведение двухатомного газа подобно поведению одноатомного. Так как разность между соседними вращательными уровнями энергии значительно меньше, чем между соседними колебательными уровнями (), то с ростом температуры сначала возбуждаются вращательные степени свободы. В результате этого возрастает теплоемкость. При дальнейшем увеличении температуры возбуждаются и колебательные степени свободы, и происходит дальнейший рост теплоемкости. А. Эйнштейн, приближенно считал, что колебания атомов кристаллической решетки независимы. Используя модель кристалла как совокупность независимо колеблющихся с одинаковой частотой гармонических осцилляторов, он создал качественную квантовую теорию теплоемкости кристаллической решетки. Эта теория впоследствии была развита Дебаем, который учел, что колебания атомов в кристаллической решетке не являются независимыми. Рассмотрев непрерывный спектр частот осцилляторов, Дебай показал, что основной вклад в среднюю энергию квантового осциллятора вносят колебания на низких частотах, соответствующих упругим волнам. Тепловое возбуждение твердого тела можно описать в виде упругих волн, распространяющихся в кристалле. Согласно корпускулярно–волновому дуализму свойств вещества, упругие волны в кристалле сопоставляют сквазичастицами–фононами , обладающими энергией .Фонон – квант энергии упругой волны, являющийся элементарным возбуждением, ведущим себя подобно микрочастице. Как квантование электромагнитного излучения привело к представлению о фотонах, так квантование упругих волн (как результата теплового колебания молекул твердых тел) привело к представлению о фононах. Энергия кристаллической решетки складывается из энергии фононного газа. Квазичастицы (в частности фононы) сильно отличаются от обычных микрочастиц (электронов, протонов, нейтронов и т.д.), так как они связаны с коллективным движением многих частиц системы.

Фононы не могут возникать в вакууме, они существуют только в кристалле.

Импульс фонона обладает своеобразным свойством: при столкновении фононов в кристалле их импульс может дискретными порциями передаваться кристаллической решетке – импульс при этом не сохраняется. Поэтому в случае фононов говорят о квазиимпульсе.

Фононы имеют спин, равный нулю, и являются бозонами, а потому фононный газ подчиняется статистике Бозе–Эйнштейна.

Фононы могут испускаться и поглощаться, но их число не сохраняется постоянным.

Применение статистики Бозе–Эйнштейна к фононному газу (газу из независимых бозе–частиц) привело Дебая к следующему количественному выводу. При высоких температурах, которые много больше характеристической температуры Дебая (классическая область), теплоемкость твердых тел описывается законом Дюлонга и Пти, согласно которому молярная теплоемкость химически простых тел в кристаллическом состоянии одинакова и не зависит от температуры. При низких температурах, когда (квантовая область), теплоемкость пропорциональна третьей степени термодинамической температуры: Характеристическая температура Дебая равна: , где – предельная частота упругих колебаний кристаллической решетки.

Центральное понятие этой темы - понятие молекулы; слож­ность его усвоения школьниками связана с тем, что молекула - объект, непосредственно ненаблюдаемый. Поэтому учитель дол­жен убедить десятиклассников в реальности микромира, в возмож­ности его познания. В связи с этим большое внимание уделяют рассмотрению экспериментов, доказывающих существование и движение молекул и позволяющих вычислить их основные ха­рактеристики (классические опыты Перрена, Рэлея и Штерна). Кроме этого, целесообразно ознакомить учащихся с расчетными методами определения характеристик молекул. При рассмотрении доказательства существования и движения молекул рассказывают учащимся о наблюдениях Броуном беспо­рядочного движения мелких взвешенных частиц, которое не прекращалось в течение всего времени наблюдения. В то время не было дано правильного объяснения причины этого движения, и лишь спустя почти 80 лет А. Эйнштейн и М. Смолуховский построили, а Ж. Перрен экспериментально подтвердил теорию броу­новского движения. Из рассмотрения опытов Броуна необходимо сделать следую­щие выводы: а) движение броуновских частиц вызывается уда­рами молекул вещества, в котором эти частицы взвешены; б) броуновское движение непрерывно и беспорядочно, оно зави­сит от свойств вещества, в котором частицы взвешены; в) движе­ние броуновских частиц позволяет судить о движении молекул среды, в которой эти частицы находятся; г) броуновское движение доказывает существование молекул, их движение и непрерывный и хаотический характер этого движения. Подтверждение такого характера движения молекул было по­лучено в опыте французского физика Дюнуайе (1911 г.), который показал, что молекулы газа движутся в различных направлениях и в отсутствие соударений их движение прямолинейно. В настоя­щее время факт существования молекул ни у кого не вызывает сомнения. Развитие техники позволило непосредственно наблю­дать крупные молекулы. Рассказ о броуновском движении целесообразно сопровождать демонстрацией модели броуновского движения в вертикальной проекции с помощью проекционного фонаря или кодоскопа, а так­же показом кинофрагмента «Броуновское движение» из кинофиль­ма «Молекулы и молекулярное движение». Кроме того, полезно провести наблюдение броуновского движе­ния в жидкостях с помощью микроскопа. Препарат изготавлива­ют из смеси равных частей двух растворов: 1%-ного раствора серной кислоты и 2%-ного водного раствора гипосульфита. В ре­зультате реакции образуются частицы серы, которые находятся в растворе во взвешенном состоянии. Две капли этой смеси поме­щают на предметное стекло и наблюдают за поведением частиц серы. Препарат можно изготовить из сильно разбавленного рас­твора молока в воде или из раствора акварельной краски в воде. При обсуждении вопроса о размерах молекул рассматривают сущность опыта Р. Рэлея, который заключается в следующем: на поверхность воды, налитой в большой сосуд, помещают каплю оливкового масла. Капля растекается по поверхности воды и об­разует круглую пленку. Рэлей предположил, что, когда капля пере­стает растекаться, ее толщина становится равной диаметру одной молекулы. Опыты показывают, что молекулы различных веществ имеют разные размеры, но для оценки размеров молекул прини­мают величину, равную 10 -10 м. В классе можно проделать ана­логичный опыт. Для демонстрации расчетного метода определения размеров молекул приводят пример вычисления диаметров молекул различ­ных веществ по их плотностям и постоянной Авогадро. Представить малые размеры молекул школьникам трудно, по этому полезно привести ряд примеров сравнительного характера. Например, если увеличить все размеры во столько раз, чтобы молекула была видна (т. е. до 0,1 мм), то песчинка превратилась бы в стометровую скалу, муравей увеличился бы до размеров океанского корабля, человек обладал бы ростом 1700 км. Число молекул в количестве вещества 1 моль можно опреде­лить по результатам опыта с мономолекулярным слоем. Зная диа­метр молекулы, можно найти ее объем и объем количества ве­щества 1 моль, который равен где р - плотность жидкости. Отсюда определяют постоянную Аво­гадро. Расчетный метод заключается в определении числа молекул в количестве вещества 1 моль по известным значениям молярной массы и массы одной молекулы вещества. Значение постоянной Авогадро, по современным данным, 6,022169*10 23 моль -1 . С рас­четным методом определения постоянной Авогадро можно ознако­мить учащихся, предложив ее вычислить по значениям молярных масс разных веществ. Следует ознакомить школьников с числом Лошмидта, которое показывает, какое число молекул содержится в единице объема газа при нормальных условиях (оно равно 2,68799*10 -25 м -3). Де­сятиклассники могут самостоятельно определить число Лошмидта для нескольких газов и показать, что оно во всех случаях одно и то же. Приводя примеры, можно создать у ребят представление о том, насколько большим является число молекул в единице объе­ма. Если в резиновом воздушном шаре сделать прокол настолько тонкий, что через него каждую секунду будет выходить по 1 000 000 молекул, то понадобится примерно 30 млрд. лет, чтобы все молекулы вышли. Один из методов определения массы молекул основан на опыте Перрена, который исходил из того, что капли смолы в воде ведут себя так же, как молекулы в атмосфере. Перрен подсчитывал число капелек в разных слоях эмульсии, выделив с помощью мик­роскопа слои толщиной 0,0001 см. Высота, на которой таких капе­лек в два раза меньше, чем у дна, была равна h = 3*10 -5 м. Мас­са одной капли смолы оказалась равной М = 8,5*10 -18 кг. Если бы наша атмосфера состояла только из молекул кислорода, то на высоте Н=5 км плотность кислорода была бы в два раза меньше, чем у поверхности Земли. Записывают пропорцию m/M=h/H, откуда находят массу молекулы кислорода m=5,1*10 -26 кг. Предлагают учащимся самостоятельно рассчитать массу молекулы водорода, плотность которого в два раза мень­ше, чем у поверхности Земли, на высоте H=80 км. В настоящее время значения масс молекул уточнены. Напри­мер, для кислорода установлено значение 5,31*10 -26 кг, а для во­дорода - 0,33*10 -26 кг. При обсуждении вопроса о скоростях движения молекул уча­щихся знакомят с классическим опытом Штерна. При объяснении опыта целесообразно создать его модель с помощью прибора «Вращающийся диск с принадлежностями». На краю диска в вер­тикальном положении укрепляют несколько спичек, в центре диска - трубку с желобом. Когда диск неподвижен, шарик, опу­щенный в трубку, скатываясь по желобу, сбивает одну из спичек. Затем диск приводят во вращение с определенной скоростью, за­фиксированной по тахометру. Вновь пущенный шарик отклонится от первоначального направления движения (относительно диска) и собьет спичку, находящуюся на некотором расстоянии от первой. Зная это расстояние, радиус диска и скорость шарика на ободе диска, можно определить скорость движения шарика по радиусу. После этого целесообразно рассмотреть сущность опыта Штерна и конструкцию его установки, используя для иллюстрации кино­фрагмент «Опыт Штерна». Обсуждая результаты опыта Штерна, обращают внимание на то, что существует определенное распределение молекул по ско­ростям, о чем свидетельствует наличие у полоски напыленных атомов определенной ширины, причем толщина этой, полоски различна. Кроме того, важно отметить, что молекулы, движу­щиеся с большой скоростью, оседают ближе к месту напротив щели. Наибольшее число молекул имеет наиболее вероятную скорость. Необходимо сообщить учащимся, что теоретически закон рас­пределения молекул по скоростям был открыт Дж. К. Максвел­лом. Распределение молекул по скоростям может быть промодели­ровано на доске Гальтона. Вопрос о взаимодействии молекул школьники уже изучали в VII классе, в X классе знания по этому вопросу углубляют и рас­ширяют. Необходимо подчеркнуть следующие моменты: а) меж­молекулярное взаимодействие имеет электромагнитную природу; б) межмолекулярное взаимодействие характеризуется силами при­тяжения и отталкивания; в) силы межмолекулярного взаимодейст­вия действуют на расстояниях, не больших 2-3 диаметров моле­кул, причем на этом расстоянии заметна лишь сила притяжения, силы отталкивания практически равны нулю; г) по мере умень­шения расстояния между молекулами силы взаимодействия уве­личиваются, причем сила отталкивания растет быстрее (пропорционально г -9), чем сила притяжения (пропорционально r -7 ). Поэтому при уменьшении расстояния между молекулами сначала преобладает сила притяжения, затем при некотором расстоянии r о сила притяжения равна силе отталкивания и при дальнейшем сближении преобладает сила отталкивания. Все вышесказанное целесообразно проиллюстрировать графи­ком зависимости от расстояния сначала силы притяжения, силы отталкивания, а затем равнодействующей силы. Полезно постро­ить график потенциальной энергии взаимодействия, который в дальнейшем можно использовать при рассмотрении агрегатных состояний вещества. Внимание десятиклассников обращают на то, что состоянию устойчивого равновесия взаимодействующих частиц соответствует равенство нулю равнодействующей сил взаимодействия и наи­меньшее значение их взаимной потенциальной энергии. В твердом теле энергия взаимодействия частиц (энергия свя­зи) много больше кинетической энергии их теплового движения, поэтому движение частиц твердого тела представляет собой коле­бания относительно узлов кристаллической решетки. Если кинети­ческая энергия теплового движения молекул много больше потен­циальной энергии их взаимодействия, то движение молекул полно­стью беспорядочное и вещество существует в газообразном состоянии. Если кинетическая энергия теплового движения частиц сравнима с потенциальной энергией их взаимодействия, то веще­ство находится в жидком состоянии.

Любое вещество рассматривается физикой как совокупность мельчайших частиц: атомов, молекул и ионов. Все эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении и взаимодействуют друг с другом с помощью упругих столкновений.

Атомическая теория - основа молекулярно-кинетической теории

Демокрит

Молекулярно-кинетическая теория зародилась в Древней Греции примерно 2500 лет назад. Её фундаментом считается атомическая гипотеза , авторами которой были древнегреческий философ Левкипп и его ученик, древнегреческий учёный Демокрит из города Абдеры.

Левкипп

Левкипп и Демокрит предполагали, что все материальные вещи состоят из неделимых мельчайших частиц, которые называются атомами (от греческого ἄτομος - неделимый ). А пространство между атомами заполнено пустотой. Все атомы имеют размер и форму, а также способны двигаться. Сторонниками этой теории в средние века были Джордано Бруно , Галилей , Исаак Бекман и другие учёные. Основы молекулярно-кинетической теории были заложены в труде «Гидродинамика», опубликованном в 1738 г. Его автором был швейцарский физик, механик и математик Даниил Бернулли .

Основные положения молекулярно-кинетической теории

Михаил Васильевич Ломоносов

Ближе всего к современной физике оказалась теория атомного строения вещества, которую в XVIII веке развил великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов . Он утверждал, что все вещества состоят из молекул , которые он называл корпускулами . А корпускулы, в свою очередь, состоят из атомов . Теория Ломоносова получила название корпускулярной .

Но как оказалось, атом делится. Он состоит из положительно заряженного ядра и отрицательных электронов. А в целом он электрически нейтрален.

Современная наука называет атомом наименьшую часть химического элемента, являющуюся носителем его основных свойств. Связанные межатомными связями, атомы образуют молекулы. В молекуле могут быть один или нескольких атомов одинаковых или различных химических элементов.

Все тела состоят из огромного количества частиц: атомов, молекул и ионов. Эти частицы непрерывно и хаотично движутся. Их движение не имеет какого-либо определённого направления и называется тепловым движением . Во время своего движения частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений.

Наблюдать молекулы и атомы невооружённым глазом мы не можем. Но мы можем видеть результат их действий.

Подтверждением основных положений молекулярно-кинетической теории являются: диффузия , броуновское движение и изменение агрегатных состояний веществ .

Диффузия

Диффузия в жидкости

Одно из доказательств постоянного движения молекул - явление диффузии .

В процессе движения молекулы и атомы одного вещества проникают между молекулами и атомами другого вещества, соприкасающегося с ним. Точно так же ведут себя молекулы и атомы второго вещества по отношению к первому. И через некоторое время молекулы обоих веществ равномерно распределяются по всему объёму.

Процесс проникновения молекул одного вещества между молекул другого называется диффузией . С явлением диффузии мы сталкиваемся дома каждый день, когда опускаем пакетик чая в стакан с кипятком. Мы наблюдаем, как бесцветный кипяток меняет свой цвет. Бросив в пробирку с водой несколько кристалликов марганца, можно увидеть, что вода окрасится в розовый цвет. Это также диффузия.

Число частиц в единице объёма называют концентрацией вещества. При диффузии молекулы перемещаются из тех частей вещества, где концентрация выше, в те части, где она меньше. Перемещение молекул называют диффузионным потоком . В результате диффузии концентрации в различных частях веществ выравниваются.

Диффузию можно наблюдать в газах, жидкостях и твёрдых телах. В газах она происходит с большей скоростью, чем в жидкостях. Мы знаем, как быстро распространяются запахи в воздухе. Гораздо медленнее окрашивается жидкость в пробирке, если в неё капнуть чернил. А если мы положим на дно ёмкости с водой кристаллы поваренной соли и не перемешаем, то пройдёт не один день, прежде чем раствор станет однородным.

Диффузия происходит и на границе соприкасающихся металлов. Но её скорость в этом случае очень мала. Если покрыть медь золотом, то при комнатной температуре и атмосферном давлении золото приникнет в медь всего лишь на несколько микронов через несколько тысяч лет.

Свинец из слитка, положенного под грузом на золотой слиток, проникнет в него всего лишь на глубину в 1 см за 5 лет.

Диффузия в металлах

Скорость диффузии

Скорость диффузии зависит от площади поперечного сечения потока, разности концентраций веществ, разности их температур или зарядов. Через стержень диаметром в 2 см тепло распространяется в 4 раза быстрее, чем через стержень диаметром в 1 см. Чем выше разность температур веществ, тем выше скорость диффузии. При тепловой диффузии её скорость зависит от теплопроводности материала, а в случае потока электрических зарядов - от электропроводности .

Закон Фика

Адольф Фик

В 1855 г. немецкий физиолог Адольф Евгений Фик сделал первое количественное описание процессов диффузии:

где J - плотность диффузионного потока вещества,

D - коэффициент диффузии,

C - концентрация вещества.

Плотность диффузионного потока вещества J [см -2 · s -1 ] пропорциональна коэффициенту диффузии D [см -2 · s -1 ] и градиенту концентрации, взятому с противоположным знаком.

Это уравнение называют первым уравнением Фика .

Диффузия, в результате которой концентрации веществ выравниваются, называется нестационарной диффузией . При такой диффузии градиент концентрации изменяется со временем. А в случае стационарной диффузии этот градиент остаётся постоянным.

Броуновское движение

Роберт Броун

Открыл это явление шотландский ботаник Роберт Броун в 1827 г. Изучая под микроскопом взвешенные в воде цитоплазматические зёрна, выделенные из клеток пыльцы североамериканского растения Clarkia pulchella , он обратил внимание на мельчайшие твёрдые крупинки. Они дрожали и медленно передвигались без всякой видимой причины. Если температура жидкости повышалась, скорость частиц возрастала. Так же происходило, когда уменьшался размер частиц. А если их размер увеличивался, понижалась температура жидкости или увеличивалась её вязкость, движение частиц замедлялось. И эти удивительные «танцы» частиц можно было наблюдать бесконечно долго. Решив, что причина этого движения в том, что частицы живые, Броун заменил зёрна мелкими частицами угля. Результат оказался таким же.

Броуновское движение

Чтобы повторить опыты Броуна достаточно иметь самый обычный микроскоп. Размер молекул слишком мал. И рассмотреть их таким прибором невозможно. Но если мы подкрасим акварельной краской воду в пробирке, а затем посмотрим на неё в микроскоп, то увидим крошечные окрашенные частицы, которые беспорядочно двигаются. Это не молекулы, а частицы краски, взвешенные в воде. И двигаться их заставляют молекулы воды, которые ударяют их со всех сторон.

Так ведут себя все видимые в микроскоп частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в жидкостях или газах. Их беспорядочное движение, вызванное тепловым движением молекул или атомов, называется броуновским движением . Броуновская частица непрерывно подвергается ударам со стороны молекул и атомов, из которых состоят жидкости и газы. И это движение не прекращается.

Но в броуновском движении могут участвовать частицы размером до 5 мкм (микрометров). Если их размер больше, они неподвижны. Чем меньше размер броуновской частицы, тем быстрее она движется. Частицы менее 3 мкм двигаются поступательно по всем сложным траекториям или вращаются.

Сам Броун не смог объяснить открытое им явление. И лишь в XIX веке учёные нашли ответ на этот вопрос: движение броуновских частиц вызвано воздействием на них теплового движения молекул и атомов.

Три состояния вещества

Молекулы и атомы, из которых состоит вещество, не только находятся в движении, но и взаимодействуют друг с другом, взаимно притягиваясь или отталкиваясь.

Если расстояние между молекулами сравнимо с их размерами, то они испытывают притяжение. Если же оно становится меньше, то начинает преобладать сила отталкивания. Этим объясняется сопротивляемость физических тел деформации (сжатию или растяжению).

Если тело сжимать, то расстояние между молекулами уменьшается, и силы отталкивания будут стараться вернуть молекулы в первоначальное состояние. При растяжении деформации тела буду мешать силы притяжения между молекулами.

Молекулы взаимодействуют не только внутри одного тела. Опустим в жидкость кусочек ткани. Мы увидим, что он намокнет. Это объясняется тем, что молекулы жидкости притягиваются к молекулам твёрдых тел сильнее, чем друг другу.

Каждое физическое вещество в зависимости от температур и давлений может быть в трёх состояниях: твёрдом, жидком или газообразном . Они называются агрегатными .

В газах расстояние между молекулами велико. Поэтому силы притяжения между ними настолько слабы, что они совершают хаотическое и практически свободное движение в пространстве. Направление своего движения они меняют, ударяясь друг о друга или о стенки сосудов.

В жидкостях молекулы расположены ближе одна к другой, чем в газе. Силы притяжения между ними больше. Молекулы в них движутся уже не свободно, а хаотично колеблются возле положения равновесия. Но они способны перескакивать в направлении действия внешней силы, меняясь местами друг с другом. Результатом этого является течение жидкости.

В твёрдых телах силы взаимодействия между молекулами очень велики из-за близкого расстояния между ними. Притяжение соседних молекул они преодолеть не могут, поэтому способны совершать только колебательные движения около положения равновесия.

Твёрдые тела сохраняют объём и форму. Жидкость формы не имеет, она всегда принимает форму сосуда, в котором находится в данный момент. Но её объём при этом сохраняется. По-другому ведут себя газообразные тела. Они легко меняют и форму, и объём, принимая форму того сосуда, в который их поместили, и занимая весь предоставленный им объём.

Однако существуют и такие тела, которые имеют структуру жидкости, обладают небольшой текучестью, но при этом способны сохранять форму. Такие тела называют аморфными .

Современная физика выделяет и четвёртое агрегатное состояние вещества - плазму .

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 .