Молекулярна фізика - основні положення молекулярно-кінетичної теорії. Основні положення МКТ

Як правило, ми пізнаємо світ через так звані макроскопічні тіла (грец. Макрос - великий). Це всі тіла, які нас оточують: будинки, машини, вода у склянці, вода в океані тощо. Нас цікавило, що відбувається з цими тілами та навколо них. Тепер нас цікавитиме також і те, що відбувається усередині тіл. На це питання нам допоможе відповісти розділ фізики, який називається МКТ.
МКТ – молекулярно-кінетична теорія. Вона пояснює фізичні явищата властивості тіл з точки зору їх внутрішньої мікроскопічної будови В основі цієї теорії лежать три твердження:

Усі тіла складаються з малих частинок, між якими є проміжки.
Частинки тіл постійно і безладно рухаються.
Частинки тіл взаємодіють один з одним: притягуються та відштовхуються.

Ці твердження називаються основними положеннями МКТ. Усі вони підтверджені численними експериментами.

При макроскопічному підході нас цікавлять самі тіла: їх розміри, об'єм, маса, енергія тощо. Погляньте на малюнок зліва. Наприклад, макроскопічно вивчаючи водяні бризки, ми вимірюватимемо їх розміри, обсяг, масу.

При мікроскопічному підході нас теж цікавлять розміри, обсяг, маса і енергія. Проте не самих тіл, а тих частинок, у тому числі вони складаються: молекул, іонів і атомів. Саме це символізує верхній малюнок. Але не слід думати, що молекули, іони та атоми можна побачити в лупу. Цей малюнок – лише художня гіпербола. Побачити ці частинки можна лише з допомогою спеціальних, про електронних, мікроскопів.

МКТ не завжди була науковою теорією. Зародившись ще до Нашої ери, молекулярна (або, як її називали раніше, – атомічна) теорія залишалася лише зручною гіпотезою понад дві тисячі років! І лише у XX столітті вона перетворюється на повноправну фізичну теорію. Ось як говорить про це знаменитий фізик Е. Резерфорд:

"Жоден фізик чи хімік не може заплющити очі перед тією величезною роллю, яку нині грає в науці атомічна гіпотеза. … До кінцю XIXстоліття її ідеї просочили дуже велику областьфізики та хімії. Уявлення про атоми робилося дедалі конкретнішим. … Простота і користь атомічних поглядів при поясненні найрізноманітніших явищ фізики та хімії, природно, підняли авторитет цієї теорії у власних очах науковців. З'явилася тенденція розглядати атомічну гіпотезу вже не як корисну робочу гіпотезу, для якої дуже важко знайти безпосередні та переконливі докази, а як один із твердо обґрунтованих фактівприроди.

Але також не було й нестачі вчених та філософів, які вказували на необґрунтованість цієї теорії, на якій, однак, було побудовано так багато. Чи можна погодитися з корисністю ідеї про молекули для пояснення даних дослідів, але яка у нас впевненість у тому, що атоми справді існують, а не уявляють лише фікцію, плід нашої фантазії? Слід сказати, що цей недолік безпосередніх доказів аж ніяк не похитнув віру величезної більшості людей науки в зернисту будову матерії.

Заперечення атомної теорії ніколи ще не сприяло і не сприятиме відкриттю нових фактів. Великою перевагою атомічної теорії є те, що вона дає нам, так би мовити, відчутне конкретне уявлення про матерію, яке не тільки служить нам для пояснення безлічі явищ, але надає також величезні послуги як робоча гіпотеза».

Існує два методи вивчення властивостей речовини: молекулярно-кінетичний та термодинамічний.

Молекулярно-кінетична теорія тлумачить властивості тіл, які безпосередньо спостерігаються на досвіді (тиск, температуру тощо) як сумарний результат дії молекул. При цьому вона користується статистичним методом, цікавлячись не рухом окремих молекул, лише середніми величинами, які характеризують рух величезної сукупності частинок. Звідси інша назва – статистична фізика.

Термодинаміка вивчає макроскопічні властивості тіл, не цікавлячись їхньою мікроскопічною картиною. В основі термодинаміки лежить декілька фундаментальних законів(званих початками термодинаміки), встановлених на підставі узагальнення великої сукупності досвідчених фактів. Термодинаміка та молекулярно-кінетична теорія взаємно доповнюють одна одну, утворюючи по суті єдине ціле.

Світ, у якому ми з вами живемо, неймовірно прекрасний і сповнений безлічі різних процесів, які задають перебіг життя. Усі ці процеси вивчає всім знайома наука – фізика. Вона дає можливість отримати хоч якесь уявлення про походження Всесвіту. У цій статті ми розглянемо таке поняття, як молекулярно-кінетична теорія, її рівняння, види та формули. Однак, перш ніж перейти до більш глибокого вивченняцих питань, потрібно прояснити собі сенс фізики та областей, нею досліджуваних.

Що таке фізика?

Насправді це дуже широка наука і, мабуть, одна з найбільш фундаментальних за всю історію людства. Наприклад, якщо та ж інформатика пов'язана практично з кожною областю людської діяльностіЧи то розрахункове проектування чи створення мультфільмів, то фізика - це саме життя, опис її складних процесів і течій. Давайте постараємося розібрати її зміст, максимально спростивши розуміння.

Таким чином, фізика - це наука, яка займається вивченням енергії та матерії, зв'язків між ними, поясненням багатьох процесів, що відбуваються в нашому неосяжному Всесвіті. Молекулярно-кінетична теорія будови речовини – лише мала крапля у морі теорій та розділів фізики.

Енергію, яку детально вивчає дана наука, можна уявити в самих різних формах. Наприклад, у вигляді світла, руху, гравітації, випромінювання, електрики та у багатьох інших видах. Нами буде порушено у цій статті молекулярна кінетична теорія будови цих форм.

Вивчення матерії дає нам уявлення про атомарну будову речовини. Воно, до речі, випливає з молекулярно- кінетичної теорії. Наука про будову матерії дозволяє зрозуміти та знайти сенс нашого існування, причини виникнення життя та самого Всесвіту. Давайте все-таки намагатимемося вивчити молекулярно кінетичну теорію речовини.

Спочатку необхідно деяке вступ до повного усвідомлення термінології та будь-яких висновків.

Розділи фізики

Відповідаючи питанням у тому, що таке молекулярно-кинетична теорія, не можна поговорити про розділи фізики. Кожен із них займається докладним вивченнямта поясненням певної галузі людського життя. Вони класифікуються так:

• Механіка, яка ділиться ще на два розділи: кінематика та динаміка.
• Статика.
• Термодинаміка.
• Молекулярний поділ.
• Електродинаміка.
• Оптика.
• Фізика квантів та атомного ядра.

Поговоримо конкретно про молекулярну фізику, адже саме в її основі лежить молекулярно-кінетична теорія.

Що таке термодинаміка?

Взагалі, молекулярна частина та термодинаміка є тісно пов'язаними розділами фізики, які займаються вивченням виключно макроскопічної складової загальної кількості фізичних систем. Варто пам'ятати, що ці науки описують саме внутрішній стантіл та речовин. Наприклад, їх стан при нагріванні, кристалізації, пароутворенні та конденсації на атомарному рівні. Іншими словами, молекулярна фізика - наука про системи, які складаються з величезної кількостічастинок: атомів та молекул.

Саме цими науками було вивчено основні положення молекулярно-кінетичної теорії.

Ще в курсі сьомого класу ми познайомилися з поняттями мікро- та макросвітів, систем. Не зайве освіжити ці терміни в пам'яті.

Мікросвіт, як ми можемо помітити з його назви, становлять елементарні частки. Інакше кажучи, малих частинок. Розміри їх вимірюються в межах від 10 -18 м до 10 -4 м, а час їх фактичного стану може досягти як нескінченності, так і незрівнянно малих проміжків, наприклад, 10 -20 с.

Макросвіт розглядає тіла та системи стійких форм, що складаються з безлічі елементарних частинок. Такі системи можна порівняти з нашими, людськими розмірами.

Крім того, існує й таке поняття, як мегасвіт. Його складають величезних масштабівпланети, космічні галактикита комплекси.

Основні положення теорії

Тепер, коли ми трохи повторили та згадали основні терміни фізики, можемо перейти безпосередньо до розгляду головної темицієї статті.

Молекулярно-кінетична теорія з'явилася і була сформульована вперше ще у ХІХ столітті. Суть її полягає в тому, що вона докладно описує будову будь-якої речовини (частіше будову газів, ніж твердих і рідких тіл), ґрунтуючись на трьох фундаментальних положеннях, зібраних з припущень таких видатних наукових діячів, як Роберт Гук, Ісаак Ньютон, Данило Бернуллі, Михайло Ломоносов та багато інших.

Положення основні молекулярно-кінетичної теорії звучать так:

1. Абсолютно всі речовини (незалежно від того, вони рідкі, тверді або газоподібні) мають складна будова, Що складається з дрібніших частинок: молекул і атомів. Атоми іноді називають "елементарними молекулами".
2. Всі ці елементарні частинки завжди перебувають у стані безперервного та хаотичного переміщення. Кожен із нас стикався з прямим доказом цього положення, але, найімовірніше, не надавав цьому особливого значення. Наприклад, ми всі бачили на тлі сонячних променів, що порошинки безперервно рухаються в хаотичному напрямку. Це з тим, що атоми виробляють взаємні поштовхи друг з одним, постійно повідомляючи кінетичну енергію одне одному. Вперше це явище було вивчено у 1827 році, а названо воно на честь відкривача – "броунівським рухом".
3. Всі елементарні частинки знаходяться в процесі безперервної взаємодії один з одним із певними силами, які мають електричну породу.

Іншим прикладом, що описує положення під номером два, яке може ставитися також, наприклад, до молекулярно кінетичної теорії газів, служить дифузія. З нею ми стикаємося і в повсякденному житті, і в багаторазових тестах та контрольних, тому важливо мати про неї уявлення.

Для початку розглянемо такі приклади:

Лікар випадково пролив на стіл спирт із колби. Або ви впустили флакон з духами, а вони розтеклися по підлозі.

Чому в цих двох випадках і запах спирту, і запах парфумів через якийсь час наповнить усю кімнату, а не ту область, куди пролився вміст цих речовин?

Відповідь проста: дифузія.

Дифузія – що це? Як вона протікає?

Це процес, при якому частинки, що входять до складу якоїсь однієї певної речовини (частіше газу), проникають у міжмолекулярні порожнини іншої. У прикладах, наведених вище, сталося таке: за рахунок теплового, тобто безперервного і роз'єднаного руху, молекули спирту та/або парфумів потрапляли в проміжки між молекулами повітря. Поступово, під впливом зіткнення з атомами і молекулами повітря, вони поширювалися по кімнаті. До речі, інтенсивність дифузії, тобто швидкість її протікання, залежить від густини речовин, що беруть участь у дифузії, а також від енергії руху їх атомів і молекул, що називається кінетичною. Чим більша кінетична енергія, тим вища швидкість цих молекул, відповідно, і інтенсивність.

Найбільш швидким процесом дифузії можна назвати дифузію у газах. Це пов'язано з тим, що газ не є однорідним за своїм складом, а це означає, що міжмолекулярні порожнечі в газах займають значний обсяг простору, відповідно, процес попадання атомів і молекул сторонньої речовини в них протікає простіше і швидше.

Трохи повільніше цей процес відбувається у рідинах. Розчинення кубиків цукру в кухлі з чаєм - саме твердого тіла в рідині.

Але найтривалішою за часом є дифузія в тілах із твердою кристалічною структурою. Це саме так, тому що структура твердих тіл однорідна і має міцну кристалічну решітку, в комірках якої атоми твердої речовинивагаються. Наприклад, якщо поверхні двох металевих брусків добре очистити, а потім змусити їх контактувати один з одним, то досить тривалий часми зможемо виявити шматочки одного металу в іншому, і навпаки.

Як і будь-який інший фундаментальний розділ, основна теорія фізики поділяється на окремі частини: класифікацію, види, формули, рівняння тощо. Таким чином ми вивчили основи молекулярно-кінетичної теорії. Це означає, що можна спокійно перейти до розгляду окремих теоретичних блоків.

Молекулярно-кінетична теорія газів

З'являється необхідність у розумінні положень газової теорії. Як ми говорили раніше, ми розглянемо макроскопічні характеристики газів, наприклад, тиск і температура. Це знадобиться надалі у тому, щоб вивести рівняння молекулярно-кинетичної теорії газів. Але математика – потім, а зараз займемося теорією та, відповідно, фізикою.

Вченими було сформульовано п'ять положень молекулярної теоріїгазів, які є для осмислення кінетичної моделі газів. Вони звучать так:

1. Усі гази складаються з елементарних частинок, які не мають якогось певного розміруале мають певну масу. Інакше кажучи, обсяг цих частинок мінімальний проти величиною довжини з-поміж них.
2. Атоми та молекули газів практично не мають потенційної енергіївідповідно відповідно до закону вся енергія дорівнює кінетичній.
3. З цим становищем ми вже знайомилися раніше - броунівський рух. Тобто газові частки завжди роблять у безперервний та сумбурний рух.
4. Абсолютно всі взаємні зіткнення газових частинок, що супроводжуються повідомленням швидкості та енергії, є повністю еластичними. Це означає, що втрати енергії або різкі стрибки їх кінетичної енергіїпри зіткненні відсутні.
5. При нормальних умовахі постійній температуріусереднена енергія руху частинок майже всіх газів однакова.

П'яте становище ми з вами можемо переписати через такий вид рівняння молекулярно-кінетичної теорії газів:

Е=1/2*m*v^2=3/2*k*T,

де k – це постійна Больцмана; Т – температура в Кельвінах.

Це рівняння дає нам зрозуміти зв'язок між швидкістю елементарних частинок газу та їхньою абсолютною температурою. Відповідно, чим вища їхня абсолютна температура, тим більша їхня швидкість і кінетична енергія.

Тиск газів

Такі макроскопічні складові характеристики, як тиск газу, також можна пояснити за допомогою кінетичної теорії. Для цього представимо такий приклад.

Припустимо, що молекула якогось газу знаходиться в ящику, довжина якого L. Скористаємося вищеописаними положеннями газової теорії та врахуємо той факт, що молекулярна сфера рухається лише по іксовій осі. Таким чином, ми зможемо спостерігати процес пружного зіткненняз однієї із стінок судини (ящика).

Імпульс зіткнення, як нам відомо, визначається формулою: p=m*v, але в даному випадкуця формула набуде проекційного вигляду: p=m*v(х).

Так як нами розглядається тільки розмірність осі абсцис, тобто осі х, то загальна змінаімпульсу буде виражено формулою: m * v (х) - m * (-v (х)) = 2 * m * v (х).

З цих формул виразимо тиск із боку газу: P=F/a;

Тепер підставимо отриману формулу виразу сили і отримаємо: P=m*v(х)^2/L^3.

Після цього готову формулу тиску можна записати для N-го числа молекул газу. Іншими словами, вона набуде наступного вигляду:

P=N*m*v(х)^2/V, де v - швидкість, а V - об'єм.

Тепер постараємося виділити кілька основних положень щодо тиску газу:

• Воно проявляється завдяки зіткненням молекул із молекулами стінок об'єкта, в якому він знаходиться.
• Величина тиску прямо пропорційна силі та швидкості наголосу молекул об стінки судини.

Трохи коротких висновків з теорії

• Мірою середньої енергії руху її атомів та молекул є абсолютна температура.
• У тому випадку, коли два різних газузнаходяться за тотожної температури, їх молекули мають рівну середню кінетичну енергію.
• Енергія газових частинок прямо пропорційна середньоквадратичної швидкості: Е=1/2*m*v^2.
• У скільки разів ми збільшуємо температуру газу (наприклад, подвоює), у стільки разів збільшується і енергія руху його частинок (відповідно подвоюється).

Основне рівняння та формули

Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії дозволяє встановити взаємозв'язок між величинами мікросвіту і, відповідно, макроскопічними, тобто вимірюваними величинами.

Однією з самих простих моделей, які може розглядати молекулярна теорія, вважається модель ідеального газу.

Можна сказати, що це своєрідна уявна модель, що вивчається молекулярно-кінетичною теорією ідеального газу, в якій:

• найпростіші частки газу розглядаються як ідеально пружні кулі, які виявляють взаємодію як один з одним, так і з молекулами стінок будь-якої судини тільки в одному випадку - абсолютно пружного зіткнення;
• сили тяжіння всередині газу відсутні або можна ними фактично знехтувати;
• елементи внутрішньої будовигазу можуть прийматися як матеріальні точки, тобто їх обсягом можна також знехтувати.

Розглядаючи таку модель, фізик Рудольф Клаузіус німецького походження написав формулу тиску газу через зв'язок мікро- та макроскопічних параметрів. Вона має вигляд:

р=1/3*m(0)*n*v^2.

Пізніше цю формулу назвуть як основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу. Її можна буде уявити в кількох різних видах. Наш обов'язок зараз полягає в тому, щоб показати розділи, такі як молекулярна фізика, молекулярно-кінетична теорія, а отже, і їх повні рівняннята види. Тому є змив у розгляді інших варіацій основної формули.

Нам відомо, що середню енергію, Що характеризує рух молекул газу, можна знайти за допомогою формули: Е = m (0) * v ^ 2/2.

У такому разі ми можемо замінити вираз m(0)*v^2 у вихідній формулі тиску на середню кінетичну енергію. Внаслідок цього нам представиться можливість скласти основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії газів у такій формі: р=2/3*n*E.

Крім того, ми з вами знаємо, що вираз m(0)*n можна розписати у вигляді добутку двох приватних:

Після цих маніпуляцій ми можемо переписати нашу формулу рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу вже в третьому, відмінному від інших, вигляді:

Ну що, мабуть, це все, що потрібно знати на цю тему. Залишилося лише систематизувати отримані знання у формі коротких (і не дуже) висновків.

Усі загальні висновки та формули на тему "Молекулярно-кінетична теорія"

Отже, почнемо.

По перше:

Фізика - фундаментальна наука, що входить у курс природознавства, що займається тим, що вивчає властивості матерії та енергії, їх будови, закономірностей неорганічної природи.

До її складу входять такі розділи:

• механіка (кінематика та динаміка);
• статика;
• термодинаміка;
• електродинаміка;
• молекулярний розділ;
• оптика;
• фізика квантів та атомного ядра.

По-друге:

Фізика простих частинок і термодинаміка є тісно пов'язаними розділами, які займаються вивченням виключно макроскопічної складової загальної кількості фізичних систем, тобто систем, що складаються з величезної кількостіелементарних частинок.

У основі лежить молекулярно-кинетична теорія.

По-третє:

Суть питання полягає у наступному. Молекулярно-кінетична теорія докладно описує будову будь-якої речовини (частіше будову газів, ніж твердих і рідких тіл), ґрунтуючись на трьох фундаментальних положеннях, зібраних з припущень видатних наукових діячів. Серед них: Роберт Гук, Ісаак Ньютон, Данило Бернуллі, Михайло Ломоносов та багато інших.

По-четверте:

Три основні положення молекулярно-кінетичної теорії:

1. Усі речовини (незалежно від того, рідкі вони, тверді або газоподібні) мають складну будову, що складається з дрібніших частинок: молекул та атомів.
2. Всі ці прості частинкиперебувають у безперервному сумбурному русі. Приклад: броунівський рух та дифузія.
3. Усі молекули за будь-яких умов взаємодіють один з одним з певними силами, які мають електричну породу.

Кожне положення молекулярно-кінетичної теорії є міцним фундаментом у вивченні будови матерії.

Декілька головних положень молекулярної теорії для моделі газу:

• Всі гази складаються з елементарних частинок, які не мають певного розміру, але мають певну масу. Інакше кажучи, обсяг цих частинок мінімальний проти відстанями з-поміж них.
• Атоми та молекули газів практично не мають потенційної енергії, відповідно, їхня повна енергія дорівнює кінетичній.
• З цим становищем ми вже знайомилися раніше – броунівський рух. Тобто газові частки завжди перебувають у безперервному та безладному русі.
• Абсолютно всі взаємні зіткнення атомів і молекул газів, що супроводжуються повідомленням швидкості та енергії, є повністю еластичними. Це означає, що втрати енергії або різкі стрибки їхньої кінетичної енергії під час зіткнення відсутні.
• За нормальних умов та постійної температури середня кінетична енергія практично всіх газів однакова.

По-шосте:

Висновки з теорії з газів:

• Абсолютна температура є мірою середньої кінетичної енергії її атомів та молекул.
• У тому випадку, коли два різні гази знаходяться при однаковій температурі, їх молекули мають однакову середню кінетичну енергію.
• Середня кінетична енергія частинок газу прямо пропорційна середньоквадратичній швидкості: Е=1/2*m*v^2.
• Хоча молекули газу і мають середню кінетичну енергію, відповідно, середню швидкість, окремі частинки рухаються з різною швидкістю: якісь швидко, якісь повільно
• Чим вища температура, тим вища і швидкість молекул.
• У скільки разів ми збільшуємо температуру газу (наприклад, подвоює), у стільки разів збільшується і середня кінетична енергія його частинок (відповідно подвоюється).
• Взаємозв'язок між тиском газу на стінки судини, в якому він розташовується, та інтенсивністю ударів молекул об ці стінки прямо пропорційна: чим більше ударів, тим вищий тиск, і навпаки.

По-сьоме:

Така модель, у якій мають виконуватися такі умови:

• Молекули газу можуть і розглядаються як ідеально пружні кулі.
• Ці кулі можуть взаємодіяти один з одним і зі стінками будь-якої судини тільки в одному випадку - абсолютно пружного зіткнення.
• Ті сили, які описують взаємну тягу між атомами та молекулами газу, відсутні або можна ними фактично знехтувати.
• Атоми і молекули розглядаються як матеріальні точки, тобто їх обсягом можна також знехтувати.

По-восьме:

Наведемо всі основні рівняння та покажемо у темі "Молекулярно-кінетична теорія" формули:

р=1/3*m(0)*n*v^2 - основне рівняння моделі ідеального газу, виведена німецьким фізиком Рудольфом Клаузіусом.

р = 2/3 * n * E - основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу. Виводиться через середню кінетичну енергію молекул.

р=1/3*ρ*v^2 - це рівняння, але розглянуте через щільність і середню квадратичну швидкість молекул ідеального газу.

m(0)=M/N(a) - формула знаходження маси однієї молекули через число Авогадро.

v^2=(v(1)+v(2)+v(3)+...)/N - формула для знаходження середньої квадратичної швидкості молекул, де v(1),v(2),v(3) і так далі - швидкості першої молекули, другої, третьої і так далі до n-ної молекули.

n=N/V - формула знаходження концентрації молекул, де N - кількість молекул обсягом газу до цього обсягу V.

Е=m*v^2/2=3/2*k*Т - формули для знаходження середньої кінетичної енергії молекул, де v^2 - середня квадратична швидкість молекул, k - постійна величина, названа на честь австрійського фізика Людвіга Больцмана, а Т – це температура газу.

p=nkT - формула тиску через концентрацію, постійну Больцманаі абсолютну температуруТ. З неї випливає інша фундаментальна формула, відкрита російським ученим Менделєєвим та французьким фізиком-інженером Клайпероном:

pV=m/M*R*T, де R=k*N(a) - універсальна стала для газів.

Тепер покажемо константи для різних та адіабатних.

р*V/Т=const - виконується у разі, коли маса і склад газу є величинами постійними.

р * V = const - якщо при цьому постійна і температура.

V/T=const - якщо постійно тиск газу.

p / T = const - якщо обсяг постійний.

Мабуть, ось і все, що треба було б знати на цю тему.

Сьогодні ми з вами поринули в таку наукову галузь, як теоретична фізика, її множинні розділи та блоки. Більш детально нами була порушена така галузь фізики, як фундаментальна молекулярна фізика і термодинаміка, а саме молекулярно-кінетична теорія, яка, здавалося б, не становить жодних складнощів при первинному вивченні, але насправді має безліч підводних каменів. Вона розширює наше уявлення про модель ідеального газу, яку ми також детально вивчили. Крім того, варто зазначити, що ми познайомилися і з основними рівняннями молекулярної теорії в різних їх варіаціях, а також розглянули всі необхідні формулидля знаходження тих чи інших невідомих величин на цю тему Це буде особливо корисно при підготовці до написання будь-яких тестів, екзаменаційних та контрольних робіт, або для розширення загального кругозору та знань з фізики.

Сподіваємося, що ця стаття була вам корисною, і ви витягли з неї тільки саму необхідну інформаціюзміцнивши свої знання в таких стовпах термодинаміки, як основні положення молекулярно-кінетичної теорії.

Молекулярно-кінетична теорія(Скорочено МКТ) - теорія, що виникла в XIX столітті і розглядає будову речовини, в основному газів, з точки зору трьох основних приблизно вірних положень:

всі тіла складаються з частинок: атомів, молекулі іонів;

частинки знаходяться в безперервному хаотичномурух (тепловий);

частинки взаємодіють одна з одною шляхом абсолютно пружних зіткнень.

МКТ стала однією з найуспішніших фізичних теорій і була підтверджена цілою низкою досвідчених фактів. Основними доказами положень МКТ стали:

Дифузія

Броунівський рух

Зміна агрегатних станівречовини

На основі МКТ розвинений цілий рядрозділів сучасної фізики, зокрема, фізична кінетикаі статистична механіка. У цих розділах фізики вивчаються не тільки молекулярні (атомні або іонні) системи, що знаходяться не тільки в «тепловому» русі, і взаємодіють не тільки через абсолютно пружні зіткнення. Термін молекулярно-кінетична теорія в сучасній теоретичній фізиці вже практично не використовується, хоча він зустрічається в підручниках за курсом загальної фізики.

Ідеальний газ - математична модель газу, в якій передбачається, що: 1) потенційною енергієювзаємодії молекулможна знехтувати в порівнянні з їх кінетичною енергією; 2) сумарний обсяг молекул газу дуже малий. Між молекулами не діють сили тяжіння чи відштовхування, зіткнення частинок між собою та зі стінками судини абсолютно пружніа час взаємодії між молекулами зневажливо мало в порівнянні з середнім часом між зіткненнями. У розширеній моделі ідеального газу частинки, з якого він складається, мають форму у вигляді пружних сферабо еліпсоїдів, що дозволяє враховувати енергію як поступального, а й обертально-коливального руху, і навіть як центральні, а й нецентральні зіткнення частинок та інших.

Розрізняють класичний ідеальний газ (його властивості виводяться із законів класичної механіки та описуються статистикою Больцмана)і квантовий ідеальний газ (властивості визначаються законами квантової механіки, описуються статистиками Фермі - Діракаабо Бозе - Ейнштейна)

Класичний ідеальний газ

Об'єм ідеального газу лінійно залежить від температури при постійному тиску

Властивості ідеального газу на основі молекулярно-кінетичних уявлень визначаються виходячи з фізичної моделі ідеального газу, в якій прийняті такі припущення:

У цьому випадку частинки газу рухаються незалежно одна від одної, тиск газу на стінку дорівнює повному імпульсу, переданому при зіткненні частинок зі стінкою в одиницю часу, внутрішня енергія- сумі енергій частинок газу.

За еквівалентним формулюванням ідеальний газ - такий газ, який одночасно підпорядковується закону Бойля - Маріоттаі Гей-Люссака , тобто:

де - тиск - абсолютна температура. Властивості ідеального газу описуються рівнянням Менделєєва - Клапейрона

,

де - , - Маса, - молярна маса.

де - концентрація частинок, -постійна Больцмана.

Для будь-якого ідеального газу справедливо співвідношення Майєра:

де - універсальна газова постійна, - молярна теплоємністьпри постійному тиску - молярна теплоємність при постійному обсязі.

Статистичний розрахунок розподілу швидкостей молекул було виконано Максвеллом.

Розглянемо результат, отриманий Максвеллом як графіка.

Молекули газу за свого руху постійно зіштовхуються. Швидкість кожної молекули під час зіткнення змінюється. Вона може зростати та зменшуватися. Проте середньоквадратична швидкість залишається незмінною. Це пояснюється тим, що в газі, що знаходиться при певній температурі, встановлюється деяке стаціонарне, розподіл молекул, що не змінюється з часом, за швидкостями, який підпорядковується певному статистичному закону. Швидкість окремої молекули з часом може змінюватися, проте частка молекул із швидкостями у певному інтервалі швидкостей залишається незмінною.

Не можна ставити питання: скільки молекул має певну швидкість. Справа в тому, що, хоч число молекул дуже велике в будь-якому навіть малому обсязі, але кількість значень швидкості скільки завгодно велике (як чисел у послідовному ряді), і може статися, що жодна молекула не має заданої швидкості.

Грунтуючись на досвіді Штерна, можна очікувати, що найбільше молекул будуть мати якусь середню швидкість, а частка швидких і повільних молекул не дуже велика. Необхідні вимірювання показали, що частка молекул віднесена до інтервалу швидкості Δ v, тобто. має вигляд, показаний на рис. 3.3. Максвел в 1859 р. теоретично на підставі теорії ймовірності визначив цю функцію. З того часу вона називається функцією розподілу молекул за швидкостями або законом Максвелла.

Виведемо функцію розподілу молекул ідеального газу за швидкостями

- інтервал швидкостей поблизу швидкості .

- Число молекул, швидкості яких лежать в інтервалі
.

- Число молекул в аналізованому обсязі.

- Кут молекул, швидкості яких належать інтервалу
.

- частка молекул у одиничному інтервалі швидкостей поблизу швидкості .

- Формула Максвелла.

Використовуючи статистичні методи Максвелла отримаємо таку формулу:

.

- Маса однієї молекули,
- Постійна Больцмана.

Найімовірніша швидкість визначається за умови
.

Вирішуючи отримуємо
;
.

Позначимо ч/з
.

Тоді
.

Розрахуємо частку молекул у заданому інтервалі швидкостей поблизу заданої швидкостіу заданому напрямку.

.

.

- частка молекул, що мають швидкості в інтервалі
,
,
.

Розвиваючи ідеї Максвелла Больцман розрахував розподіл молекул за швидкостями у силовому полі. На відміну від розподілу Максвелла у розподілі Больцмана замість кінетичної енергії молекул фігурує сума кінетичної та потенційної енергії.

У розподілі Максвелла:
.

У розподілі Больцмана:
.

У гравітаційному полі

.

Для концентрації молекул ідеального газу має місце формула:

і відповідно.

- Розподіл Больцмана.

- Концентрація молекул біля поверхні Землі.

- Концентрація молекул на висоті .

Теплоємність.

Теплоємністю тіла називається фізична величина, рівна відношенню

,
.

Теплоємність одного моля – молярна теплоємність

.

Т.к.
- функція процесу
, то
.

Враховуючи

;

;



.

- Формула Майєра.

Т.о. Завдання обчислення теплоємності зводиться до знаходження .

.

Для одного моля:

, звідси
.

Двохатомний газ (Про 2, N 2, Cl 2, ЗІ і т.д.).

(Модель жорсткої гантелі).

Повна кількість ступенів свободи:

.

Тоді
, то

;
.

Це означає, що теплоємність має бути постійною. Водночас досвід каже, що теплоємність залежить від температури.

При зниженні температури "замарожуються" спочатку коливальні ступені свободи, а потім і обертальні ступені свободи.

Відповідно до законів квантової механікиенергія гармонійного осцилятора з класичною частотою може приймати лише дискретний набір значень

Багатоатомні гази (H 2 O, CH 4 C 4 H 10 O і т.д.).

;
;
;

Порівняємо теоретичні дані із досвідченими.

Видно що 2-х атомних газів дорівнює , але змінюється при низьких температурахвсупереч теорії теплоємності.

Такий хід кривий від свідчить про «заморожування» ступенів волі. Навпаки, при великих температурах підключаються додаткові ступені свободи. Ці дані ставлять під сумнів теорему про рівномірному розподілі. Сучасна фізика дозволяє пояснити залежність від використовуючи квантові уявлення.

Квантова статистика усунула труднощі пояснення залежності теплоємності газів (зокрема двоатомних газів) від температури. Відповідно до положень квантової механіки, енергія обертального руху молекул і енергія коливань атомів можуть набувати лише дискретних значень. Якщо енергія теплового рухузначно менше різниці енергій сусідніх рівнів енергії (), то при зіткненні молекул обертальні та коливальні ступені свободи практично не збуджуються. Тому при низьких температурах поведінка двоатомного газу подібна до поведінки одноатомної. Оскільки різниця між сусідніми обертальними рівнями енергії значно менша, ніж між сусідніми коливальними рівнями ( ), то зі зростанням температури спочатку збуджуються обертальні ступені свободи. Внаслідок цього зростає теплоємність. При подальшому збільшенні температури збуджуються і коливальні ступені свободи, і відбувається подальше зростання теплоємності. А. Ейнштейн, приблизно вважав, що коливання атомів кристалічних ґрат незалежні. Використовуючи модель кристала як сукупність незалежно вагаються з однаковою частотою гармонійних осциляторів, він створив якісну квантову теоріютеплоємності кристалічних ґрат. Ця теорія згодом була розвинена Дебаєм, який врахував, що коливання атомів у кристалічні гратине є незалежними. Розглянувши безперервний спектр частот осциляторів, Дебай показав, що внесок у середню енергію квантового осцилятора вносять коливання на низьких частотах, відповідних пружним хвиль. Теплове збудження твердого тіла можна описати як пружних хвиль, що розповсюджуються в кристалі. Відповідно до корпускулярно-хвильового дуалізму властивостей речовини, пружні хвилі в кристалі зіставляють з квазічастинками-фононами, що мають енергію . Фонон - квант енергії пружної хвилі, що є елементарним збудженням, що веде себе подібно до мікрочастинки.Як квантування електромагнітного випромінювання призвело до уявлення про фотони, так квантування пружних хвиль (як результату теплового коливання молекул твердих тіл) призвело до уявлення про фонони. Енергія кристалічних ґрат складається з енергії фононного газу. Квазичастинки (зокрема фонони) сильно відрізняються від звичайних мікрочастинок (електронів, протонів, нейтронів тощо), оскільки пов'язані з колективним рухом багатьох частинок системи.

Фонони не можуть виникати у вакуумі, вони існують лише у кристалі.

Імпульс фонону має своєрідну властивість: при зіткненні фононів у кристалі їх імпульс може дискретними порціями передаватися кристалічними гратами – імпульс при цьому не зберігається. Тому у разі фононів говорять про квазіімпульс.

Фонони мають спін, рівний нулю, і є бозонами, тому фононний газ підпорядковується статистиці Бозе–Эйнштейна.

Фонони можуть випромінюватись і поглинатися, але їх число не зберігається постійним.

Застосування статистики Бозе-Ейнштейна до фононного газу (газу з незалежних бозе-частинок) призвело Дебая до наступного кількісного висновку. При високих температурах, які набагато більше характеристичної температури Дебая (класична область), теплоємність твердих тіл описується законом Дюлонга і Пти, згідно з яким молярна теплоємність хімічно простих тілу кристалічному стані однакова і залежить від температури. При низьких температурах, коли (квантова область), теплоємність пропорційна третьому ступеню термодинамічної температури: Характеристична температура Деба дорівнює: , де – гранична частота пружних коливань кристалічних ґрат.

Центральне поняття цієї теми – поняття молекули; складність його засвоєння школярами пов'язані з тим, що молекула - об'єкт, безпосередньо ненаблюдаемый. Тому вчитель має переконати десятикласників у реальності мікросвіту, у можливості його пізнання. У зв'язку з цим велику увагу приділяють розгляду експериментів, що доводять існування і рух молекул і дозволяють обчислити основні характеристики (класичні досліди Перрена, Релея і Штерна). Крім цього, доцільно ознайомити учнів із розрахунковими методами визначення характеристик молекул. Під час розгляду докази існування та руху молекул розповідають учням про спостереження Броуном безладного руху дрібних зважених частинок, яке припинялося протягом усього часу спостереження. У той час не було дано правильного пояснення причини цього руху, і лише майже через 80 років А. Ейнштейн і М. Смолуховський побудували, а Ж. Перрен експериментально підтвердив теорію броунівського руху. З розгляду дослідів Броуна необхідно зробити такі висновки: а) рух броунівських частинок викликається ударами молекул речовини, в якій ці зважені частки; б) броунівський рух безперервно і безладно, воно залежить від властивостей речовини, в якій частинки зважені; в) рух броунівських частинок дозволяє судити про рух молекул середовища, в якому ці частинки знаходяться; г) броунівський рух доводить існування молекул, їх рух та безперервний та хаотичний характер цього руху. Підтвердження такого характеру руху молекул було отримано в досвіді французького фізика Дюнуайє (1911 р.), який показав, що молекули газу рухаються в різних напрямках і відсутність зіткнень їх рух прямолінійний. В даний час факт існування молекул ні в кого не викликає сумніву. Розвиток техніки дозволило безпосередньо спостерігати великі молекули. Розповідь про броунівський рух доцільно супроводжувати демонстрацією моделі броунівського руху у вертикальній проекції за допомогою проекційного ліхтаря чи кодоскопа, а також показом кінофрагменту «Броунівський рух» із кінофільму «Молекули та молекулярний рух». Крім того, корисно провести спостереження броунівського руху у рідинах за допомогою мікроскопа. Препарат виготовляють із суміші рівних частин двох розчинів: 1%-ного розчину сірчаної кислоти та 2%-ного водного розчину гіпосульфіту. В результаті реакції утворюються частинки сірки, які знаходяться в розчині у зваженому стані. Дві краплі цієї суміші поміщають на предметне скло та спостерігають за поведінкою частинок сірки. Препарат можна виготовити із сильно розведеного розчину молока у воді або з розчину акварельної фарби у воді. При обговоренні питання про розміри молекул розглядають сутність досвіду Р. Релея, який полягає в наступному: на поверхню води, налитої у велику посудину, поміщають краплю оливкової олії. Крапля розтікається поверхнею води і утворює круглу плівку. Релей припустив, що коли крапля перестає розтікатися, її товщина стає рівною діаметру однієї молекули. Досліди показують, що молекули різних речовин мають різні розміри, але з оцінки розмірів молекул приймають величину, рівну 10 -10 м. У класі можна зробити аналогічний досвід. Для демонстрації розрахункового методу визначення розмірів молекул наводять приклад обчислення діаметрів молекул різних речовин за їх густиною та постійною Авогадро. Уявити малі розміри молекул школярам важко, тому корисно навести ряд прикладів порівняльного характеру. Наприклад, якщо збільшити всі розміри в стільки разів, щоб молекула була видна (тобто до 0,1 мм), то піщинка перетворилася б на стометрову скелю, мурашка збільшилася б до розмірів океанського корабля, людина мала б зростання 1700 км. Число молекул у кількості речовини 1 моль можна визначити за наслідками досліду з мономолекулярним шаром. Знаючи діаметр молекули, можна знайти її об'єм та обсяг кількості речовини 1 моль, який дорівнює де р - щільність рідини. Звідси визначають постійну Авогадро. Розрахунковий метод полягає у визначенні числа молекул у кількості речовини 1 моль за відомими значеннями молярної маси та маси однієї молекули речовини. Значення постійної Авогадро, за сучасними даними, 6,022 169 * 10 23 моль -1 . З розрахунковим методом визначення постійної Авогадро можна ознайомити учнів, запропонувавши її обчислити за значеннями молярних масрізних речовин. Слід ознайомити школярів із числом Лошмідта, що показує, яке число молекул міститься у одиниці обсягу газу за нормальних умов (воно дорівнює 2,68799*10 -25 м -3). Десятикласники можуть самостійно визначити число Лошмідта для кількох газів і показати, що воно у всіх випадках одне й те саме. Наводячи приклади, можна створити у хлопців уявлення про те, наскільки більшим є число молекул в одиниці об'єму. Якщо у гумовому повітряній кулі зробити прокол настільки тонкий, що через нього кожну секунду виходитиме по 1 000 000 молекул, то знадобиться приблизно 30 млрд. років, щоб усі молекули вийшли. Один із методів визначення маси молекул заснований на досвіді Перрена, який виходив з того, що краплі смоли у воді поводяться так само, як молекули в атмосфері. Перрен підраховував число крапельок у різних шарах емульсії, виділивши з допомогою мікроскопа шари товщиною 0,0001 див. виявилася рівною М = 8,5 * 10 -18 кг. Якби наша атмосфера складалася лише з молекул кисню, то на висоті Н=5 км щільність кисню була б вдвічі меншою, ніж у Землі. Записують пропорцію m/M=h/H, звідки знаходять масу молекули кисню m=5,1*10 -26 кг. Пропонують учням самостійно розрахувати масу молекули водню, щільність якого вдвічі менша, ніж у Землі, на висоті H=80 км. Нині значення мас молекул уточнено. Наприклад, для кисню встановлено значення 5,31*10 -26 кг, а водню - 0,33*10 -26 кг. Під час обговорення питання про швидкості руху молекул учнів знайомлять із класичним досвідом Штерна. При поясненні досвіду доцільно створити його модель за допомогою приладу «Обертовий диск з приладдям». На краю диска у вертикальному положенні зміцнюють кілька сірників, у центрі диска – трубку із жолобом. Коли диск нерухомий, кулька, опущена в трубку, скочуючи по жолобу, збиває один із сірників. Потім диск приводять у обертання з певною швидкістю, зафіксованою тахометром. Знову пущена кулька відхилиться від початкового напрямку руху (щодо диска) і зіб'є сірник, що знаходиться на деякій відстані від першої. Знаючи цю відстань, радіус диска і швидкість кульки на обід диска, можна визначити швидкість руху кульки по радіусу. Після цього доцільно розглянути сутність досвіду Штерна та конструкцію його встановлення, використовуючи для ілюстрації кінофрагмент «Досвід Штерна». Обговорюючи результати досвіду Штерна, звертають увагу, що існує певний розподіл молекул за швидкостями, про що свідчить наявність у смужки напилених атомів певної ширини, причому товщина цієї, смужки різна. Крім того, важливо відзначити, що молекули, що рухаються з великою швидкістю, осідають ближче до місця навпроти щілини. Найбільше молекул має найбільш ймовірну швидкість. Необхідно повідомити учнів, що теоретично закон розподілу молекул за швидкостями відкрили Дж. Максвеллом. Розподіл молекул за швидкостями можна промоделировать на дошці Гальтона. Питання про взаємодію молекул школярі вже вивчали у VII класі, у X класі знання з цього питання поглиблюють та розширюють. Необхідно наголосити на наступних моментах: а) міжмолекулярна взаємодія має електромагнітну природу; б) міжмолекулярна взаємодія характеризується силами тяжіння та відштовхування; в) сили міжмолекулярної взаємодії діють на відстанях, не більших 2-3 діаметрів молекул, причому на цій відстані помітна лише сила тяжіння, сили відштовхування практично дорівнюють нулю; г) зі зменшенням відстані між молекулами сили взаємодії збільшуються, причому сила відштовхування зростає швидше (пропорційно г -9), ніж сила тяжіння (пропорційно r -7 ). Тому при зменшенні відстані між молекулами спочатку переважає сила тяжіння, потім при певній відстані r про сила тяжіння дорівнює силі відштовхування і при подальшому зближенні переважає сила відштовхування. Усе сказане вище доцільно проілюструвати графіком залежності від відстані спочатку сили тяжіння, сили відштовхування, а потім рівночинної сили. Корисно побудувати графік потенційної енергії взаємодії, який можна використовувати при розгляді агрегатних станів речовини. Увага десятикласників звертають те що, що стану стійкого рівноваги взаємодіючих частинок відповідає рівність нулю рівнодіючої сил взаємодії та найменше значення їх взаємної потенційної енергії. У твердому тілі енергія взаємодії частинок (енергія зв'язку) набагато більша за кінетичну енергію їх теплового руху, тому рух частинок твердого тіла являє собою коливання щодо вузлів кристалічної решітки. Якщо кінетична енергія теплового руху молекул набагато більша за потенційну енергію їхньої взаємодії, то рух молекул повністю безладний і речовина існує в газоподібному стані. Якщо кінетична енергія теплового руху частинок можна порівняти з потенційною енергією їх взаємодії, то речовина знаходиться в рідкому стані.

Будь-яка речовина розглядається фізикою як сукупність найдрібніших частинок: атомів, молекул та іонів. Всі ці частинки перебувають у безперервному хаотичному русі та взаємодіють один з одним за допомогою пружних зіткнень.

Атомічна теорія – основа молекулярно-кінетичної теорії

Демокріт

Молекулярно-кінетична теорія зародилася в Стародавню Греціюприблизно 2500 років тому. Її фундаментом вважається атомічна гіпотеза , авторами якої були давньогрецький філософ Левкіппта його учень, давньогрецький вчений Демокрітз міста Абдер.

Левкіпп

Левкіпп і Демокріт припускали, що всі матеріальні речі складаються з неподільних найдрібніших частинок, які називаються атомами (від грецькоїἄτομος - неподільний). А простір між атомами заповнений пусткою. Всі атоми мають розмір та форму, а також здатні рухатися. Прихильниками цієї теорії в середні віки були Джордано Бруно, Галілей, Ісаак Бекманта інші вчені. Основи молекулярно-кінетичної теорії було закладено у праці «Гідродинаміка», опублікованому в 1738 р. Його автором був швейцарський фізик, механік та математик Данило Бернуллі.

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії

Михайло Васильович Ломоносов

Найближче до сучасної фізикивиявилася теорія атомної будовиречовини, яку у XVIII столітті розвинув великий російський вчений Михайло Васильович Ломоносов. Він стверджував, що всі речовини складаються з молекул, які він називав корпускулами . А корпускули, у свою чергу, складаються з атомів . Теорія Ломоносова отримала назву корпускулярної .

Але, як виявилося, атом ділиться. Він складається з позитивно зарядженого ядра та негативних електронів. А загалом він електрично нейтральний.

Сучасна наука називає атомом найменшу частину хімічного елемента, яка є носієм його основних властивостей. Пов'язані міжатомними зв'язками атоми утворюють молекули. У молекулі можуть бути один або декілька атомів однакових чи різних хімічних елементів.

Усі тіла складаються з величезної кількості частинок: атомів, молекул та іонів. Ці частинки безперервно та хаотично рухаються. Їхній рух не має якогось певного напрямку і називається тепловим рухом . Під час свого руху частки взаємодіють одна з одною шляхом абсолютно пружних зіткнень.

Спостерігати молекули та атоми неозброєним окомми не можемо. Але ми можемо бачити результат їхніх дій.

Підтвердженням основних положень молекулярно-кінетичної теорії є: дифузія , броунівський рух і зміна агрегатних станів речовин .

Дифузія

Дифузія у рідині

Один із доказів постійного руху молекул - явище дифузії .

У процесі руху молекули та атоми однієї речовини проникають між молекулами та атомами іншої речовини, що стикається з ним. Так само поводяться молекули і атоми другої речовини попо відношенню до першого. І через деякий час молекули обох речовин поступово розподіляються по всьому обсягу.

Процес проникнення молекул однієї речовини між молекул іншої називається дифузією . З явищем дифузії ми стикаємося вдома щодня, коли опускаємо пакетик чаю у склянку з окропом. Ми спостерігаємо, як безбарвний окріп змінює свій колір. Кинувши в пробірку з водою кілька кристаликів марганцю, можна побачити, що вода забарвиться рожевий колір. Це також дифузія.

Число частинок в одиниці об'єму називають концентрацією речовини. При дифузії молекули переміщаються з тих частин речовини, де концентрація вища, у ті частини, де вона менша. Переміщення молекул називають дифузійним потоком . В результаті дифузії концентрації в різних частинахречовин вирівнюються.

Дифузію можна спостерігати в газах, рідинах та твердих тілах. У газах вона походить з більшою швидкістюніж у рідинах. Ми знаємо, як швидко поширюються запахи у повітрі. Набагато повільніше забарвлюється рідина в пробірці, якщо капнути чорнило. А якщо ми покладемо на дно ємності з водою кристали кухонної соліі не перемішаємо, то мине один день, перш ніж розчин стане однорідним.

Дифузія відбувається і на межі металів, що стикаються. Але її швидкість у разі дуже мала. Якщо покрити мідь золотом, то при кімнатній температуріі атмосферному тискузолото припаде в мідь лише на кілька мікронів через кілька тисяч років.

Свинець із зливка, покладеного під вантажем на золотий злиток, проникне в нього лише на глибину в 1 см за 5 років.

Дифузія у металах

Швидкість дифузії

Швидкість дифузії залежить від площі поперечного перерізупотоку, різниці концентрацій речовин, різниці їх температур чи зарядів. Через стрижень діаметром 2 см тепло поширюється в 4 рази швидше, ніж через стрижень діаметром 1 см. Чим вище різниця температур речовин, тим вища швидкість дифузії. При тепловій дифузії її швидкість залежить від теплопровідності матеріалу, а у разі потоку електричних зарядів- від електропровідності .

Закон Фіка

Адольф Фік

1855 р. німецький фізіолог Адольф Євген Фік зробив перше кількісний описпроцесів дифузії:

де J - густина дифузійного потоку речовини,

D - коефіцієнт дифузії,

C - Концентрація речовини.

Щільність дифузійного потоку речовиниJ [см -2 · s -1 ] пропорційна коефіцієнту дифузіїD [см -2 · s -1 ] та градієнту концентрації, взятому з протилежним знаком.

Це рівняння називають першим рівнянням Фіка .

Дифузія, внаслідок якої концентрації речовин вирівнюються, називається нестаціонарною дифузією . За такої дифузії градієнт концентрації змінюється з часом. А у випадку стаціонарної дифузії цей градієнт залишається незмінним.

Броунівський рух

Роберт Броун

Відкрив це явище шотландський ботанік Роберт Броун у 1827 р. Вивчаючи під мікроскопом зважені у воді цитоплазматичні зерна, виділені з клітин пилку північноамериканської рослиниClarkia pulchellaВін звернув увагу на найдрібніші тверді крупинки. Вони тремтіли і повільно пересувалися без жодної видимої причини. Якщо температура рідини підвищувалася, швидкість часток зростала. Також відбувалося, коли зменшувався розмір часток. Якщо ж їх обсяг збільшувався, знижувалася температура рідини чи збільшувалася її в'язкість, рух частинок сповільнювалося. І ці дивовижні «танці» часток можна було спостерігати довго. Вирішивши, що причина цього руху в тому, що частинки живі, Броун замінив зерно. дрібними частинкамивугілля. Результат виявився таким самим.

Броунівський рух

Щоб повторити досліди Броуна достатньо мати звичайнісінький мікроскоп. Розмір молекул занадто малий. І розглянути їх таким приладом неможливо. Але якщо ми підфарбуємо акварельною фарбою воду в пробірці, а потім подивимося на неї в мікроскоп, побачимо крихітні пофарбовані частинки, які безладно рухаються. Це не молекули, а частинки фарби, виважені у воді. І рухатися їх змушують молекули води, які б'ють їх з усіх боків.

Так поводяться всі видимі в мікроскоп частинки, що у зваженому стані рідинах чи газах. Їхній безладний рух, викликаний тепловим рухом молекул або атомів, називається броунівським рухом . Броунівська частка безперервно піддається ударам з боку молекул і атомів, з яких складаються рідини та гази. І цей рух не припиняється.

Але в броунівський рух можуть брати участь частинки розміром до 5 мкм (мікрометрів). Якщо їх розмір більший, вони нерухомі. Чим менший розмірброунівської частки, тим швидше вона рухається. Частинки менше 3 мкм рухаються поступально по всіх складних траєкторіях або обертаються.

Сам Броун не зміг пояснити відкрите їм явище. І лише у ХІХ столітті вчені знайшли відповідь це питання: рух броунівських частинок викликано впливом ними теплового руху молекул і атомів.

Три стани речовини

Молекули та атоми, з яких складається речовина, не тільки перебувають у русі, а й взаємодіють один з одним, взаємно притягуючись чи відштовхуючись.

Якщо відстань між молекулами порівняно з їх розмірами, то вони зазнають тяжіння. Якщо воно стає менше, то починає переважати сила відштовхування. Цим пояснюється опірність фізичних тілдеформації (стиснення або розтягування).

Якщо тіло стискати, то відстань між молекулами зменшується, і сили відштовхування намагатимуться повернути молекули до початкового стану. При розтягуванні деформації тіла заважатиму сили тяжіння між молекулами.

Молекули взаємодіють усередині одного тіла. Опустимо в рідину шматочок тканини. Ми побачимо, що він намокне. Це тим, що молекули рідини притягуються до молекул твердих тіл сильніше, ніж одне одному.

кожне фізична речовинав залежності від температур і тисків може бути в трьох станах: твердому, рідкому або газоподібному . Вони називаються агрегатними .

У газах відстань між молекулами велика. Тому сили тяжіння між ними настільки слабкі, що вони роблять хаотичне та практично вільний рухв просторі. Напрямок свого руху вони змінюють, ударяючись один об одного або стінки судин.

У рідинах молекули розташовані ближче одна до одної, ніж у газі. Сили тяжіння між ними більші. Молекули в них рухаються не вільно, а хаотично коливаються біля положення рівноваги. Але вони здатні перескакувати у напрямі дії зовнішньої силиміняючись місцями один з одним. Результатом цього є перебіг рідини.

У твердих тілах сили взаємодії між молекулами дуже великі через близької відстаніміж ними. Тяжіння сусідніх молекул вони подолати не можуть, тому здатні здійснювати тільки коливальні рухибіля положення рівноваги.

Тверді тіла зберігають об'єм та форму. Рідина форми не має, вона завжди набуває форми судини, в якій знаходиться в Наразі. Але її обсяг у своїй зберігається. По-іншому поводяться газоподібні тіла. Вони легко змінюють і форму, і обсяг, приймаючи форму тієї посудини, в яку їх помістили, і займаючи весь наданий їм обсяг.

Однак існують і такі тіла, які мають структуру рідини, мають невелику плинність, але при цьому здатні зберігати форму. Такі тіла називають аморфними .

Сучасна фізика виділяє і четверте агрегатний станречовини - плазму .

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії.

Молекулярно-кінетична теорія (МКТ) займається вивченням властивостей речовин, ґрунтуючись при цьому на уявленнях про частинки речовини.

МКТ базується на трьох основних положеннях:

1. Усі речовини складаються з частинок - молекул, атомів та іонів.

2. Частинки речовини безперервно і безладно рухаються.

3. Частинки речовини взаємодіють одна з одною.

Безладний (хаотичний) рух атомів і молекул у речовині називають тепловим рухом, тому що швидкість руху частинок збільшується зі зростанням температури. Експериментальним підтвердженнямбезперервного руху атомів і молекул у речовині є броунівський рух та дифузія.

Частинки речовини.

Усі речовини і тіла у природі складаються з атомів та молекул - груп атомів. Такі великі тіланазиваються макроскопічними. Атоми та молекули відносяться до мікроскопічних тіл. Сучасні прилади (іонні проектори, тунельні мікроскопи) дозволяють бачити зображення окремих атомівта молекул.
Основа будови речовини – атоми. Атоми теж мають складну структуруВони складаються з елементарних частинок - протонів, нейтронів, що входять до складу ядра атома, електронів, а також інших елементарних частинок.
Атоми можуть поєднуватися в молекули, а можуть бути речовини, що складаються тільки з атомів. Атоми загалом електронейтральні. Атоми, що мають надлишок або нестачу електронів, називаються іонами. Бувають позитивні та негативні іони.

На ілюстрації показано приклади різних речовин, що мають будову відповідно у вигляді атомів, молекул та іонів

Сили взаємодії між молекулами.

На малих відстанях між молекулами діють сили відштовхування. Завдяки цьому молекули не проникають одна в одну і шматки речовини ніколи не стискаються до розмірів однієї молекули. Молекула – це складна система, що складається з окремих заряджених частинок: електронів та атомних ядер. Хоча загалом молекули електрично нейтральні, але з-поміж них на малих відстанях діють значні електричні сили: відбувається взаємодія електронів та атомних ядер сусідніх молекул Якщо молекули перебувають у відстанях, перевищують їх розміри у кілька разів, то сили взаємодії мало позначаються. Сили між електрично нейтральними молекулами є короткодіючими. На відстанях, що перевищують 2 – 3 діаметри молекул, діють сили тяжіння. У міру зменшення відстані між молекулами сила тяжіння спочатку збільшується, а потім починає зменшуватися і зменшується до нуля, коли відстань між двома молекулами стає рівним сумірадіусів молекул. При подальшому зменшенні відстані електронні оболонкиатомів починають перекриватися, і між молекулами виникають сили відштовхування, що швидко наростають.

Ідеальний газ. Основне рівняння МКТ.

Відомо, що частинки в газах, на відміну від рідин і твердих тіл, розташовуються одна щодо одної на відстанях, що істотно перевищують їх розміри. У цьому випадку взаємодія між молекулами нехтує мало і кінетична енергія молекул набагато більше енергії міжмолекулярної взаємодії. Для з'ясування найбільш загальних властивостей, властиві всім газам, використовують спрощену модель реальних газів - ідеальний газ. Основні відмінності ідеального газу від реального газу:

1. Частинки ідеального газу – сферичні тіла дуже малих розмірів, практично матеріальні точки.
2. Між частинками відсутні сили міжмолекулярної взаємодії.
3. Зіткнення частинок є абсолютно пружними.

Реальні розріджені гази дійсно поводяться подібно до ідеального газу. Скористайтеся моделлю ідеального газу для пояснення походження тиску газу. Внаслідок теплового руху частки газу іноді ударяються об стінки судини. При кожному ударі молекули діють стінку судини з деякою силою. Складаючись один з одним, сили ударів окремих частинок утворюють деяку силу тиску, що постійно діє на стінку. Зрозуміло, що чим більше частинокміститься в посудині, тим частіше вони будуть ударятися об стінку судини, і тим більшою буде сила тиску, а значить і тиск. Чим швидше рухаються частинки, тим більше вони вдаряють у стінку судини. Уявно уявимо собі найпростіший досвід: м'яч, що котиться, ударяється об стінку. Якщо м'яч котиться повільно, він при ударі подіє на стінку з меншою силою, ніж якби він рухався швидко. Чим більше масачастинки, тим більше сила удару. Чим швидше рухаються частинки, тим частіше вони ударяються об стінки судини. Отже, сила, з якою молекули діють стінку судини, прямо пропорційна числу молекул, які у одиниці обсягу (це число називається концентрацією молекул і позначається n), масі молекули m o , середньому квадрату їх швидкостей і площі стінки судини. В результаті отримуємо: тиск газу прямо пропорційно концентрації частинок, масі частинки та квадрату швидкості частинки (або їх кінетичної енергії). Залежність тиску ідеального газу від концентрації та від середньої кінетичної енергії частинок виражається основним рівнянням молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу. Ми отримали основне рівняння МКТ ідеального газу із загальних міркувань, але його можна вивести суворо, спираючись на закони класичної механіки. Наведемо одну з форм запису основного рівняння МКТ:
P = (1/3) · n · m o · V 2 .