Като правило, ние познаваме света чрез така наречените макроскопични тела (гръцки "макро" - голям). Това са всички тела, които ни заобикалят: къщи, коли, вода в чаша, вода в океана и т.н. Интересуваше ни какво се случва с тези тела и около тях. Сега ще ни интересува и какво се случва вътре в телата. Разделът от физиката, наречен MKT, ще ни помогне да отговорим на този въпрос.
MKT - молекулярно-кинетична теория. Той обяснява физическите явления и свойства на телата от гледна точка на тяхната вътрешна микроскопична структура. Тази теория се основава на три твърдения:

Всички тела са изградени от малки частици, между които има празнини.
Частиците на телата се движат постоянно и хаотично.
Частиците на телата взаимодействат помежду си: привличат и отблъскват.

Тези твърдения се наричат ​​основни разпоредби на ILC. Всички те са потвърдени от множество експерименти.

При макроскопичния подход се интересуваме от самите тела: техните размери, обем, маса, енергия и т.н. Погледнете снимката вляво. Например, макроскопски изучавайки водните пръски, ще измерим техния размер, обем, маса.

При микроскопичния подход се интересуваме също от размери, обем, маса и енергия. Но не самите тела, а частиците, от които са съставени: молекули, йони и атоми. Точно това символизира горната снимка. Но не трябва да се мисли, че молекулите, йоните и атомите могат да се видят през лупа. Тази рисунка е просто художествена хипербола. Тези частици могат да се видят само с помощта на специални, така наречените електронни микроскопи.

MKT не винаги е била научна теория. Възникнала преди нашата ера, молекулярната (или, както я наричаха преди, атомна) теория остана само удобна хипотеза повече от две хиляди години! И едва през ХХ век тя се превръща в пълноценна физическа теория. Ето как казва известният физик Е. Ръдърфорд за това:

„Нито един физик или химик не може да затвори очите си за огромната роля, която атомната хипотеза понастоящем играе в науката... До края на 19 век нейните идеи проникнаха в много голяма област от физиката и химията. идеята за атомите ставаше все по-конкретна... Простотата и полезността на атомните възгледи при обяснението на най-разнообразните явления на физиката и химията естествено повишиха авторитета на тази теория в очите на учените. Имаше тенденция да се счита атомната хипотеза вече не като полезна работна хипотеза, за която е много трудно да се намерят преки и убедителни доказателства, а като един от твърдо установените природни факти.

Но не липсваха и учени и философи, които изтъкваха безпочвеността на тази теория, върху която обаче се гради толкова много. Можем да се съгласим с полезността на идеята за молекули за обяснение на тези експерименти, но каква увереност имаме, че атомите наистина съществуват, а не са само измислица, плод на нашето въображение? Трябва да се каже обаче, че тази липса на преки доказателства в никакъв случай не е разклатила вярата на огромното мнозинство от учените в гранулираната структура на материята.

Отричането на атомната теория никога не е допринесло и няма да допринесе за откриването на нови факти. Голямото предимство на атомната теория е, че тя ни дава, така да се каже, осезаема конкретна представа за материята, която не само ни служи за обяснение на много явления, но и ни оказва огромни услуги като работна хипотеза.

Има два метода за изследване на свойствата на веществото: молекулярно-кинетичен и термодинамичен.

Молекулярно-кинетичната теория тълкува свойствата на телата, които се наблюдават пряко в експеримента (налягане, температура и др.), Като общ резултат от действието на молекулите. В същото време тя използва статистически метод, като се интересува не от движението на отделни молекули, а само от средните стойности, които характеризират движението на огромна колекция от частици. Оттам идва и другото й име – статистическа физика.

Термодинамиката изучава макроскопичните свойства на телата, без да се интересува от тяхната микроскопична картина. Термодинамиката се основава на няколко основни закона (наречени принципи на термодинамиката), установени въз основа на обобщение на голям набор от експериментални факти. Термодинамиката и молекулярно-кинетичната теория се допълват взаимно, образувайки по същество едно цяло.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

атом -най-малката частица от даден химичен елемент. Всички атоми, които съществуват в природата, са представени в периодичната система от елементи на Менделеев.

Атомите се комбинират в молекула чрез химически връзкина базата на електрическо взаимодействие. Броят на атомите в една молекула може да бъде различен. Една молекула може да се състои от един, два, три или дори няколкостотин атома.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Молекула- най-малката частица от дадено вещество, която има неговите химични свойства.

Молекулярно-кинетична теория- учението за структурата и свойствата на материята, основано на концепцията за съществуването на атоми и молекули.

Основател на молекулярно-кинетичната теория е М.В. Ломоносов (1711-1765), който формулира основните му положения и ги прилага за обяснение на различни топлинни явления.

Основни положения на молекулярната кинетична теория

Основните разпоредби на ИКТ:

1. всички тела в природата се състоят от най-малките частици (атоми и молекули);
2. частиците са в непрекъснато хаотично движение, което се нарича термично;
3. частиците взаимодействат помежду си: между частиците действат сили на привличане и отблъскване, които зависят от разстоянието между частиците.

Молекулярно-кинетичната теория се потвърждава от много явления.

Смесването на различни течности, разтварянето на твърди вещества в течности се обяснява със смесването на различни видове молекули. В този случай обемът на сместа може да се различава от общия обем на съставните й компоненти. за какво пише различни размеримолекулни съединения.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

дифузия- явлението на проникване на две или повече съседни вещества едно в друго.

Дифузията протича най-интензивно в газовете. Разпространението на миризми се дължи на дифузия. Дифузията показва, че молекулите са в постоянно хаотично движение. Също така, феноменът на дифузия показва, че има празнини между молекулите, т.е. материята е дискретна.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Брауново движение- топлинно движение на най-малките микроскопични частици, суспендирани в течност или газ.

Това явление е наблюдавано за първи път от английския ботаник Р. Браун през 1827 г. Докато наблюдава цветен прашец, суспендиран във вода през микроскоп, той вижда, че всяка поленова частица прави бързи произволни движения, движейки се на определено разстояние. В резултат на отделни движения всяка поленова частица се движи по зигзагообразна траектория (фиг. 1а).

Фиг. 1. Брауново движение: а) траектории на движение на отделни частици, суспендирани в течност; б) предаване на импулс от течни молекули към суспендирана частица.

Допълнителни изследвания брауново движениев различни течности и с различни твърди частици показа, че това движение става толкова по-интензивно, колкото по-малък е размерът на частиците и колкото по-висока е температурата на експеримента. Това движение никога не спира и не зависи от никакви външни причини.

Р. Браун не можа да обясни наблюдаваното явление. Теорията за брауновото движение е построена от А. Айнщайн през 1905 г. и е получила експериментално потвърждение в експериментите на френския физик Ж. Перин (1900-1911).

Молекулите на течността, които са в постоянно хаотично движение, когато се сблъскват със суспендирана частица, предават някакъв импулс към нея (фиг. 1, b). При голяма частица броят на молекулите, падащи върху нея от всички страни, е голям, ударите им се компенсират във всеки момент от време и частицата остава практически неподвижна. Ако размерът на частицата е много малък, тогава ударите на молекулите не се компенсират - от една страна, по-голям брой молекули могат да се ударят в нея, отколкото от друга, в резултат на което частицата ще започне да се движи. Именно такова движение под въздействието на случайни удари на молекули извършват брауновите частици. Въпреки че брауновите частици са милиарди пъти по-големи от масата на отделните молекули и се движат с много ниски скорости (в сравнение със скоростите на молекулите), тяхното движение все още може да се наблюдава под микроскоп.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

МОЛЕКУЛАРНО-КИНЕТИЧНА ТЕОРИЯ
клон на молекулярната физика, който разглежда много свойства на веществата въз основа на идеите за бързото хаотично движение на огромен брой атоми и молекули, които изграждат тези вещества. Молекулярно-кинетичната теория се фокусира не върху разликите между отделните типове атоми и молекули, а върху общите черти, които съществуват в тяхното поведение. Още древногръцките философи, които първи изразиха атомистичните идеи, вярваха, че атомите са в непрекъснато движение. Д. Бернули се опитва да даде количествен анализ на това движение през 1738 г. Фундаментален принос за развитието на молекулярно-кинетичната теория е направен в периода от 1850 до 1900 г. от Р. Клаузиус в Германия, Л. Болцман в Австрия и Дж. Максуел в Англия. Същите тези физици полагат основите на статистическата механика, по-абстрактна дисциплина, която се занимава със същата тема като молекулярно-кинетичната теория, но без да изгражда подробни и следователно по-малко общи модели. Задълбочаването на статистическия подход в началото на 20 век. се свързва главно с името на американския физик Дж. Гибс, който се счита за един от основателите на статистическата механика. Революционни идеи са въведени в тази наука и от М. Планк и А. Айнщайн. В средата на 20-те години класическата механика най-накрая отстъпи място на новата, квантовата механика. То дава тласък на развитието на статистическата механика, което продължава и до днес.
МОЛЕКУЛАРНО-КИНЕТИЧНА ТЕОРИЯ ЗА ТОПЛИНАТА
Известно е, че нагретите тела, охлаждайки се, отдават част от топлината си на по-студените тела. До 19 век смяташе се, че топлината е вид течност (калорична), която тече от едно тяло към друго. Едно от основните постижения на физиката от 19 век Стана така, че топлината започна да се разглежда просто като една от формите на енергия, а именно кинетичната енергия на атомите и молекулите. Тази идея важи за всички вещества – твърди, течни и газообразни. Частиците на нагрятото тяло се движат по-бързо от студеното. Например слънчевите лъчи, нагрявайки кожата ни, карат нейните молекули да трептят по-бързо и ние усещаме тези вибрации като топлина. При студения вятър молекулите на въздуха, сблъсквайки се с молекулите на повърхността на тялото ни, отнемат енергия от тях и ни е студено. Във всички случаи, когато топлината се предава от едно тяло на друго, движението на частиците в първото от тях се забавя, във второто се ускорява, а енергията на частиците на второто тяло нараства точно толкова, колкото енергията на частици от първия намалява. Много познати ни топлинни явления могат да бъдат директно обяснени с помощта на молекулярно-кинетична теория. Тъй като топлината се генерира от произволното движение на молекулите, е възможно да се повиши температурата на тялото (да се увеличи топлинният резерв в него) не поради доставката на топлина, а например чрез триене: молекулите на триещите се повърхности, сблъскващи се с всяка други, започват да се движат по-интензивно и температурата на повърхностите се повишава. По същата причина парче желязо се нагрява, когато се удари с чук. Друг термичен феномен е повишаването на налягането на газовете при нагряване. С повишаване на температурата скоростта на движение на молекулите се увеличава, те по-често и по-силно се удрят в стените на съда, в който се намира газът, което се проявява в повишаване на налягането. Постепенното изпаряване на течностите се обяснява с факта, че техните молекули една след друга преминават във въздуха, докато най-бързите от тях изчезват първи, а тези, които остават, имат средно по-малко енергия. Ето защо, когато течностите се изпаряват от мокра повърхност, тя се охлажда. Математическият апарат, изграден върху молекулярно-кинетичната теория, позволява да се анализират тези и много други ефекти въз основа на уравненията за движение на молекулите и общи разпоредбитеория на вероятностите. Да приемем, че сме вдигнали гумена топка на определена височина и след това сме я пуснали от ръцете си. Топката ще удари пода и след това ще отскочи няколко пъти, всеки път на по-ниска височина от преди, тъй като при удара част от нейната кинетична енергия се преобразува в топлина. Такова въздействие се нарича частично еластично. Парче олово изобщо не отскача от пода - при първия удар цялата му кинетична енергия се превръща в топлина и температурата на парчето олово и пода леко се повишава. Такова въздействие се нарича абсолютно нееластично. Удар, при който цялата кинетична енергия на тялото се запазва, без да се превръща в топлина, се нарича напълно еластичен. В газовете, когато атомите и молекулите се сблъскват помежду си, се обменят само техните скорости (тук не разглеждаме случая, когато в резултат на сблъсъци газовите частици взаимодействат - влизат в химични реакции); общата кинетична енергия на целия набор от атоми и молекули не може да бъде преобразувана в топлина, тъй като вече е. Непрекъснатото движение на атомите и молекулите на материята се нарича топлинно движение. При течности и твърди тела картината е по-сложна: в допълнение към кинетичната енергия е необходимо да се вземе предвид потенциалната енергия на взаимодействието на частиците.
Топлинно движение във въздуха.Ако въздухът се охлади до много ниска температура, той ще се превърне в течност, докато обемът на образуваната течност ще бъде много малък. Например при втечняване на 1200 cm3 атмосферен въздух се получават 2 cm3 течен въздух. Основното предположение на атомната теория е, че размерите на атомите и молекулите почти не се променят при промяна на агрегатното състояние на материята. Следователно в атмосферния въздух молекулите трябва да са на разстояния една от друга, които са много по-големи, отколкото в течност. Наистина, от 1200 cm3 атмосферен въздух повече от 1198 cm3 са заети от празно пространство. Молекулите на въздуха се движат произволно в това пространство с много високи скорости, постоянно се сблъскват една с друга като билярдни топки.
Налягането на газ или пара.Нека разгледаме правоъгълен съд, чийто единичен обем съдържа n газови молекули с маса m всяка. Ще се интересуваме само от тези молекули, които удрят една от стените на съда. Нека изберем оста x така, че да е перпендикулярна на тази стена и да разгледаме молекула, чийто компонент на скоростта v по протежение на избраната ос е равен на vx. Когато една молекула удари стената на съда, нейният импулс по посока на оста x ще се промени с -2mvx. В съответствие с третия закон на Нютон, импулсът, прехвърлен към стената, ще бъде същият. Може да се покаже, че ако всички молекули се движат с еднаква скорост, тогава (1/2) nvx молекули се сблъскват с единична площ на стената от 1 c. За да видим това, нека разгледаме газов граничен слой близо до една от стените, изпълнен с молекули със същите стойности на v и vx (фиг. 1). Да приемем, че дебелината на този слой е толкова малка, че повечето от молекулите преминават през него без сблъсък. Молекула А ще достигне стената в момент t = l /vx; до този момент точно половината от молекулите от граничния слой ще ударят стената (другата половина се отдалечава от стената). Техният брой се определя от плътността на газа и обема на граничния слой с площ А и дебелина l: N = (1/2) nAl. Тогава броят на молекулите, които удрят една област за 1 s, ще бъде N/At = (1/2) nvx, а общият импулс, прехвърлен към тази област за 1 s, ще бъде (1/2) nvx × 2mvx = nmvx2. Всъщност vx компонентът не е еднакъв за различните молекули, така че стойността на vx2 трябва да бъде заменена с неговата средна стойност

и">

. Ако молекулите се движат произволно, тогава средната стойност на всички vx е равна на средната стойност на vy и vz, така че

и

където е средната стойност на v2 за всички молекули. Молекулните удари срещу стената следват едно след друго толкова бързо, че последователността от предавани импулси се възприема като постоянно налягане P. Стойността на P може да се намери, ако си спомним, че налягането е сила, действаща на единица площ, а силата, от своя страна, е промяна на импулса на скоростта. Следователно P е равно на скоростта на промяна на импулса на единица площ, т.е.

Ще получим същата връзка, ако вместо произволното движение на молекулите във всички посоки, разгледаме движението на една шеста от техния брой перпендикулярно на всяка от шестте страни на правоъгълен съд, като приемем, че всяка молекула има кинетична енергия
Законът на Бойл - Мариот.Във формула (1) n означава не общия брой молекули, а броят на молекулите на единица обем. Ако същият брой молекули се поставят в половината от обема (без да се променя температурата), тогава стойността на n ще се удвои и налягането също ще се удвои, ако v2 не зависи от плътността. С други думи, при постоянна температура налягането на газа е обратно пропорционално на неговия обем. Английският физик Р. Бойл и френският физик Е. Мариот експериментално установяват, че когато ниско наляганетова твърдение е вярно за всеки газ. По този начин законът на Бойл-Мариот може да се обясни, като се направи разумното предположение, че при ниско налягане скоростта на молекулите не зависи от n.
Законът на Далтон.Ако в съда има смес от газове, т.е. има няколко различни сортовемолекули, тогава импулсът, придаден на стената от молекули от всеки вид, не зависи от това дали присъстват молекули от други видове. Така според молекулярно-кинетичната теория налягането на смес от два или повече идеални газа е равно на сумата от наляганията, които всеки от газовете би създал, ако заемаше целия обем. Това е законът на Далтон, който е обект на газови смеси при ниско налягане.
Молекулни скорости.Формула (1) дава възможност да се оцени средната скорост на газовите молекули. По този начин атмосферното налягане на морското равнище е приблизително 106 dynes / cm2 (0,1 MPa), а масата на 1 cm3 въздух е 0,0013 g. Замествайки тези стойности във формула (1), получаваме много голяма стойност за скорост на молекулите:

На голяма надморска височина, където атмосферата е много разредена, въздушните молекули могат да изминават големи разстояния за секунда, без да се сблъскват една с друга. На повърхността на Земята се наблюдава различна картина: за 1 s всяка молекула се сблъсква с други молекули средно прибл. 800 милиона пъти. Той описва силно накъсана траектория и при липса на въздушни течения след една секунда с голяма вероятност ще бъде само на 1-2 см от мястото, където е бил в началото на тази секунда.
Закон на Авогадро.Както казахме, въздухът при стайна температура има плътност приблизително 0,0013 g/cm3 и създава налягане от 106 dynes/cm2. Водородният газ, който има плътност само 0,00008 g/cm3 при стайна температура, също създава налягане от 106 dynes/cm2. Съгласно формула (1) налягането на газа е пропорционално на броя на молекулите в единица обем и тяхната средна кинетична енергия. През 1811 г. италианският физик А. Авогадро излага хипотеза, според която равни обеми различни газове при една и съща температура и налягане съдържат същото числомолекули. Ако тази хипотеза е вярна, тогава от съотношението (1) получаваме, че за различни газове при горните условия стойността (1/2) mv2 е една и съща, т.е. средната кинетична енергия на молекулите е еднаква. Това заключение е в добро съгласие с молекулярно-кинетичната теория
(виж също ТОПЛИНА).
Масата на 1 cm3 водород е малка, не защото има по-малко молекули в даден обем, а защото масата на всяка водородна молекула е няколко пъти по-малка от масата на молекула азот или кислород - газовете, които изграждат въздух. Установено е, че броят на молекулите на всеки газ в 1 cm3 при 0 ° C и нормално атмосферно налягане е 2,687 * 10 19.
Среден свободен път.Важно количество в молекулярно-кинетичната теория на газовете е средното разстояние, изминато от молекула между два сблъсъка. Тази стойност се нарича среден свободен път и се означава с L. Тя може да се изчисли по следния начин. Представете си, че молекулите са сфери с радиус r; тогава техните центрове по време на сблъсъка ще бъдат на разстояние 2r един от друг. При движението си молекулата „удари“ всички молекули в рамките на площта на напречното сечение p (2r)2 и, премествайки се на разстояние L, тя „удари“ всички молекули в обема 4pr2L, така че средният брой молекули, които би сблъсък с би бил 4pr2Ln. За да намерите L, трябва да вземете това число равно на 1, откъдето

От тази връзка може директно да се намери радиусът на молекулата, ако е известна стойността L (може да се намери от измервания на вискозитета на газа; виж по-долу). Стойността на r се оказва от порядъка на 10-8 cm, което е в съответствие с резултатите от други измервания, а L за типичните газове при нормални условия е от 100 до 200 молекулни диаметъра. Таблицата показва стойностите на L за атмосферния въздух на различни височини над морското равнище.
РАЗПРЕДЕЛЕНИЕ НА СКОРОСТТА НА МОЛЕКУЛИТЕ
В средата на 19в имаше не само развитието на молекулярно-кинетичната теория, но и формирането на термодинамиката. Някои понятия на термодинамиката се оказаха полезни и за молекулярно-кинетичната теория - това са преди всичко абсолютната температура и ентропията.
Топлинен баланс.В термодинамиката свойствата на веществата се разглеждат главно въз основа на идеята, че всяка система се стреми към състояние с най-висока ентропия и след като достигне такова състояние, не може спонтанно да го напусне. Такова представяне е в съответствие с молекулярно-кинетичното описание на поведението на газ. Наборът от газови молекули има определена обща енергия, която може да бъде разпределена между отделните молекули по огромен брой начини. Каквото и да е първоначалното разпределение на енергията, ако газът е оставен сам на себе си, тогава енергията бързо ще се преразпредели и газът ще дойде в състояние на термично равновесие, т.е. към състоянието с най-висока ентропия. Нека се опитаме да формулираме това твърдение по-строго. Нека N (E) dE е броят на газовите молекули с кинетична енергия в диапазона от E до E + dE. Независимо от първоначалното разпределение на енергията, газът, оставен сам на себе си, ще достигне състояние на топлинно равновесие с характерна функция N (E), съответстваща на постоянната температура. Вместо енергии, може да се вземат предвид скоростите на молекулите. Нека f (v) dv означава броя на молекулите със скорости в диапазона от v до v + dv. В един газ винаги ще има определен брой молекули със скорости в диапазона от v до v + dv. Още миг по-късно нито една от тези молекули няма да има скорост, лежаща в посочения интервал, тъй като всички те ще претърпят един или повече сблъсъци. Но от друга страна, други молекули със скорости, които преди са били значително различни от v, в резултат на сблъсъци ще придобият скорости, вариращи от v до v + dv. Ако газът е в стационарно състояние, тогава броят на молекулите, които придобиват скорост v, след достатъчно дълъг период от време, ще бъде равен на броя на молекулите, чиято скорост ще престане да бъде равна на v. Само в този случай функцията n (v) може да остане постоянна. Това число, разбира се, зависи от разпределението на скоростта на газовите молекули. Формата на това разпределение в газ в покой е установена от Максуел: ако има общо N молекули, тогава броят на молекулите със скорости в интервала от v до v + dv е равен на

където параметърът b зависи от температурата (виж по-долу).
газови закони.Горните оценки за средната скорост на въздушните молекули на морското равнище съответстват на обикновената температура. Според молекулярно-кинетичната теория кинетичната енергия на всички газови молекули е топлината, която притежава. При по-висока температура молекулите се движат по-бързо и газът съдържа повече топлина. Както следва от формула (1), ако обемът на газа е постоянен, тогава неговото налягане се увеличава с повишаване на температурата. Ето как се държат всички газове (закон на Чарлз). Ако газът се нагрява при постоянно налягане, той ще се разшири. Установено е, че при ниско налягане за всеки газ с обем V, съдържащ N молекули, произведението на налягането и обема е пропорционално на абсолютната температура:

където T е абсолютната температура, k е константа. От закона на Авогадро следва, че стойността на k е еднаква за всички газове. Тя се нарича константа на Болцман и е равна на 1,38 * 10 -14 erg / K. Сравнявайки изразите (1) и (3), лесно се вижда, че общата енергия движение напред N молекули, равно на (1/2) Nmv2, е пропорционално на абсолютната температура и е равно на

От друга страна, интегрирайки израз (2), получаваме, че общата енергия на транслационното движение на N молекули е 3Nm /4b 2. Следователно

Чрез заместване на израз (5) във формула (2) може да се намери разпределението на молекулите по скорости при всяка температура T. Молекулите на много често срещани газове, като азот и кислород (основните компоненти на атмосферния въздух), се състоят от две атоми, а молекулата им наподобява форма на дъмбел. Всяка такава молекула не само се движи напред с голяма скорост, но и се върти много бързо. В допълнение към транслационната енергия, N молекулите имат ротационна енергия NkT, така че общата енергия на N молекули е (5/2) NkT.
Експериментална проверка на разпределението на Максуел. През 1929 г. стана възможно директно да се намери разпределението на скоростта на газовите молекули. Ако се направи малък отвор в стената на съд, съдържащ газ или пара при определена температура, или се прореже тесен процеп, тогава молекулите ще излетят през тях, всяка със собствена скорост. Ако дупката води в друг съд, от който се изпомпва въздухът, тогава повечето молекули ще имат време да прелетят разстояние от няколко сантиметра преди първия сблъсък. В схемата, показана схематично на фиг. 2, има съд V, съдържащ газ или пара, чиито молекули излизат през прореза S1; S2 и S3 - прорези в напречните плочи; W1 и W2 са два диска, монтирани на общ вал R. Във всеки диск са изрязани няколко радиални гнезда. Процепът S3 е разположен по такъв начин, че ако няма дискове, молекулите, излитащи от процепа S1 и преминаващи през процепа S2, биха летели през процепа S3 и биха ударили детектора D. през прорезите S1 и S2, те също ще преминат през слота на диска W1, но ще бъдат задържани от диска W2, монтиран на вала R, така че неговите шлици да не съвпадат с гнездата на диска W1. Ако дисковете са неподвижни или се въртят бавно, тогава молекулите от съда V не влизат в детектора D. Ако дисковете се въртят бързо с постоянна скорост, тогава част от молекулите преминават през двата диска. Не е трудно да се разбере кои молекули ще могат да преодолеят и двете препятствия - тези, които ще преодолеят разстоянието от W1 до W2 за времето, необходимо за изместване на дисковия слот W2 до желания ъгъл. Например, ако всички слотове на диска W2 се завъртят на 2° спрямо слотовете на диска W1, тогава молекулите, които летят от W1 към W2 по време на въртенето на диска W2 с 2°, ще влязат в детектора. Чрез промяна на честотата на въртене на вала с дискове е възможно да се измерват скоростите на молекулите, излъчвани от съда V, и да се начертае тяхното разпределение. Така полученото разпределение се съгласува добре с това на Максуел.

Брауново движение.През 19 век методът за измерване на скоростта на молекулите, описан по-горе, все още не беше известен, но едно явление направи възможно наблюдаването на непрекъснатото топлинно движение на молекулите в течност. Шотландският ботаник Р. Браун (в предишната транскрипция - Браун) през 1827 г., наблюдавайки под микроскоп частиците прашец, суспендирани във вода, установява, че те не стоят неподвижни, а се движат през цялото време, сякаш нещо ги тласка в едната, после от другата страна. По-късно се предполага, че хаотичното движение на частиците се дължи на непрекъснатото топлинно движение на молекулите на течността и прецизни изследвания на движението, наречено Брауново, потвърждават правилността на тази хипотеза.
(виж БРАУНОВСКО ДВИЖЕНИЕ).
Топлинна мощност на газ или пара.Количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на определено количество вещество с 1 градус, се нарича неговия топлинен капацитет. От формула (4) следва, че ако температурата на газа се увеличи при постоянен обем от T до T + 1, тогава енергията на транслационното движение ще се увеличи с (3/2) Nk. Цялата топлинна енергия на едноатомен газ е енергията на транслационното движение. Следователно топлинният капацитет на такъв газ при постоянен обем е Cv = (3/2) Nk, а топлинният капацитет на молекула е (3/2) k. Топлинният капацитет на N двуатомни молекули, които също имат енергията на въртеливо движение kT, е равен на Cv = (5/2) Nk, а една молекула представлява (5/2) k. И в двата случая топлинният капацитет не зависи от температурата, а топлинната енергия се отдава от

Налягане на наситена пара.Ако налеете малко вода в голям затворен съд, който съдържа въздух, но не и водна пара, тогава част от нея веднага ще се изпари и частиците от пара ще започнат да се разпространяват из съда. Ако обемът на съда е много голям в сравнение с обема на водата, тогава изпарението ще продължи, докато цялата вода се превърне в пара. Ако се налее достатъчно вода, тогава няма да се изпари цялата; скоростта на изпарение постепенно ще намалява и в крайна сметка процесът ще спре - обемът на съда ще бъде наситен с водна пара. От гледна точка на молекулярно-кинетичната теория това се обяснява по следния начин. От време на време една или друга водна молекула, разположена в течна среда близо до повърхността, получава достатъчно енергия от съседни молекули, за да избяга в паровъздушната среда. Тук тя се сблъсква с други подобни молекули и с въздушни молекули, описвайки много сложна зигзагообразна траектория. При движението си той се удря и в стените на съда и повърхността на водата; обаче може да отскочи от водата или да бъде погълната от нея. Докато водата се изпарява, броят на молекулите на парата, уловени от нея от паровъздушната среда, остава по-малък от броя на молекулите, напускащи водата. Но идва момент, когато тези количества се изравняват - установява се равновесие и налягането на парите достига насищане. В това състояние броят на молекулите на единица обем пара над течността остава постоянен (разбира се, ако температурата е постоянна). Същата картина се наблюдава и при твърдите тела, но при повечето тела налягането на парите става забележимо само при високи температури.
ВИБРАЦИИ НА АТОМИТЕ В ТВЪРДИ ТЕЛА И ТЕЧНОСТИ
Поглеждайки под микроскоп добре запазена древногръцка или римска скъпоценна камък, човек може да види, че нейните детайли остават толкова ясни, колкото изглеждат, когато скъпоценната камък току-що е излязла от ръцете на майстора, който я е направил. Ясно е, че за огромен период от време само много малко атоми са успели да "избягат" от повърхността на камъка, от който е направен скъпоценният камък - в противен случай детайлите му биха загубили яснота с времето. Повечето от атомите на твърдото тяло могат да извършват само колебателни движения спрямо някаква фиксирана позиция и с повишаване на температурата средната честота на тези вибрации и тяхната амплитуда само се увеличават. Когато дадено вещество започне да се топи, поведението на неговите молекули става подобно на поведението на течните молекули. Ако в твърдо тяло всяка частица осцилира в малък обем, заемайки фиксирана позиция в пространството, то в течност самият този обем се движи бавно и хаотично, а осцилиращата частица се движи с него.
ТОПЛОПРОВОДНОСТ НА ГАЗ
Във всяко неравномерно нагрято тяло топлината се пренася от по-топлите части към по-студените части. Това явление се нарича топлопроводимост. Използвайки молекулярно-кинетична теория, може да се намери скоростта, с която даден газ провежда топлина. Нека разгледаме газ, затворен в правоъгълен съд, чиято горна повърхност има по-висока температура от долната. Температурата на газа в съда постепенно намалява при преминаване от горните слоеве към долните - има температурен градиент в газа. Нека разгледаме тънък хоризонтален слой газ AB, който има температура T (фиг. 3), и съседен слой CD с малко по-висока температура, T ў. Нека разстоянието между AB и CD е равно на средния свободен път L. Според формула (4) средната енергия на молекула в слоя AB е пропорционална на температурата T, а в слоя CD е пропорционална на температура T. Да разгледаме молекула от слоя AB, която се сблъсква с друга молекула в точка A, след което се придвижва без сблъсъци до точка C. С голяма вероятност тя ще попадне в слоя CD с енергия, съответстваща на слоя AB , Обратно, молекула от слоя CD, движеща се без сблъсъци от точка D до точка B слой AB с по-висока енергия, съответстваща на слоя CD, от който е излетяла. Ясно е, че по време на такива сблъсъци се прехвърля повече енергия от CD към AB отколкото от AB към CD - има непрекъснат поток на топлина от по-топлия към по-студения слой.Същата картина се наблюдава за всички слоеве в газа.

Скоростта на разпространение на топлината може да се изчисли с доста добра точност, дори ако пренебрегнем факта, че средният свободен път на някои молекули е по-голям, докато други е по-малък от средния. Разгледайте равнината FG, успоредна на равнините AB и CD и минаваща по средата между тях (фиг. 3), и изберете единица площ от тази равнина. Ако има n молекули на единица обем, движещи се със средна скорост c, тогава за 1 s (1/2) nc молекулите ще пресекат FG отдолу нагоре и ще пренесат енергията (1/2) ncE ; същият брой молекули ще пресекат FG отгоре надолу и ще пренесат енергията (1/2) ncEў, където E и Еў са средните енергии на молекулите при температури T и T". Така, ако и двата потока от молекули се движат перпендикулярно на равнината FG, тогава разликата на прехвърлените енергии ще бъде равна на (1/2) nc (E "- E). Но молекулите пресичат FG под всички възможни ъгли и за да се вземе това предвид, посочената стойност трябва да се умножи по 2/3. Използвайки съотношението (6), получаваме

Където Cv е топлинният капацитет на n молекули, съдържащи се в единица обем. При движение от CD към AB, които са на разстояние L един от друг, температурата намалява с (T "- T) и ако dT / dz е температурният градиент в посока, перпендикулярна на равнината на FG, тогава

Замествайки температурната разлика, изразена чрез градиента, във формула (7), получаваме, че общата енергия, пренесена през единица площ за 1 s, е равна на

Стойността на K, описана с израза K = (1/3)CvcL,
се нарича топлопроводимост на газа.
ВИСКОЗИТЕТ НА ГАЗОВАТА
Ако измерите скоростта на реката на различни дълбочини, ще откриете, че близо до дъното водата е почти неподвижна и колкото по-близо до повърхността, толкова по-бързо се движи. По този начин в речния поток има градиент на скоростта, подобен на температурния градиент, обсъден по-горе; в същото време, поради вискозитета, всеки по-висок слой носи със себе си съседния, лежащ под него. Този модел се наблюдава не само в течности, но и в газове. Използвайки молекулярно-кинетичната теория, ще се опитаме да определим вискозитета на газа. Да приемем, че газът тече отляво надясно и че в хоризонталния слой CD на фиг. 3, скоростта на потока е по-голяма, отколкото в слой AB, разположен точно под CD. Нека, както преди, разстоянието между равнините е равно на средния свободен път. Газовите молекули се движат бързо в обема по хаотични траектории, но това хаотично движение се наслагва от насоченото движение на газа. Нека u е скоростта на газовия поток в слоя AB (в посока от A към B), а u" е малко по-висока скорост в слоя CD (в посока от C към D). В допълнение към импулса, дължащ се на случайно движение, молекулата в слоя AB има импулс mu, а в слоя CD - импулса mu.Молекулите, преминаващи без сблъсъци от AB към CD, пренасят импулса mu, съответстващ на слой AB, към слоя CD, докато частиците, падащи от CD към AB се смесват с молекули от AB и носят със себе си импулс mu". Следователно, импулс, равен на

Тъй като скоростта на промяна на импулса е равна на силата, получихме израз за силата на единица площ, с която един слой действа върху друг: по-бавният слой забавя по-бързия, а последният, напротив, увлича по-бавен слой заедно с него, го ускорява. Подобни сили действат между съседни слоеве в целия обем на протичащия газ. Ако du/dz е градиентът на скоростта в газа в посока, перпендикулярна на FG, тогава

Стойността nm във формула (8) е масата на газа на единица обем; ако означим това количество с r, тогава силата на единица площ ще бъде равна на

където коефициентът (1/3)rLc е вискозитетът на газа. От последните два раздела на статията следват два извода. Първият е, че съотношението на вискозитета към топлопроводимостта е r/Cv. Второто следва от израза за L, даден по-рано и се състои в това, че вискозитетът на газа зависи само от неговата температура и не зависи от налягането и плътността. Правилността и на двете заключения е потвърдена експериментално с висока точност.
Вижте също
ТОПЛИНА ;
СТАТИСТИЧЕСКА МЕХАНИКА;
ТЕРМОДИНАМИКА.
ЛИТЕРАТУРА
Hirschfeld J., Curtiss C., Byrd R. Молекулярна теориягазове и течности. М., 1961 Френкел Я.И. Кинетична теория на течностите. Л., 1975 г. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярна физика. М., 1976

Енциклопедия на Collier. - Отворено общество. 2000 .

Вижте какво е "МОЛЕКУЛАРНО-КИНЕТИЧНА ТЕОРИЯ" в други речници:

- (съкратено като MKT) теорията от 19 век, която разглежда структурата на материята, главно газове, от гледна точка на три основни приблизително правилни положения: всички тела са съставени от частици: атоми, молекули и йони; частиците са в непрекъснат ... ... Wikipedia

- (съкратено като MKT) теория, която разглежда структурата на материята от гледна точка на три основни приблизително правилни положения: всички тела се състоят от частици, чийто размер може да бъде пренебрегнат: атоми, молекули и йони; частиците са в непрекъснат ... ... Wikipedia

Основните разпоредби на ИКТ:

1. Всички вещества се състоят от най-малките частици: молекули, атоми или йони.

2. Тези частици са в непрекъснато хаотично движение, чиято скорост определя температурата на веществото.

3. Между частиците съществуват сили на привличане и отблъскване, чийто характер зависи от разстоянието между тях.

Идеален газ е газ, чието взаимодействие между молекулите е незначително.

Основните разлики между идеалния газ и реалния са: частиците на идеалния газ са много малки топчета, практически материални точки; няма сили на междумолекулно взаимодействие между частиците; сблъсъците на частици са абсолютно еластични. Истински газ е газ, който не е описан от уравнението на Клапейрон-Менделеев за идеален газ. Зависимостите между неговите параметри показват, че молекулите в реалния газ взаимодействат помежду си и заемат определен обем. Състоянието на реалния газ често се описва на практика чрез обобщеното уравнение на Менделеев-Клапейрон.

2 Параметри и функции на състоянието. Уравнението на състоянието на идеален газ.

Настроики:

Налягането се дължи на взаимодействието на молекулите на работния флуид с повърхността и е числено равно на силата, действаща върху единицата повърхност на тялото по нормалата към последната.

Температурата е физична величина, която характеризира степента на нагряване на тялото. От гледна точка на молекулярно-кинетичните концепции температурата е мярка за интензивността на топлинното движение на молекулите.

Специфичен обем v е обемът на единица маса на веществото. Ако хомогенно тяло с маса M заема обем v, то по дефиниция v= V/M. В системата SI единицата за специфичен обем е 1 m3/kg. Съществува очевидна връзка между специфичния обем на веществото и неговата плътност:

Ако всички термодинамични параметри са постоянни във времето и са еднакви във всички точки на системата, тогава такова състояние на системата се нарича равновесие.

За една равновесна термодинамична система съществува функционална връзка между параметрите на състоянието, която се нарича уравнение на състоянието

Уравнение на Клапейрон - Менделеев

3 Смеси от газове. Привидно молекулно тегло. Газова константа на смес от газове.

Смес от газове е механична комбинация от газове, които не взаимодействат помежду си. химическа реакциягазове. Основният закон, който определя поведението на газова смес, е законът на Далтон: общото налягане на смес от идеални газове е равно на сумата от парциалните налягания на всички нейни съставни компоненти: Парциалното налягане pi е налягането, което газът би имал ако само той заемаше целия обем на сместа при същата температура . Газовата константа на смес се определя като: - привидното (средно) молекулно тегло на сместа. С обемен състав, с масов състав:.-универсална газова константа.

4 Първият закон на термодинамиката.

Първият закон на термодинамиката е законът за запазване на енергията, написан с помощта на термодинамични концепции (аналитична формулировка: вечен двигател от 1-ви вид е невъзможен):

Енергия. В термодинамиката под вътрешна енергия се разбира кинетичната енергия на движението на молекулите, потенциалната енергия на тяхното взаимодействие и нула (енергията на движение на частиците вътре в молекулата при T=0K). Кинетичната енергия на молекулите е функция на температурата, стойността на потенциалната енергия зависи от средното разстояние между молекулите и, следователно, от обема V, зает от газа, т.е. тя е функция на V. Следователно вътрешният енергия U е функция от състоянието на тялото.

Топлина. Енергията, която се предава от едно тяло на друго поради разликата в температурата, се нарича топлина. Топлината може да се пренася или чрез директен контакт между телата (топлопроводимост, конвекция), или на разстояние (чрез излъчване), като във всички случаи този процес е възможен само ако има температурна разлика между телата.

работа. Енергията, предавана от едно тяло на друго, когато обемът на тези тела се променя или се движи в пространството, се нарича работа. При крайна промяна на обема работата срещу силите на външното налягане, наречена работа на разширение, е равна на Работата по промяна на обема е еквивалентна на площта под кривата на процеса в диаграмата p, v.

Вътрешната енергия е свойство на самата система, тя характеризира състоянието на системата. Топлината и работата са енергийните характеристики на процесите на механични и топлинни взаимодействия на система с околен свят. Те характеризират количествата енергия, които се предават на системата или отдават от нея през нейните граници в определен процес.

Атомите или молекулите, които образуват газ, се движат свободно на значително разстояние един от друг и взаимодействат само когато се сблъскват един с друг (по-нататък, за да не се повтарям, ще спомена само „молекули“, което означава с това „молекули“ или атоми"). Следователно молекулата се движи по права линия само в интервалите между сблъсъци, променяйки посоката на движение след всяко такова взаимодействие с друга молекула. Средната дължина на праволинеен сегмент от движението на молекулата на газа се нарича среден свободен път.Колкото по-висока е плътността на газа (и следователно колкото по-малко е средното разстояние между молекулите), толкова по-къс е средният свободен път между сблъсъци.

През втората половина на 19 век такава на пръв поглед проста картина на атомно-молекулярната структура на газовете, чрез усилията на редица физици теоретични, се превърна в мощна и доста универсална теория. Новата теория се основава на идеята за връзката между измерими макроскопичениндикатори за състоянието на газа (температура, налягане и обем) с микроскопиченхарактеристики - броя, масата и скоростта на движение на молекулите. Тъй като молекулите са постоянно в движение и в резултат на това имат кинетична енергия, тази теория се нарича молекулярно-кинетична теориягазове.

Вземете например натиска. Във всеки момент молекулите се удрят в стените на съда и при всеки удар им предават определен импулс на сила, който сам по себе си е изключително малък, но общото въздействие на милиони молекули предизвиква значително силово въздействие върху стените, които възприемаме като натиск. Например, когато напомпате автомобилна гума, вие премествате молекули на атмосферния въздух в затворения обем на гумата в допълнение към броя на молекулите, които вече са вътре в нея; в резултат на това концентрацията на молекули вътре в гумата е по-висока отколкото отвън, те се удрят в стените по-често, налягането вътре в гумата е по-високо от атмосферното налягане и гумата става напомпана и еластична.

Смисълът на теорията е, че от средния свободен път на молекулите можем да изчислим честотата на техните сблъсъци със стените на съда. Тоест, имайки информация за скоростта на движение на молекулите, е възможно да се изчислят характеристиките на газа, които могат да бъдат директно измерени. С други думи, молекулярно-кинетичната теория ни дава пряка връзка между света на молекулите и атомите и осезаемия макрокосмос.

Същото важи и за разбирането на температурата в рамките на тази теория. Колкото по-висока е температурата, толкова по-висока е средната скорост на газовите молекули. Тази връзка се описва със следното уравнение:

1/2мв 2 = kT

където ме масата на една газова молекула, v -средна скорост на топлинно движение на молекулите, T -температура на газа (в Келвин) и ке константата на Болцман. Основното уравнение на молекулярно-кинетичната теория определя пряка връзка между молекулярните характеристики на газ (вляво) и измеримите макроскопични характеристики (вдясно). Температурата на газа е право пропорционална на квадрата на средната скорост на молекулите.

Молекулярно-кинетичната теория също дава доста ясен отговор на въпроса за отклоненията на скоростите на отделните молекули от средната стойност. Всеки сблъсък между газовите молекули води до преразпределение на енергията между тях: твърде бързите молекули се забавят, твърде бавните се ускоряват, което води до осредняване. Във всеки момент в газа се случват безброй милиони такива сблъсъци. Въпреки това се оказа, че при дадена температура на газ в стабилно състояние средният брой молекули с определена скорост vили енергия д, не се променя. Това се случва, защото от статистическа гледна точка вероятността една молекула с енергия дпроменя енергията си и преминава в подобно енергийно състояние, е равна на вероятността друга молекула, напротив, да преминава в състояние с енергия д.По този начин, въпреки че всяка отделна молекула има енергия дсамо спорадично, средният брой молекули с енергия достава непроменена. (Виждаме подобна ситуация в човешкото общество. Никой не остава на седемнадесет повече от една година — слава Богу! — но средно процентът на седемнадесетте в стабилна човешка общност остава почти същият.)

Тази идея за средното разпределение на молекулите по скорости и нейната строга формулировка принадлежи на Джеймс Кларк Максуел - същият изключителен теоретик също принадлежи към стриктното описание на електромагнитните полета ( см.уравнения на Максуел). Той беше този, който изведе разпределението на молекулите по отношение на скоростите при дадена температура (виж фигурата). Повечето от молекулите са в енергийно състояние, съответстващо на пика Разпределения на Максуели средна скорост, но всъщност скоростите на молекулите варират в доста големи граници.