Pääsääntöisesti tunnemme maailman niin sanottujen makroskooppisten kappaleiden kautta (kreikaksi "makro" - suuri). Nämä ovat kaikki ruumiit, jotka ympäröivät meitä: talot, autot, vesi lasissa, vesi meressä jne. Olimme kiinnostuneita siitä, mitä näille ruumiille ja niiden ympärille tapahtuu. Nyt olemme myös kiinnostuneita siitä, mitä kehon sisällä tapahtuu. Fysiikan osa nimeltä MKT auttaa meitä vastaamaan tähän kysymykseen.
MKT - molekyylikineettinen teoria. Se selittää kappaleiden fysikaalisia ilmiöitä ja ominaisuuksia niiden sisäisen mikroskooppisen rakenteen perusteella. Tämä teoria perustuu kolmeen väitteeseen:

Kaikki kappaleet koostuvat pienistä hiukkasista, joiden välissä on rakoja.
Kappaleiden hiukkaset liikkuvat jatkuvasti ja satunnaisesti.
Kappaleiden hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa: ne houkuttelevat ja hylkivät.

Näitä lausuntoja kutsutaan ILC:n perussäännöksiksi. Ne kaikki on vahvistettu lukuisilla kokeilla.

Makroskooppisessa lähestymistavassa meitä kiinnostavat itse kappaleet: niiden mitat, tilavuus, massa, energia ja niin edelleen. Katso vasemmalla olevaa kuvaa. Esimerkiksi makroskooppisesti tutkimalla vesiroiskeita mittaamme niiden koon, tilavuuden, massan.

Mikroskooppisessa lähestymistavassa meitä kiinnostavat myös mitat, tilavuus, massa ja energia. Ei kuitenkaan itse kappaleita, vaan hiukkasia, joista ne koostuvat: molekyylejä, ioneja ja atomeja. Juuri tätä ylin kuva symboloi. Mutta ei pidä ajatella, että molekyylit, ionit ja atomit voidaan nähdä suurennuslasin läpi. Tämä piirros on vain taiteellinen hyperboli. Nämä hiukkaset voidaan nähdä vain erityisten, niin kutsuttujen elektronimikroskooppien avulla.

MKT ei ole aina ollut tieteellinen teoria. Ennen aikakauttamme syntynyt molekyyliteoria (tai, kuten sitä aiemmin kutsuttiin, atomi) pysyi vain kätevänä hypoteesina yli kaksituhatta vuotta! Ja vasta 1900-luvulla se muuttuu täysimittaiseksi fysikaaliseksi teoriaksi. Näin sanoo kuuluisa fyysikko E. Rutherford tästä:

"Yksikään fyysikko tai kemisti ei voi sulkea silmiään valtavalta roolilta, joka atomihypoteesilla tällä hetkellä on tieteessä... 1800-luvun loppuun mennessä sen ideat tunkeutuivat erittäin laajalle fysiikan ja kemian alueelle. ajatus atomeista konkretisoitui... Atominäkemysten yksinkertaisuus ja hyödyllisyys fysiikan ja kemian monipuolisimpien ilmiöiden selittämisessä nosti luonnollisesti tämän teorian arvovaltaa tutkijoiden silmissä. atomihypoteesi ei enää hyödyllisenä työhypoteesina, jolle on erittäin vaikea löytää suoria ja vakuuttavia todisteita, vaan yhtenä lujasti vakiintuneista luonnon faktoista.

Mutta ei myöskään ollut pulaa tiedemiehistä ja filosofeista, jotka huomauttivat tämän teorian perusteettomuudesta, jolle kuitenkin niin paljon rakennettiin. Voimme yhtyä molekyyliidean hyödyllisyyteen näiden kokeiden selittämisessä, mutta mitä luottamusta meillä on siihen, että atomit todella ovat olemassa eivätkä ole vain fiktiota, mielikuvituksemme hedelmää? On kuitenkin sanottava, että tämä suorien todisteiden puute ei ole mitenkään horjuttanut tiedemiehien valtaosan uskoa aineen rakeiseen rakenteeseen.

Atomiteorian kieltäminen ei ole koskaan edistänyt eikä tule koskaan edistämään uusien tosiasioiden löytämistä. Atomiteorian suuri etu on, että se antaa meille niin sanotusti konkreettisen konkreettisen käsityksen aineesta, joka ei ainoastaan ​​palvele meitä monien ilmiöiden selittämisessä, vaan tekee meille myös valtavia palveluja työhypoteesina.

Aineen ominaisuuksien tutkimiseen on kaksi menetelmää: molekyylikineettinen ja termodynaaminen.

Molekyylikineettinen teoria tulkitsee kokeessa suoraan havaitut kappaleiden ominaisuudet (paine, lämpötila jne.) molekyylien toiminnan kokonaistuloksena. Samalla hän käyttää tilastollinen menetelmä, joka ei ole kiinnostunut yksittäisten molekyylien liikkeestä, vaan vain keskiarvoista, jotka kuvaavat valtavan hiukkaskokoelman liikettä. Tästä johtuu sen toinen nimi - tilastollinen fysiikka.

Termodynamiikka tutkii kappaleiden makroskooppisia ominaisuuksia olematta kiinnostunut niiden mikroskooppisesta kuvasta. Termodynamiikka perustuu useisiin peruslakeihin (jota kutsutaan termodynamiikan periaatteiksi), jotka on vahvistettu laajan kokeellisen tosiasian yleistyksen perusteella. Termodynamiikka ja molekyylikineettinen teoria täydentävät toisiaan muodostaen olennaisesti yhden kokonaisuuden.

MÄÄRITELMÄ

Atom - tietyn kemiallisen alkuaineen pienin hiukkanen. Kaikki luonnossa esiintyvät atomit ovat edustettuina Mendelejevin jaksollisessa elementtijärjestelmässä.

Atomit yhdistetään molekyyliksi kemialliset sidokset perustuu sähköiseen vuorovaikutukseen. Atomien lukumäärä molekyylissä voi olla erilainen. Molekyyli voi koostua yhdestä, kahdesta, kolmesta tai jopa useista sadoista atomeista.

MÄÄRITELMÄ

Molekyyli- tietyn aineen pienin hiukkanen, jolla on sen kemialliset ominaisuudet.

Molekyylikineettinen teoria- oppi aineen rakenteesta ja ominaisuuksista, joka perustuu käsitykseen atomien ja molekyylien olemassaolosta.

Molekyylikinettisen teorian perustaja on M.V. Lomonosov (1711-1765), joka muotoili sen tärkeimmät säännökset ja sovelsi niitä selittämään erilaisia ​​lämpöilmiöitä.

Molekyylikineettisen teorian perussäännökset

ICT:n tärkeimmät säännökset:

1. kaikki luonnon kappaleet koostuvat pienimmistä hiukkasista (atomeista ja molekyyleistä);
2. hiukkaset ovat jatkuvassa kaoottisessa liikkeessä, jota kutsutaan termiseksi;
3. hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa keskenään: hiukkasten välillä vaikuttavat veto- ja hylkimisvoimat, jotka riippuvat hiukkasten välisestä etäisyydestä.

Molekyylikineettisen teorian vahvistavat monet ilmiöt.

Erilaisten nesteiden sekoittuminen, kiinteiden aineiden liukeneminen nesteisiin, selittyy erilaisten molekyylien sekoituksella. Tässä tapauksessa seoksen tilavuus voi poiketa sen aineosien kokonaistilavuudesta. mistä se kertoo eri kokoja molekyyliyhdisteitä.

MÄÄRITELMÄ

Diffuusio- ilmiö, jossa kaksi tai useampi vierekkäinen aine tunkeutuu toisiinsa.

Diffuusio etenee voimakkaimmin kaasuissa. Hajujen leviäminen johtuu diffuusiosta. Diffuusio osoittaa, että molekyylit ovat jatkuvassa kaoottisessa liikkeessä. Myös diffuusioilmiö osoittaa, että molekyylien välillä on aukkoja, ts. asia on diskreetti.

MÄÄRITELMÄ

Brownin liike- pienimpien nesteeseen tai kaasuun suspendoituneiden mikroskooppisten hiukkasten lämpöliike.

Tämän ilmiön havaitsi ensimmäisen kerran englantilainen kasvitieteilijä R. Brown vuonna 1827. Tarkastellessaan veteen suspendoitunutta kukkien siitepölyä mikroskoopilla hän näki, että jokainen siitepölyhiukkanen tekee nopeita satunnaisia ​​liikkeitä liikkuen tietyn matkan yli. Yksittäisten liikkeiden seurauksena jokainen siitepölyhiukkanen liikkui siksak-rataa pitkin (kuva 1a).

Kuva 1. Brownin liike: a) nesteeseen suspendoituneiden yksittäisten hiukkasten liikeradat; b) liikemäärän siirto nestemolekyylien toimesta suspendoituneeseen hiukkaseen.

Lisätutkimus ruskea liike eri nesteissä ja erilaisten kiinteiden hiukkasten kanssa osoittivat, että tämä liike muuttuu sitä voimakkaammaksi, mitä pienempi on partikkelikoko ja mitä korkeampi kokeen lämpötila. Tämä liike ei koskaan pysähdy eikä ole riippuvainen ulkoisista syistä.

R. Brown ei osannut selittää havaittua ilmiötä. Brownin liikkeen teorian rakensi A. Einstein vuonna 1905, ja se sai kokeellisen vahvistuksen ranskalaisen fyysikon J. Perrinin (1900-1911) kokeissa.

Jatkuvassa kaoottisessa liikkeessä olevat nestemolekyylit siirtävät siihen jonkin verran impulssia törmätessään suspendoituneen hiukkasen kanssa (kuva 1, b). Suuren hiukkasen tapauksessa siihen kaikilta puolilta osuvien molekyylien määrä on suuri, niiden vaikutukset kompensoituvat joka hetki ja hiukkanen pysyy käytännössä liikkumattomana. Jos hiukkaskoko on hyvin pieni, molekyylien vaikutukset eivät kompensoidu - toisaalta siihen voi osua suurempi määrä molekyylejä kuin toisaalta, minkä seurauksena hiukkanen alkaa liikkua. Juuri tällaista liikettä molekyylien satunnaisten vaikutusten vaikutuksesta Brownin hiukkaset suorittavat. Vaikka Brownin hiukkaset ovat miljardeja kertoja suurempia kuin yksittäisten molekyylien massa ja liikkuvat hyvin alhaisilla nopeuksilla (verrattuna molekyylien nopeuksiin), niiden liikettä voidaan silti tarkkailla mikroskoopilla.

Esimerkkejä ongelmanratkaisusta

ESIMERKKI 1

ESIMERKKI 2

MOLEKUURIKINEETTINEN TEORIA
molekyylifysiikan haara, joka tarkastelee monia aineiden ominaisuuksia, jotka perustuvat ajatukseen näiden aineiden muodostavien valtavan määrän atomien ja molekyylien nopeasta kaoottisesta liikkeestä. Molekyylikineettinen teoria ei keskity eroihin yksittäisten atomityyppien ja molekyylien välillä, vaan niiden käyttäytymisessä esiintyviin yhteisiin piirteisiin. Jopa antiikin kreikkalaiset filosofit, jotka ilmaisivat ensimmäisenä atomistisia ajatuksia, uskoivat, että atomit ovat jatkuvassa liikkeessä. D. Bernoulli yritti antaa kvantitatiivisen analyysin tästä liikkeestä vuonna 1738. Molekulaarisen kineettisen teorian kehittämiseen osallistuivat vuosina 1850-1900 R. Clausius Saksassa, L. Boltzmann Itävallassa ja J. Maxwell Englannissa. Nämä samat fyysikot loivat perustan tilastomekaniikalle, abstraktimmalle tieteenalalle, joka käsittelee samaa aihetta kuin molekyylikineettinen teoria, mutta rakentamatta yksityiskohtaisia ​​ja siksi vähemmän yleisiä malleja. Tilastollisen lähestymistavan syveneminen 1900-luvun alussa. liittyy pääasiassa amerikkalaisen fyysikon J. Gibbsin nimeen, jota pidetään yhtenä tilastomekaniikan perustajista. Myös M. Planck ja A. Einstein esittelivät vallankumouksellisia ideoita tähän tieteeseen. 1920-luvun puolivälissä klassinen mekaniikka väistyi vihdoin uudelle kvanttimekaniikalle. Se antoi sysäyksen tilastomekaniikan kehitykselle, joka jatkuu tähän päivään asti.
LÄMMÖN MOLEKUURIKINEETTISINEN TEORIA
Tiedetään, että kuumentuneet kappaleet jäähtyessään luovuttavat osan lämmöstään kylmemmille kappaleille. 1800-luvulle asti uskottiin, että lämpö on eräänlainen neste (kalori), joka virtaa kehosta toiseen. Yksi 1800-luvun fysiikan tärkeimmistä saavutuksista Kävi niin, että lämpöä alettiin pitää yksinkertaisesti yhtenä energian muotona, nimittäin atomien ja molekyylien kineettisenä energiana. Tämä ajatus koskee kaikkia aineita - kiinteitä, nestemäisiä ja kaasumaisia. Kuumennetun kappaleen hiukkaset liikkuvat nopeammin kuin kylmän kappaleen. Esimerkiksi auringon säteet lämmittämällä ihoamme saavat sen molekyylit värähtelemään nopeammin, ja tunnemme nämä värähtelyt lämpönä. Kylmässä tuulessa ilmamolekyylit, jotka törmäävät kehomme pinnalla oleviin molekyyleihin, ottavat niistä energiaa, ja tunnemme kylmyyttä. Kaikissa tapauksissa, kun lämpö siirtyy kappaleesta toiseen, hiukkasten liike ensimmäisessä niistä hidastuu, toisessa se kiihtyy ja toisen kappaleen hiukkasten energia kasvaa täsmälleen yhtä paljon kuin kappaleen energia. hiukkasten ensimmäinen vähenee. Monet meille tutut lämpöilmiöt voidaan selittää suoraan käyttämällä molekyylikineettistä teoriaa. Koska lämpöä syntyy molekyylien satunnaisesta liikkeestä, on mahdollista nostaa kehon lämpötilaa (lisätä lämpöreserviä siinä) ei lämmönsyötön takia, vaan esimerkiksi kitkaa käyttämällä: hankauspintojen molekyylit törmäävät jokaisen kanssa. muut alkavat liikkua intensiivisemmin ja pintojen lämpötila nousee . Samasta syystä raudanpala kuumenee, kun siihen lyödään vasaralla. Toinen lämpöilmiö on kaasujen paineen nousu kuumennettaessa. Lämpötilan noustessa molekyylien liikkumisnopeus kasvaa, ne osuvat useammin ja voimakkaammin sen astian seiniin, jossa kaasu sijaitsee, mikä ilmenee paineen nousuna. Nesteiden asteittainen haihtuminen selittyy sillä, että niiden molekyylit peräkkäin siirtyvät ilmaan, kun taas nopeimmat niistä katoavat ensin ja jäljelle jääneillä on keskimäärin vähemmän energiaa. Siksi kun nestettä haihtuu märältä pinnalta, se jäähtyy. Molekyylikineettiseen teoriaan rakennettu matemaattinen laitteisto mahdollistaa näiden ja monien muiden vaikutusten analysoinnin molekyylien liikeyhtälöiden ja yleisiä määräyksiä todennäköisyysteoria. Oletetaan, että olemme nostaneet kumipallon tietylle korkeudelle ja vapauttaneet sen sitten käsistämme. Pallo osuu lattiaan ja pomppaa sitten useita kertoja, joka kerta alemmalle korkeudelle kuin ennen, koska törmäyksessä osa sen liike-energiasta muuttuu lämmöksi. Tällaista iskua kutsutaan osittain elastiseksi. Lyijynpala ei ponnahda lattiasta ollenkaan - ensimmäisellä iskulla sen liike-energia muuttuu lämmöksi ja lyijypalan ja lattian lämpötila nousee hieman. Tällaista iskua kutsutaan ehdottoman joustamattomaksi. Iskua, jossa koko kehon liike-energia säilyy muuttumatta lämmöksi, kutsutaan täydellisesti elastiseksi. Kaasuissa, kun atomit ja molekyylit törmäävät toisiinsa, vain niiden nopeudet vaihtuvat (emme tarkastele tässä tapausta, jossa törmäysten seurauksena kaasuhiukkaset ovat vuorovaikutuksessa - joutuvat kemiallisiin reaktioihin); koko atomien ja molekyylien kokonaiskineettistä energiaa ei voida muuttaa lämmöksi, koska se jo on. Atomien ja ainemolekyylien jatkuvaa liikettä kutsutaan lämpöliikkeeksi. Nesteissä ja kiinteissä aineissa kuva on monimutkaisempi: kineettisen energian lisäksi on otettava huomioon hiukkasten vuorovaikutuksen potentiaalienergia.
Lämpöliikettä ilmassa. Jos ilma jäähdytetään erittäin alhaiseen lämpötilaan, se muuttuu nesteeksi, kun taas muodostuneen nesteen tilavuus on hyvin pieni. Esimerkiksi nesteyttämällä 1200 cm3 ilmakehän ilmaa saadaan 2 cm3 nestemäistä ilmaa. Atomiteorian pääoletus on, että atomien ja molekyylien koot eivät juuri muutu, kun aineen aggregoitu tila muuttuu. Näin ollen ilmakehän ilmassa molekyylien on oltava etäisyyksillä toisistaan, jotka ovat paljon suuremmat kuin nesteessä. Itse asiassa 1200 cm3:stä ilmakehän ilmaa yli 1198 cm3 on tyhjää tilaa. Ilmamolekyylit liikkuvat satunnaisesti tässä tilassa erittäin suurilla nopeuksilla törmääen jatkuvasti toisiinsa kuin biljardipallot.
Kaasun tai höyryn paine. Tarkastellaan suorakaiteen muotoista astiaa, jonka tilavuusyksikkö sisältää n kaasumolekyyliä, joiden massa on m. Olemme kiinnostuneita vain niistä molekyyleistä, jotka osuvat johonkin astian seinämistä. Valitaan x-akseli niin, että se on kohtisuorassa tätä seinämää vastaan ​​ja tarkastelemme molekyyliä, jonka nopeuskomponentti v pitkin valittua akselia on yhtä suuri kuin vx. Kun molekyyli osuu suonen seinämään, sen liikemäärä x-akselin suunnassa muuttuu -2mvx. Newtonin kolmannen lain mukaan seinään siirtyvä liikemäärä on sama. Voidaan osoittaa, että jos kaikki molekyylit liikkuvat samalla nopeudella, niin (1/2) nvx-molekyyliä törmäävät yksikköseinäpinta-alaan 1 c. Tämän näkemiseksi tarkastellaan kaasurajakerrosta lähellä yhtä seinämistä, joka on täynnä molekyylejä, joilla on samat arvot v ja vx (kuva 1). Oletetaan, että tämän kerroksen paksuus on niin pieni, että suurin osa molekyyleistä kulkee sen läpi ilman törmäystä. Molekyyli A saavuttaa seinän hetkellä t = l /vx; tähän mennessä tasan puolet rajakerroksen molekyyleistä osuu seinään (toinen puoli siirtyy pois seinästä). Niiden lukumäärän määrää kaasutiheys ja rajakerroksen tilavuus, jonka pinta-ala on A ja paksuus l: N = (1/2) nAl. Tällöin yksittäiselle alueelle 1 sekunnissa osuvien molekyylien lukumäärä on N/At = (1/2) nvx, ja tälle alueelle 1 sekunnissa siirretty kokonaisliikemäärä on (1/2) nvx ×2mvx = nmvx2. Itse asiassa vx-komponentti ei ole sama eri molekyyleille, joten vx2:n arvo tulisi korvata sen keskiarvolla

ja">

. Jos molekyylit liikkuvat satunnaisesti, kaikkien vx:iden keskiarvo on yhtä suuri kuin vy:n ja vz:n keskiarvo, joten

Ja

missä on v2:n keskiarvo kaikille molekyyleille. Molekyylien iskut seinään seuraavat peräkkäin niin nopeasti, että välittyneiden impulssien sarja koetaan vakiopaineeksi P. P:n arvo löytyy, jos muistamme, että paine on pinta-alayksikköä kohti vaikuttava voima, ja voima, puolestaan ​​on nopeus vauhti muuttuu. Siksi P on yhtä suuri kuin liikemäärän muutosnopeus pinta-alayksikköä kohti, ts.

Saamme saman suhteen, jos molekyylien kaikkiin suuntiin tapahtuvan satunnaisen liikkeen sijaan tarkastelemme kuudesosan liikettä niiden lukumäärästä kohtisuorassa suorakaiteen muotoisen astian kutakin kuutta sivua vastaan, olettaen, että jokaisella molekyylillä on kineettinen energia
Boylen laki - Mariotte. Kaavassa (1) n ei tarkoita molekyylien kokonaismäärää, vaan molekyylien määrää tilavuusyksikköä kohti. Jos sama määrä molekyylejä sijoitetaan puoleen tilavuudesta (lämpötilaa muuttamatta), n:n arvo kaksinkertaistuu ja paine kaksinkertaistuu, jos v2 ei riipu tiheydestä. Toisin sanoen vakiolämpötilassa kaasun paine on kääntäen verrannollinen sen tilavuuteen. Englantilainen fyysikko R. Boyle ja ranskalainen fyysikko E. Mariotte totesivat kokeellisesti, että kun matalat paineet tämä väite pätee kaikkiin kaasuihin. Näin ollen Boyle-Mariotten laki voidaan selittää tekemällä järkevä oletus, että matalissa paineissa molekyylien nopeus ei riipu n:stä.
Daltonin laki. Jos astiassa on kaasuseosta, ts. on useita erilaisia ​​lajikkeita molekyylejä, silloin kummankin tyyppisten molekyylien seinään antama liikemäärä ei riipu siitä, onko läsnä muunlaisia ​​molekyylejä. Siten molekyylikineettisen teorian mukaan kahden tai useamman ihanteellisen kaasun seoksen paine on yhtä suuri kuin niiden paineiden summa, jotka kukin kaasu synnyttäisi, jos se valtaisi koko tilavuuden. Tämä on Daltonin laki, joka on alttiina kaasuseoksille alhaisissa paineissa.
Molekyylinopeudet. Kaavan (1) avulla voidaan arvioida kaasumolekyylien keskimääräinen nopeus. Ilmakehän paine merenpinnan tasolla on siis noin 106 dyne/cm2 (0,1 MPa) ja 1 cm3:n ilmamassa 0,0013 g. Korvaamalla nämä arvot kaavaan (1) saadaan erittäin suuri arvo molekyylien nopeus:

Suurilla korkeuksilla, joissa ilmakehä on hyvin harvinainen, ilmamolekyylit voivat kulkea pitkiä matkoja sekunnissa törmätämättä toisiinsa. Maan pinnalla havaitaan erilainen kuva: 1 sekunnin ajan jokainen molekyyli törmää muihin molekyyleihin keskimäärin n. 800 miljoonaa kertaa. Se kuvaa erittäin rikkinäistä lentorataa, ja ilman virtauksia se on yhden sekunnin kuluttua suurella todennäköisyydellä vain 1-2 cm etäisyydellä siitä, missä se oli tämän sekunnin alussa.
Avogadron laki. Kuten olemme sanoneet, huoneenlämpötilassa ilman tiheys on noin 0,0013 g/cm3 ja se luo paineen 106 dyne/cm2. Vetykaasu, jonka tiheys on vain 0,00008 g/cm3 huoneenlämpötilassa, tuottaa myös paineen 106 dyne/cm2. Kaavan (1) mukaan kaasun paine on verrannollinen molekyylien lukumäärään tilavuusyksikköä kohti ja niiden keskimääräiseen kineettiseen energiaan. Italialainen fyysikko A. Avogadro esitti vuonna 1811 hypoteesin, jonka mukaan sama määrä eri kaasuja samassa lämpötilassa ja paineessa sisältää sama numero molekyylejä. Jos tämä hypoteesi pitää paikkansa, niin suhteesta (1) saadaan, että eri kaasuilla yllä olevissa olosuhteissa arvo (1/2) mv2 on sama, ts. molekyylien keskimääräinen kineettinen energia on sama. Tämä johtopäätös on hyvin sopusoinnussa molekyylikineettisen teorian kanssa
(katso myös HEAT).
1 cm3 vedyn massa on pieni, ei siksi, että tietyssä tilavuudessa on vähemmän molekyylejä, vaan koska kunkin vetymolekyylin massa on useita kertoja pienempi kuin typpi- tai happimolekyylin massa - ilmaa muodostavat kaasut . On todettu, että minkä tahansa kaasun molekyylien lukumäärä 1 cm3:ssa 0 °C:ssa ja normaalissa ilmanpaineessa on 2,687 * 10 19.
Keskimääräinen vapaa polku. Kaasujen molekyylikineettisessä teoriassa tärkeä suure on molekyylin keskimääräinen matka kahden törmäyksen välillä. Tätä arvoa kutsutaan keskimääräiseksi vapaaksi poluksi ja sitä merkitään L. Se voidaan laskea seuraavasti. Kuvittele, että molekyylit ovat palloja, joiden säde on r; silloin niiden keskipisteet ovat törmäyksen aikana 2r etäisyydellä toisistaan. Liikkeessään molekyyli "lyö" kaikkiin poikkileikkausalueen p (2r)2 sisällä oleviin molekyyleihin ja liikkuessaan etäisyyden L yli se "lyö" kaikkiin molekyyleihin tilavuudessa 4pr2L, niin että sen keskimääräinen molekyylimäärä törmäisi olisi 4pr2Ln . Löytääksesi L, sinun on otettava tämä luku yhtä suureksi kuin 1, mistä

Tästä suhteesta voidaan suoraan löytää molekyylin säde, jos arvo L on tiedossa (se löytyy kaasun viskositeetin mittauksista; katso alla). R:n arvo osoittautuu luokkaa 10-8 cm, mikä on yhdenmukainen muiden mittausten tulosten kanssa, ja L tyypillisille kaasuille normaaleissa olosuhteissa on 100-200 molekyylihalkaisijaa. Taulukko näyttää ilmakehän L-arvot eri korkeuksilla merenpinnan yläpuolella.
MOLEKyyLIEN NOPEUS JAKELU
1800-luvun puolivälissä ei ollut vain molekyylikineettisen teorian kehitystä, vaan myös termodynamiikan muodostumista. Jotkut termodynamiikan käsitteet osoittautuivat hyödyllisiksi myös molekyylikineettisessä teoriassa - nämä ovat ennen kaikkea absoluuttinen lämpötila ja entropia.
Terminen tasapaino. Termodynamiikassa aineiden ominaisuuksia tarkastellaan pääasiassa sen ajatuksen perusteella, että mikä tahansa järjestelmä pyrkii tilaan, jolla on suurin entropia, eikä sellaisen tilan saavutettuaan voi spontaanisti poistua siitä. Tällainen esitys on yhdenmukainen kaasun käyttäytymisen molekyylikineettisen kuvauksen kanssa. Kaasumolekyylien joukolla on tietty kokonaisenergia, joka voidaan jakaa yksittäisten molekyylien kesken valtavasti. Olipa energian alkujakauma mikä tahansa, jos kaasu jätetään itselleen, niin energia jakautuu nopeasti uudelleen ja kaasu tulee termiseen tasapainotilaan, ts. osavaltioon, jolla on suurin entropia. Yritetään muotoilla tämä lausunto tiukemmin. Olkoon N (E) dE niiden kaasumolekyylien lukumäärä, joiden kineettinen energia on välillä E - E + dE. Huolimatta energian alkujakaumasta itseensä jätetty kaasu tulee termisen tasapainon tilaan ominaisfunktiolla N (E), joka vastaa vakiolämpötilaa. Energioiden sijasta voidaan tarkastella molekyylien nopeuksia. Olkoon f (v) dv molekyylien lukumäärä, joiden nopeudet vaihtelevat välillä v - v + dv. Kaasussa on aina tietty määrä molekyylejä, joiden nopeudet ovat välillä v - v + dv. Jo hetkeä myöhemmin millään näistä molekyyleistä ei ole nopeutta määritetyllä aikavälillä, koska ne kaikki käyvät läpi yhden tai useamman törmäyksen. Mutta toisaalta muut molekyylit, joiden nopeudet olivat aiemmin merkittävästi erilaisia ​​kuin v, saavat törmäysten seurauksena nopeudet, jotka vaihtelevat v:stä v + dv:hen. Jos kaasu on paikallaan, niin nopeuden v saavuttavien molekyylien määrä riittävän pitkän ajan kuluttua on yhtä suuri kuin niiden molekyylien lukumäärä, joiden nopeus lakkaa olemasta v. Vain tässä tapauksessa funktio n (v) voi pysyä vakiona. Tämä luku riippuu tietysti kaasumolekyylien nopeusjakaumasta. Tämän jakautumisen muodon levossa olevassa kaasussa määritti Maxwell: jos molekyyliä on yhteensä N, niin molekyylien lukumäärä, joiden nopeus on välillä v - v + dv, on yhtä suuri kuin

jossa parametri b riippuu lämpötilasta (katso alla).
kaasulakeja. Yllä olevat arviot ilmamolekyylien keskinopeudesta merenpinnan tasolla vastasivat tavallista lämpötilaa. Molekyylikineettisen teorian mukaan kaikkien kaasumolekyylien kineettinen energia on niiden hallussa oleva lämpö. Korkeammassa lämpötilassa molekyylit liikkuvat nopeammin ja kaasu sisältää enemmän lämpöä. Kuten kaavasta (1) seuraa, jos kaasun tilavuus on vakio, niin sen paine kasvaa lämpötilan noustessa. Näin kaikki kaasut käyttäytyvät (Kaarlen laki). Jos kaasua kuumennetaan vakiopaineessa, se laajenee. On osoitettu, että alhaisessa paineessa minkä tahansa tilavuuden V kaasun, joka sisältää N molekyyliä, paineen ja tilavuuden tulo on verrannollinen absoluuttiseen lämpötilaan:

missä T on absoluuttinen lämpötila, k on vakio. Avogadron laista seuraa, että k:n arvo on sama kaikille kaasuille. Sitä kutsutaan Boltzmannin vakioksi ja se on 1,38 * 10 -14 erg / K. Vertaamalla lausekkeita (1) ja (3) on helppo nähdä, että N molekyylin translaatioliikkeen kokonaisenergia, joka on yhtä suuri kuin (1/2) Nmv2, on verrannollinen absoluuttiseen lämpötilaan ja on yhtä suuri kuin

Toisaalta integroimalla lauseke (2) saadaan, että N molekyylin translaatioliikkeen kokonaisenergia on 3Nm /4b 2.

Korvaamalla lauseke (5) kaavaan (2), voidaan löytää molekyylien jakautuminen nopeuksille missä tahansa lämpötilassa T. Monien yleisten kaasujen, kuten typen ja hapen (ilmakehän ilman pääkomponentit) molekyylit koostuvat kahdesta atomeja, ja niiden molekyyli muistuttaa muodoltaan käsipainoa. Jokainen tällainen molekyyli ei vain liiku eteenpäin suurella nopeudella, vaan myös pyörii erittäin nopeasti. Translaatioliikkeen energian lisäksi N molekyylillä on energiaa pyörivä liike NkT, joten N molekyylin kokonaisenergia on (5/2) NkT.
Maxwell-jakauman kokeellinen varmistus. Vuonna 1929 tuli mahdolliseksi löytää suoraan kaasumolekyylien nopeusjakauma. Jos tietyssä lämpötilassa kaasua tai höyryä sisältävän astian seinämään tehdään pieni reikä tai leikataan kapea rako, molekyylit lentää niiden läpi kukin omalla nopeudellaan. Jos reikä johtaa toiseen astiaan, josta ilma pumpataan ulos, useimmilla molekyyleillä on aikaa lentää useita senttejä ennen ensimmäistä törmäystä. Kuvassa kaaviomaisesti esitetyssä asetelmassa. Kuviossa 2 on kaasua tai höyryä sisältävä astia V, jonka molekyylit poistuvat raon S1 kautta; S2 ja S3 - raot poikittaislevyissä; W1 ja W2 ovat kaksi levyä, jotka on asennettu yhteiselle akselille R. Kuhunkin levyyn on leikattu useita säteittäisiä rakoja. Rako S3 on sijoitettu siten, että jos levyjä ei olisi, raosta S1 ulos lentävät ja raon S2 kautta kulkevat molekyylit lentävät raon S3 läpi ja osuisivat ilmaisimeen D. rakojen S1 ja S2 kautta, ne kulkevat myös levyn W1 raon läpi, mutta niitä viivästää levy W2, joka on asennettu akselille R siten, että sen raot eivät ole samassa levyn W1 rakojen kanssa. Jos kiekot ovat paikallaan tai pyörivät hitaasti, suonen V molekyylit eivät pääse detektoriin D. Jos levyt pyörivät nopeasti vakionopeudella, osa molekyyleistä kulkee molempien kiekkojen läpi. Ei ole vaikeaa ymmärtää, mitkä molekyylit pystyvät voittamaan molemmat esteet - ne, jotka ylittävät etäisyyden W1:stä W2:een ajassa, joka tarvitaan levypaikan W2 siirtämiseen haluttuun kulmaan. Esimerkiksi, jos levyn W2 kaikkia koloja kierretään 2° suhteessa levyn W1 rakoihin, niin molekyylit, jotka lentävät W1:stä W2:een levyn W2 pyöriessä 2°, tulevat ilmaisimeen. Muuttamalla akselin pyörimistaajuutta kiekoilla voidaan mitata astiasta V lähtevien molekyylien nopeudet ja piirtää niiden jakautuminen. Näin saatu jakauma sopii hyvin Maxwellin jakaumaan.

Brownin liike. 1800-luvulla edellä kuvattu menetelmä molekyylinopeuksien mittaamiseksi ei ollut vielä tunnettu, mutta yksi ilmiö mahdollisti molekyylien jatkuvan lämpöliikkeen havainnoinnin nesteessä. Skotlantilainen kasvitieteilijä R. Brown (edellisessä transkriptiossa - Brown) havainnoi mikroskoopilla veteen suspendoituneita siitepölyhiukkasia vuonna 1827, että ne eivät pysy paikallaan, vaan liikkuvat koko ajan, ikään kuin jokin työntäisi ne sisään yhdelle, sitten toiselle puolelle. Myöhemmin esitettiin, että hiukkasten kaoottinen liike johtuu nesteen molekyylien jatkuvasta lämpöliikkeestä, ja tarkat liikkeen tutkimukset, nimeltään Brownin, vahvistivat tämän hypoteesin oikeellisuuden.
(katso BROWNIAN MOVEMENT).
Kaasun tai höyryn lämpökapasiteetti. Lämpömäärää, joka tarvitaan nostamaan tietyn aineen lämpötilaa 1 astetta, kutsutaan sen lämpökapasiteetiksi. Kaavasta (4) seuraa, että jos kaasun lämpötilaa nostetaan vakiotilavuudessa arvosta T arvoon T + 1, niin translaatioliikkeen energia kasvaa (3/2) Nk:lla. Kaikki monoatomisen kaasun lämpöenergia on translaation liikkeen energiaa. Siksi tällaisen kaasun lämpökapasiteetti vakiotilavuudessa on Cv = (3/2) Nk ja lämpökapasiteetti molekyyliä kohti on (3/2) k. N kaksiatomisen molekyylin lämpökapasiteetti, joilla on myös pyörimisliikkeen energia kT, on yhtä suuri kuin Cv = (5/2) Nk, ja yksi molekyyli vastaa (5/2) k. Kummassakaan tapauksessa lämpökapasiteetti ei riipu lämpötilasta, vaan lämpöenergian antaa

Kyllästetyn höyryn paine. Jos kaadat vähän vettä suureen suljettuun astiaan, joka sisältää ilmaa mutta ei vesihöyryä, osa siitä haihtuu välittömästi ja höyryhiukkaset alkavat levitä koko astiaan. Jos astian tilavuus on erittäin suuri verrattuna veden tilavuuteen, haihduttaminen jatkuu, kunnes kaikki vesi on muuttunut höyryksi. Jos vettä kaadetaan tarpeeksi, kaikki se ei haihdu; haihtumisnopeus laskee vähitellen ja lopulta prosessi pysähtyy - astian tilavuus kyllästyy vesihöyryllä. Molekyylikineettisen teorian näkökulmasta tämä selitetään seuraavasti. Ajoittain yksi tai toinen vesimolekyyli, joka sijaitsee nestemäisessä väliaineessa lähellä pintaa, saa tarpeeksi energiaa viereisiltä molekyyleiltä päästäkseen höyry-ilmaväliaineeseen. Tässä se törmää muihin samankaltaisiin molekyyleihin ja ilmamolekyyleihin, mikä kuvaa hyvin monimutkaista siksak-rataa. Liikkeessään se osuu myös aluksen seiniin ja veden pintaan; se voi kuitenkin pomppia pois vedestä tai imeytyä siihen. Kun vesi haihtuu, sen höyry-ilmaväliaineesta vangitsemien höyrymolekyylien määrä jää pienemmäksi kuin vedestä poistuvien molekyylien määrä. Mutta tulee hetki, jolloin nämä suuret tasoittuvat - tasapaino syntyy ja höyrynpaine saavuttaa kyllästymisen. Tässä tilassa molekyylien määrä nesteen yläpuolella olevan höyryn tilavuusyksikköä kohti pysyy vakiona (tietysti, jos lämpötila on vakio). Sama kuva on havaittavissa kiinteillä aineilla, mutta useimmissa kappaleissa höyrynpaine tulee havaittavaksi vain korkeissa lämpötiloissa.
ATOMIEN VÄRINNÄT KIINTEISSÄ AINEISTOSSA JA NESTEISSÄ
Kun tarkastellaan mikroskoopilla hyvin säilynyttä antiikin kreikkalaista tai roomalaista gemmaa, voidaan nähdä, että sen yksityiskohdat ovat yhtä selkeinä kuin ne näyttivät olleen silloin, kun gemma oli juuri poistunut sen valmistaneen käsityöläisen käsistä. On selvää, että valtavan ajan kuluessa vain hyvin harvat atomit pystyivät "pakoon" kiven pinnalta, josta jalokivi on valmistettu - muuten sen yksityiskohdat menettäisivät selkeyden ajan myötä. Suurin osa kiinteän aineen atomeista voi suorittaa vain värähteleviä liikkeitä suhteessa johonkin kiinteään asemaan, ja lämpötilan noustessa näiden värähtelyjen keskitaajuus ja niiden amplitudi vain kasvavat. Kun aine alkaa sulaa, sen molekyylien käyttäytyminen tulee samanlaiseksi kuin nestemäisten molekyylien käyttäytyminen. Jos kiinteässä kappaleessa jokainen hiukkanen värähtelee pienessä tilavuudessa ja miehittää kiinteän aseman avaruudessa, niin nesteessä tämä tilavuus itse liikkuu hitaasti ja satunnaisesti, ja värähtelevä hiukkanen liikkuu sen mukana.
KAASUN Lämmönjohtavuus
Epätasaisesti kuumennetussa kappaleessa lämpö siirtyy sen lämpimistä osista kylmempiin osiin. Tätä ilmiötä kutsutaan lämmönjohtavuudeksi. Käyttämällä molekyylikineettistä teoriaa voidaan löytää nopeus, jolla kaasu johtaa lämpöä. Tarkastellaan kaasua, joka on suljettu suorakaiteen muotoiseen astiaan, jonka yläpinnan lämpötila on korkeampi kuin alemman. Kaasun lämpötila astiassa laskee vähitellen siirtyessään ylemmistä kerroksista alempiin - kaasussa on lämpötilagradientti. Tarkastellaan ohutta vaakasuoraa kaasukerrosta AB, jonka lämpötila on T (kuva 3), ja viereistä kerrosta CD, jonka lämpötila on hieman korkeampi, T ў. Olkoon AB:n ja CD:n välinen etäisyys yhtä suuri kuin keskimääräinen vapaa polku L. Kaavan (4) mukaan molekyylin keskimääräinen energia AB-kerroksessa on verrannollinen lämpötilaan T, ja CD-kerroksessa se on verrannollinen Lämpötila T. Tarkastellaan molekyyliä AB-kerroksesta, joka törmää toiseen molekyyliin kohdassa A, minkä jälkeen se siirtyy ilman törmäyksiä pisteeseen C. Suurella todennäköisyydellä se putoaa kerrokseen CD energialla, joka vastaa kerrosta AB. Käänteisesti molekyyli CD-kerroksesta liikkuu ilman törmäyksiä pisteestä D pisteeseen B kerrokseen AB korkeammalla energialla, joka vastaa sitä CD-kerrosta, josta se lensi ulos. On selvää, että tällaisissa törmäyksissä enemmän energiaa siirtyy CD:stä AB:hen kuin AB:sta CD:hen - lämpöä virtaa jatkuvasti lämpimämmästä kylmempään kerrokseen Sama kuva havaittavissa kaikissa kaasun kerroksissa.

Lämmön etenemisnopeus voidaan laskea melko hyvällä tarkkuudella, vaikka jätämme huomiotta sen tosiasian, että joidenkin molekyylien keskimääräinen vapaa reitti on suurempi, kun taas toisten keskimääräistä pienempi. Tarkastellaan tasoa FG, joka on yhdensuuntainen tasojen AB ja CD kanssa ja kulkee niiden välillä (kuva 3), ja valitse tämän tason yksikköpinta-ala. Jos tilavuusyksikköä kohti on n molekyyliä, jotka liikkuvat keskinopeudella c, niin 1 s:ssa (1/2) nc-molekyylit ylittävät FG:n alhaalta ylöspäin ja siirtävät energian (1/2) ncE ; sama määrä molekyylejä ylittää FG:n ylhäältä alas ja siirtää energian (1/2) ncEў, missä E ja Еў ovat molekyylien keskimääräiset energiat lämpötiloissa T ja T". Eli jos molemmat molekyylivirrat liikkuvat kohtisuorassa taso FG, silloin siirrettyjen energioiden ero olisi yhtä suuri kuin (1/2) nc (E "- E). Mutta molekyylit leikkaavat FG:n kaikissa mahdollisissa kulmissa, ja tämän huomioon ottamiseksi ilmoitettu arvo tulisi kertoa 2/3:lla. Käyttämällä relaatiota (6) saamme

Missä Cv on tilavuusyksikköön sisältyvien n molekyylin lämpökapasiteetti. Siirrettäessä CD:stä AB:hen, jotka ovat L etäisyydellä toisistaan, lämpötila laskee (T "- T) ja jos dT / dz on lämpötilagradientti FG-tasoa vastaan ​​kohtisuorassa suunnassa, niin

Korvaamalla gradientin kautta ilmaistu lämpötilaero kaavaan (7), saadaan, että pinta-alayksikköä pitkin 1 sekunnissa siirtynyt kokonaisenergia on yhtä suuri kuin

K:n arvo, jota kuvaa lauseke K = (1/3)CvcL,
kutsutaan kaasun lämmönjohtavuudeksi.
KAASUN VISKOSITEETTI
Jos mittaat joen nopeutta eri syvyyksissä, huomaat, että pohjan lähellä vesi on lähes liikkumatonta ja mitä lähemmäs pintaa, sitä nopeammin se liikkuu. Siten joen virtauksessa on nopeusgradientti, joka on samanlainen kuin edellä käsitelty lämpötilagradientti; samaan aikaan, viskositeetista johtuen, jokainen korkeampi kerros kantaa mukanaan alla olevan naapurikerroksen. Tämä kuvio havaitaan paitsi nesteissä, myös kaasuissa. Molekyylikineettisen teorian avulla yritämme määrittää kaasun viskositeetin. Oletetaan, että kaasu virtaa vasemmalta oikealle ja että vaakasuorassa kerroksessa CD kuvassa 1. Kuviossa 3 virtausnopeus on suurempi kuin kerroksessa AB, joka sijaitsee suoraan CD:n alapuolella. Olkoon, kuten edellä, tasojen välinen etäisyys yhtä suuri kuin keskimääräinen vapaa polku. Kaasumolekyylit liikkuvat nopeasti koko tilavuudessa kaoottisia lentoratoja pitkin, mutta tämä kaoottinen liike on päällekkäin kaasun suunnatun liikkeen avulla. Olkoon u kaasun virtausnopeus AB-kerroksessa (suunnassa A:sta B:hen) ja u" hieman suurempi nopeus CD-kerroksessa (suunnassa C:hen D). satunnaisessa liikkeessä AB-kerroksen molekyylin liikemäärä on mu ja CD-kerroksessa liikemäärä mu. Molekyylit, jotka siirtyvät AB:stä CD:hen ilman törmäyksiä, siirtävät CD-kerrokseen AB-kerrosta vastaavan liikemäärän mu, kun taas hiukkaset putoavat CD AB:ksi sekoita AB:n molekyylien kanssa ja tuo mukanaan vauhtia mu". Näin ollen vauhti, joka on yhtä suuri kuin

Koska liikemäärän muutosnopeus on yhtä suuri kuin voima, on saatu lauseke voimalle pinta-alayksikköä kohti, jolla kerros vaikuttaa toiseen: hitaampi kerros hidastaa nopeampaa, ja jälkimmäinen päinvastoin vetää hitaampi kerros sen mukana, nopeuttaa sitä. Samanlaiset voimat vaikuttavat vierekkäisten kerrosten välillä virtaavan kaasun koko tilavuudessa. Jos du/dz on kaasun nopeusgradientti FG:tä vastaan ​​kohtisuorassa suunnassa, niin

Arvo nm kaavassa (8) on kaasun massa tilavuusyksikköä kohti; jos merkitsemme tätä määrää r:llä, voima pinta-alayksikköä kohti on yhtä suuri

jossa kerroin (1/3)rLc on kaasun viskositeetti. Artikkelin kahdesta viimeisestä jaksosta seuraa kaksi johtopäätöstä. Ensimmäinen on, että viskositeetin suhde lämmönjohtavuuteen on r/Cv. Toinen seuraa aikaisemmasta L:n lausekkeesta ja koostuu siitä, että kaasun viskositeetti riippuu vain sen lämpötilasta eikä paineesta ja tiheydestä. Molempien päätelmien oikeellisuus on varmistettu kokeellisesti suurella tarkkuudella.
Katso myös
LÄMPÖ;
TILASTOINEN MEKANIIKKA;
TERMODYNAMIIKKA.
KIRJALLISUUS
Hirschfeld J., Curtiss C., Byrd R. Molekyyliteoria kaasut ja nesteet. M., 1961 Frenkel Ya.I. Nesteiden kineettinen teoria. L., 1975 Kikoin A.K., Kikoin I.K. Molekyylifysiikka. M., 1976

Collier Encyclopedia. – Avoin yhteiskunta. 2000 .

Katso, mitä "MOLEKULAARI-KINETIC TEORIA" on muissa sanakirjoissa:

- (lyhennettynä MKT) 1800-luvun teoria, joka käsitteli aineen, pääasiassa kaasujen, rakennetta kolmen pääasiallisen, suurin piirtein oikean säännön näkökulmasta: kaikki kappaleet koostuvat hiukkasista: atomeista, molekyyleistä ja ioneista; hiukkaset ovat jatkuvassa ... ... Wikipediassa

- (lyhennettynä MKT) teoria, joka tarkastelee aineen rakennetta kolmen pääasiallisen suunnilleen oikean säännön näkökulmasta: kaikki kappaleet koostuvat hiukkasista, joiden koko voidaan jättää huomiotta: atomeista, molekyyleistä ja ioneista; hiukkaset ovat jatkuvassa ... ... Wikipediassa

ICT:n tärkeimmät säännökset:

1. Kaikki aineet koostuvat pienimmistä hiukkasista: molekyyleistä, atomeista tai ioneista.

2. Nämä hiukkaset ovat jatkuvassa kaoottisessa liikkeessä, jonka nopeus määrää aineen lämpötilan.

3. Hiukkasten välissä on veto- ja hylkimisvoimia, joiden luonne riippuu niiden välisestä etäisyydestä.

Ihanteellinen kaasu on kaasu, jonka molekyylien välinen vuorovaikutus on mitätön.

Tärkeimmät erot ihanteellisen kaasun ja todellisen kaasun välillä ovat: ihanteellisen kaasun hiukkaset ovat hyvin pieniä palloja, käytännössä aineellisia pisteitä; hiukkasten välillä ei ole molekyylien välisen vuorovaikutuksen voimia; hiukkasten törmäykset ovat ehdottoman elastisia. Todellinen kaasu on kaasu, jota ei kuvata ihanteellisen kaasun tilayhtälössä Clapeyron-Mendeleev. Sen parametrien väliset riippuvuudet osoittavat, että todellisen kaasun molekyylit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja vievät tietyn tilavuuden. Todellisen kaasun tilaa kuvataan usein käytännössä yleistetyllä Mendeleev-Clapeyron yhtälöllä.

2 Tilaparametrit ja toiminnot. Ihanteellisen kaasun tilayhtälö.

Vaihtoehdot:

Paine johtuu työnesteen molekyylien vuorovaikutuksesta pinnan kanssa ja on numeerisesti yhtä suuri kuin voima, joka vaikuttaa kehon yksikköpinta-alaan pitkin normaalia jälkimmäiseen.

Lämpötila on fysikaalinen suure, joka kuvaa kehon kuumenemisastetta. Molekyylikineettisten käsitteiden näkökulmasta lämpötila on molekyylien lämpöliikkeen intensiteetin mitta.

Ominaistilavuus v on aineen tilavuus massayksikköä kohti. Jos homogeeninen kappale, jonka massa on M, vie tilavuuden v, niin määritelmän mukaan v= V/M. SI-järjestelmässä ominaistilavuuden yksikkö on 1 m3/kg. Aineen ominaistilavuuden ja sen tiheyden välillä on ilmeinen yhteys:

Jos kaikki termodynaamiset parametrit ovat ajallisesti vakioita ja ovat samat kaikissa järjestelmän pisteissä, niin tällaista järjestelmän tilaa kutsutaan tasapainotilaksi.

Termodynaamisessa tasapainojärjestelmässä tilaparametrien välillä on toiminnallinen suhde, jota kutsutaan tilayhtälöksi

Clapeyron - Mendeleev yhtälö

3 Kaasuseokset. Näennäinen molekyylipaino. Kaasuseoksen kaasuvakio.

Kaasuseos on mekaaninen yhdistelmä kaasuja, jotka eivät ole vuorovaikutuksessa keskenään. kemiallinen reaktio kaasut. Pääsääntö, joka määrittää kaasuseoksen käyttäytymisen, on Daltonin laki: ihanteellisten kaasujen seoksen kokonaispaine on yhtä suuri kuin sen kaikkien aineosien osapaineiden summa: Osapaine pi on paine, joka kaasulla olisi jos se yksin valtasi koko seoksen tilavuuden samassa lämpötilassa. Seoksen kaasuvakio määritellään seuraavasti: - seoksen näennäinen (keskimääräinen) molekyylipaino. Tilavuuskoostumuksella, massakoostumuksella:.-yleiskaasuvakio.

4 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö.

Termodynamiikan ensimmäinen laki on energian säilymisen laki, joka on kirjoitettu termodynaamisilla käsitteillä (analyyttinen muotoilu: 1. tyyppinen ikuinen liikekone on mahdoton):

Energiaa. Termodynamiikan sisäisellä energialla ymmärretään molekyylien liikkeen kineettinen energia, niiden vuorovaikutuksen potentiaalienergia ja nolla (hiukkasten liikeenergia molekyylin sisällä, kun T=0K). Molekyylien kineettinen energia on lämpötilan funktio, potentiaalienergian arvo riippuu molekyylien keskimääräisestä etäisyydestä ja siten kaasun viemästä tilavuudesta V, eli se on V:n funktio. energia U on kehon tilan funktio.

Lämpö. Lämpötilaeron vaikutuksesta kehosta toiseen siirtyvää energiaa kutsutaan lämmöksi. Lämpöä voidaan siirtää joko kappaleiden välisen suoran kosketuksen kautta (lämmönjohtavuus, konvektio) tai etäisyydellä (säteily), ja kaikissa tapauksissa tämä prosessi on mahdollista vain, jos kappaleiden välillä on lämpötilaero.

Job. Energiaa, joka siirtyy kehosta toiseen, kun näiden kappaleiden tilavuus muuttuu tai liikkuu avaruudessa, kutsutaan työksi. Tilavuuden äärellisellä muutoksella työ ulkoisen paineen voimia vastaan, jota kutsutaan laajenemistyöksi, on yhtä suuri kuin Tilavuuden muutostyö vastaa prosessikäyrän alla olevaa pinta-alaa kaaviossa p, v.

Sisäinen energia on järjestelmän itsensä ominaisuus, se kuvaa järjestelmän tilaa. Lämpö ja työ ovat järjestelmän mekaanisten ja lämpövuorovaikutusten prosessien energiaominaisuuksia ympäristöön. Ne kuvaavat energiamääriä, jotka siirtyvät järjestelmään tai luovuttavat sen rajojen kautta tietyssä prosessissa.

Kaasun muodostavat atomit tai molekyylit liikkuvat vapaasti huomattavalla etäisyydellä toisistaan ​​ja ovat vuorovaikutuksessa vain törmäyksessä keskenään (jäljempänä, jotta en toistaisi itseäni, mainitsen vain "molekyylit" tarkoittaen tällä "molekyylejä" tai atomeja"). Siksi molekyyli liikkuu suorassa linjassa vain törmäysten välissä ja muuttaa liikkeen suuntaa jokaisen tällaisen vuorovaikutuksen jälkeen toisen molekyylin kanssa. Kaasumolekyylin liikkeen suoraviivaisen segmentin keskimääräistä pituutta kutsutaan keskimääräinen vapaa polku. Mitä suurempi kaasun tiheys on (ja siten mitä pienempi molekyylien välinen keskimääräinen etäisyys), sitä lyhyempi on keskimääräinen vapaa polku törmäysten välillä.

1800-luvun jälkipuoliskolla tällainen näennäisen yksinkertainen kuva kaasujen atomi-molekyylirakenteesta kehittyi useiden teoreettisten fyysikkojen ponnistelujen kautta voimakkaaksi ja melko yleismaailmalliseksi teoriaksi. Uusi teoria perustui ajatukseen mitattavien välisestä suhteesta makroskooppinen kaasun tilan indikaattorit (lämpötila, paine ja tilavuus). mikroskooppinen ominaisuudet - molekyylien lukumäärä, massa ja nopeus. Koska molekyylit ovat jatkuvasti liikkeessä ja sen seurauksena niillä on kineettistä energiaa, tätä teoriaa kutsutaan molekyylikineettinen teoria kaasut.

Otetaan esimerkiksi paine. Molekyylit törmäävät milloin tahansa suonen seinämiin ja välittävät jokaisella iskulla niihin tietyn voimapulssin, joka on itsessään erittäin pieni, mutta miljoonien molekyylien kokonaisvaikutus saa aikaan merkittävän voimavaikutuksen seinät, jotka koemme paineena. Esimerkiksi kun täytät auton renkaan, siirrät ilmakehän ilmamolekyylejä renkaan suljettuun tilavuuteen sen sisällä jo olevien molekyylien lisäksi; Tämän seurauksena molekyylien pitoisuus renkaan sisällä on korkeampi kuin sen ulkopuolella, ne osuvat seinämiin useammin, renkaan sisällä oleva paine on korkeampi kuin ilmanpaine ja rengas täyttyy ja tulee elastiseksi.

Teorian tarkoitus on, että molekyylien keskimääräisestä vapaasta polusta voidaan laskea niiden törmäysten tiheys suonen seinämiin. Eli kun on tietoa molekyylien liikkumisnopeudesta, on mahdollista laskea kaasun ominaisuudet, jotka voidaan mitata suoraan. Toisin sanoen molekyylikineettinen teoria antaa meille suoran yhteyden molekyylien ja atomien maailman ja konkreettisen makrokosmoksen välillä.

Sama koskee lämpötilan ymmärtämistä tämän teorian puitteissa. Mitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi on kaasumolekyylien keskimääräinen nopeus. Tätä suhdetta kuvaa seuraava yhtälö:

1/2mv 2 = kT

Missä m on yhden kaasumolekyylin massa, v - molekyylien keskimääräinen lämpöliikkeen nopeus, T - kaasun lämpötila (kelvineinä) ja k on Boltzmannin vakio. Molekyylikinettisen teorian perusyhtälö määrittelee suoran suhteen kaasun molekyyliominaisuuksien (vasemmalla) ja mitattavissa olevien makroskooppisten ominaisuuksien (oikealla) välillä. Kaasun lämpötila on suoraan verrannollinen molekyylien keskimääräisen nopeuden neliöön.

Molekyylikineettinen teoria antaa myös melko varman vastauksen kysymykseen yksittäisten molekyylien nopeuksien poikkeamista keskiarvosta. Jokainen kaasumolekyylien välinen törmäys johtaa energian uudelleen jakautumiseen niiden välillä: liian nopeat molekyylit hidastavat, liian hitaat kiihtyvät, mikä johtaa keskiarvoon. Joka hetki kaasussa tapahtuu lukemattomia miljoonia tällaisia ​​törmäyksiä. Siitä huolimatta kävi ilmi, että tietyssä stabiilissa tilassa olevan kaasun lämpötilassa keskimääräinen määrä molekyylejä tietyllä nopeudella v tai energiaa E, ei muutu. Tämä tapahtuu, koska tilastollisesta näkökulmasta todennäköisyys, että molekyylin energiaa E muuttaa energiaansa ja menee samanlaiseen energiatilaan, on yhtä suuri kuin todennäköisyys, että toinen molekyyli päinvastoin menee energian tilaan E. Näin ollen, vaikka jokaisella yksittäisellä molekyylillä on energiaa E vain satunnaisesti energiaa sisältävien molekyylien keskimääräinen lukumäärä E pysyy muuttumattomana. (Näemme samanlaisen tilanteen ihmisyhteiskunnassa. Kukaan ei pysy 17-vuotiaana pidempään kuin vuotta – luojan kiitos! – mutta keskimäärin seitsemäntoista vuoden ikäisten osuus vakaassa ihmisyhteisössä pysyy suunnilleen samana.)

Tämä ajatus molekyylien keskimääräisestä jakautumisesta nopeuksille ja sen tiukka muotoilu kuuluu James Clark Maxwellille - sama erinomainen teoreetikko omistaa myös tarkan kuvauksen sähkömagneettisista kentistä ( cm. Maxwellin yhtälöt). Hän päätteli molekyylien jakautumisen nopeuksilla tietyssä lämpötilassa (katso kuva). Suurin osa molekyyleistä on huippua vastaavassa energiatilassa Maxwell-jakaumat ja keskinopeus, mutta itse asiassa molekyylien nopeudet vaihtelevat melko suurissa rajoissa.