Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Основные положения молекулярно-кинетической теории




 

Одновременно с созданием термодинамических методов исследования развивались корпускулярные представления о тепловых свойствах макросистем, в соответствии с которыми ставилась задача объяснения всех процессов, происходящих с ними, на основе предположения о том, что вещество состоит из атомов или молекул и движение их подчиняется законам Ньютона.

К концу XIX в. была создана последовательная теория поведения больших общностей атомов и молекул – молекулярно-кине-тическая теория, или статистическая механика. Многочисленными опытами была доказана справедливость этой теории.

Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Поведение громадного числа молекул анализируется с помощью статистического метода, который основан на том, что свойства макроскопической системы в конечном результате определяются свойствами частиц систем, особенностями их движения и усредненными значениями кинетических и динамических характеристик этих частиц (скорости, энергии, давления и т.д.). Например, температура тела определяется скоростью беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, то она может быть выражена только через среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.

После создания молекулярной физики термодинамика не утратила своего значения. Она помогает понять многие явления и с успехом применяется при расчетах многих важных механических устройств. Общие законы термодинамики справедливы для всех веществ, независимо от их внутреннего строения.

Однако при расчете различных процессов с помощью термодинамики многие физические параметры, например теплоемкости тел, необходимо определять экспериментально. Статистические же методы позволяют на основе данных о строении вещества определить эти параметры.

В настоящее время в науке и технике широко используются как термодинамические, так и статистические методы описания свойств макросистем.

Основные положения молекулярно-кинетических представлений

 

В основе молекулярно-кинетических представлений о строении и свойствах макросистем лежат три положения:

любое тело – твердое, жидкое или газообразное – состоит из большого числа весьма малых частиц – молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы);

молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющим какого-либо преимущественного направления движения;

интенсивность движения молекул зависит от температуры вещества.

Тепловые процессы связаны со строением вещества и его внутренней структурой. Например, нагревание кусочка парафина на несколько десятков градусов превращает его в жидкость, а такое же нагревание металлического стержня заметно не влияет на него. Такое различное действие нагревания связано с различием во внутреннем строении этих веществ. Поэтому исследование тепловых явлений можно использовать для выяснения общей картины строения вещества. И, наоборот, определенные представления о строении вещества помогают понять физическую сущность тепловых явлений, дать им глубокое истолкование.

Свойства и поведение макросистем, начиная от разряженных газов верхних слоев атмосферы и кончая твердыми телами на Земле, а также сверхтвердыми ядрами планет и звезд, определяются движением и взаимодействием друг с другом частиц, из которых состоят все тела: молекул, атомов, элементарных частиц.

Непосредственным доказательством существования хаотического движения молекул служит броуновское движение, которое заключается в том, что весьма малые (видимые только в микроскоп) взвешенные в жидкости частицы всегда находятся в состоянии непрерывного беспорядочного движения, не зависящего от внешних причин. Оно оказывается проявлением внутреннего движения, совершаемого под влиянием беспорядочных ударов молекул.

Количественным воплощением молекулярно-кинетических представлений служат газовые законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Авагадро, Дальтона, уравнение Клайперона-Менделеева (уравнение состояния), основное уравнение кинетической теории идеальных газов, закон Максвелла для распределения молекул и др.

Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории вытекает важный вывод: средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа прямо пропорциональна его термодинамической температуре и зависит только от нее:

Е = 3/2 kТ,

где k – постоянная Больцмана;

Т – температура.

Из данного уравнения следует, что при Т = 0 средняя кинетическая энергия равна нулю, т.е. при абсолютном нуле прекращается поступательное движение молекул газа, а, следовательно, его давление равно нулю. Термодинамическая температура – мера кинетической энергии поступательного движения идеального газа, а приведенная формула раскрывает молекулярно-кинетическое толкование температуры.

В молекулярно-кинетической теории пользуются идеализированной моделью идеального газа, согласно которой:

· собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда;

· между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия;

· столкновение молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие;

· длина свободного пробега молекул << размеров сосуда.

Модель идеального газа можно использовать при изучении реальных газов, так как в условиях, близких к нормальным (например, кислород и гелий), а также при низких давлениях и высоких температурах они близки по своим свойствам к идеальному газу. Кроме того, внеся поправки, учитывающие собственный объем молекул газа и действующие молекулярные силы, можно перейти к теории реальных газов, из которых следует уравнение Ван-дер-Вальса, описывающее состояние реального газа.

Первое положение молекулярно-кинетических представлений – любое тело состоит из большого числа весьма малых частиц – молекул – доказано многочисленными опытами, одновременно подтверждавшими реальное существование молекул и атомов. А теперь их рассмотрим визуально, приведем некоторые цифры, показывающие, насколько малы размеры молекул и атомов и как много их содержится в каком-либо макроскопическом теле.

С помощью ионного микроскопа удалось показать, что диаметр атомов вольфрама составляет около 2 ангстрем (1 ангстрем равен
10-8 см). Размер молекулы водорода примерно того же порядка – примерно 2,3 ангстрема. Теперь понятно: при очень малых размерах молекул число их в любом макроскопическом теле огромно. Несложный расчет показывает, что число молекул в капле воды составляет около 3∙1022.

 

Контрольные вопросы

1. Какие явления называются тепловыми?

2. В чем заключается история развития представлений о природе тепловых явлений?

3. Что изучает термодинамика?

4. В чем заключается смысл первого начала термодинамики?

5. Опишите второе начало термодинамики.

6. Что такое энтропия и каковы ее важнейшие свойства?

7. В чем смысл тепловой смерти Вселенной?

8. Как взаимодействует порядок и хаос в природе?

9. Что изучает молекулярная физика?

10. Каковы основные положения молекулярно-кинетических представлений?







Дата добавления: 2015-09-15; просмотров: 952. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2021 год . (0.003 сек.) русская версия | украинская версия