Основные положения МКТ. Изопроцессы в газах

Основные положения МКТ и их опытные обоснования

Молекулярная физика и термодинамика - разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в них атомов и молекул. Для исследования этих процессов применяют два качественно различных и взаимно дополняющих друг друга метода: статистический и термодинамический. Первый лежит в основе молекулярной физики, второй - термодинамики.

Молекулярная физика - раздел физики, в котором изучаются строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений, с которыми вы знакомы из курса физики основной школы, как и с их опытными обоснованиями.

Основные положения МКТ:

Вещество состоит из молекул. Молекула может состоять и из одного атома: таковы, например, молекулы инертных газов.

Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

Атомы и молекулы взаимодействуют друг с другом.

Большой вклад в разработку молекулярно-кинетической теории внесли М.В. Ломоносов, Дж. Дальтон и Дж. Максвелл, Р. Клаузиус и Л. Больцман.

Опытными подтверждениями МКТ являются, например, броуновское движение и диффузия.

Напомню, что в первой половине 19-го века английский ботаник P. Броун, наблюдая в микроскоп крошечные частицы пыльцы, находящиеся в совершенно спокойной воде, обнаружил, что они почему-то пребывают в непрестанном хаотическом движении, названном впоследствии «броуновским».

Только через полвека после открытия Броуна учёные поняли, что броуновское движение обусловлено ударами движущихся молекул воды. Таким образом, броуновское движение стало первым наблюдаемым следствием хаотического движения молекул вещества. Броуновское движение

можно наблюдать только для частиц размером не более нескольких микрометров.

Броуновское движение - это беспорядочное, хаотическое движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе, вызванное тепловым движением молекул среды.

Теорию броуновского движения построили А. Эйнштейн и М. Смолуховский.

Диффузией называют процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого. Если вспомните, как устроены вещества в твёрдом, жидком и газообразном состоянии, то становится понятным, почему такое перемешивание веществ в газах происходит быстрее, чем в жидкостях, а в жидкостях быстрее, чем в твёрдых телах.

Какое положение (или положения) молекулярно-кинетической теории подтверждает диффузия? Конечно, речь идёт и о молекулярном строении веществ, между которыми есть промежутки, и о непрерывном беспорядочном движении молекул. Вспомните, где в повседневной жизни вы сталкиваетесь с явлением диффузии.

Межмолекулярное взаимодействие имеет электростатическую природу. Рассмотрим графики зависимости значений силы отталкивания и притяжения от расстояния между центрами двух молекул (рис. 1) твёрдого тела.

На некотором расстоянии r_{0} равнодействующая этих сил равна нулю. При уменьшении расстояния между молекулами (при сжатии) преобладают силы отталкивания, а при увеличении расстояния - силы притяжения. В разных веществах силы взаимного притяжения и отталкивания между молекулами различны.

Так как изменение потенциальной энергии определяется работой силы, то по известной зависимости силы от расстояния можно найти зависимость от расстояния потенциальной энергии (рис. 2).

Минимум потенциальной энергии соответствует расстоянию r_{0} . Зная зависимость потенциальной энергии от расстояния, можно установить характер движения тела, используя лишь закон сохранения энергии. При движении молекулы, например, справа налево вдоль оси r её кинетическая и потенциальная энергии непрерывно изменяются: чем больше потенциальная энергия, тем меньше кинетическая и наоборот.

Кинетическая энергия молекулы достигает максимума на расстоянии, равном r_{0} , когда потенциальная энергия минимальна. В некоторый момент времени частица останавливается и начинает двигаться назад, так как на неё действует сила отталкивания.

Основная задача молекулярно-кинетической теории состоит в том, чтобы вывести соотношения между макроскопическими и микроскопическими параметрами и объяснить свойства вещества, исходя из представлений о движении и взаимодействии его частиц.

Физические величины, характеризующие образец вещества в целом, называют макроскопическими параметрами. Примерами макроскопических параметров являются объём, масса, давление, температура.

Физические величины, характеризующие частицы, из которых состоит образец вещества, а также их движение и взаимодействие друг с другом, называют микроскопическими параметрами. Примерами микроскопических параметров являются массы атомов и молекул, а также средняя кинетическая энергия молекул.

Агрегатные состояния вещества

Вы уже знаете о трёх агрегатных состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном.

Твёрдые тела бывают кристаллическими и аморфными. В кристаллических твёрдых телах частицы (атомы, ионы или молекулы) расположены вплотную и упорядоченно, образуя кристаллическую решётку.

В аморфных твёрдых телах, а также в жидкостях частицы тоже расположены вплотную друг к другу, однако в их расположении нет определённого порядка. Примерами аморфных твёрдых тел являются смола и стекло.

В газах молекулы находятся сравнительно далеко друг от друга. Например, в окружающем нас воздухе расстояния между ближайшими молекулами примерно в 10 раз превышают размеры самих молекул.

Одно и то же вещество может находиться в любом из трёх агрегатных состояний: состояние данного вещества определяется главным образом температурой и давлением.

Привычное нам деление веществ на твёрдые, жидкие и газообразные относится к довольно узкому «человеческому» интервалу температур, то есть интервалу температур, при которых человек чувствует себя комфортно. Однако при выходе за пределы этого интервала «газообразные» тела могут стать жидкими и даже твёрдыми, а «твёрдые» - жидкими и даже газообразными. Различные агрегатные состояния одного и того же вещества

могут сосуществовать при одной и той же температуре: например, вода и водяной пар.

Относительная атомная и молекулярная масса

В 19-м веке учёные обнаружили на опыте удивительно простую закономерность: массы атомов всех химических элементов с хорошей точностью кратны массе атома водорода.

Например, масса атома углерода примерно в 12 раз больше массы атома водорода, а масса атома кислорода примерно в 16 раз больше массы атома водорода.

Исходя из этой закономерности, в качестве атомной единицы массы удобно было бы взять массу атома водорода. Но по соображениям, связанным с точностью воспроизведения атомной единицы массы, в качестве «эталона» взяли не саму массу атома водорода, а очень близкую к ней величину, равную 1/12 массы атома углерода:

1 \text { а.е.м. }=\frac{\text { масса атома углерода }}{12}=1,66 \cdot 10^{-27} \text { кг. }

Относительной атомной массой \boldsymbol{A}_{\boldsymbol{r}} называют массу атома, выраженную в атомных единицах массы.

Измеренные на опыте относительные атомные массы можно найти в Периодической системе химических элементов Менделеева. При решении задач приведённое в таблице Менделеева значение относительной атомной массы округляют до целого числа.

Относительная атомная масса является безразмерной величиной. Так относительная атомная масса углерода равна 12 , гелия - 4 .

Относительной молекулярной массой \boldsymbol{M}_{\boldsymbol{r}} называют массу молекулы, выраженную в атомных единицах массы.

Чтобы найти относительную молекулярную массу данного вещества, надо знать состав молекулы этого вещества и относительные атомные массы атомов, из которых она состоит.

Относительная молекулярная масса также является безразмерной величиной. Так относительная молекулярная масса кислорода \mathrm{O}_{2} равна 32, воды \text{H}_{2} \mathrm{O}-18 , углекислого газа \mathrm{CO}_{2}-44 .

Изопроцессы в газах

Переход газа из одного состояния в другое называют газовым процессом. Начнём с самых простых газовых процессов - изопроцессов.

Изопроцессами называют газовые процессы, происходящие с данной массой газа, при которых одна из величин: давление, объём или температура газа остаётся постоянной. Обратите внимание, все эти процессы происходят c неизменной массой газа.