Определение 1
Молекулярно-кинетическая теория – это учение о строении и свойствах вещества, основанное на представлении о существовании атомов и молекул, как наименьших частиц химических веществ.
Основные положения молекулярно-кинетической теории молекулы:
- Все вещества могут быть в жидком, твердом и газообразном состоянии. Они образуются из частиц, которые состоят из атомов. Элементарные молекулы могут иметь сложное строение, то есть иметь в своем составе несколько атомов. Молекулы и атомы – электрически нейтральные частицы, которые в определенных условиях приобретают дополнительный электрический заряд и переходят в положительные или отрицательные ионы.
- Атомы и молекулы движутся непрерывно.
- Частицы с электрической природой силы взаимодействуют друг с другом.
Основные положения мкт и их примеры были перечислены выше. Между частицами имеется малое гравитационное воздействие.
Рисунок 3 . 1 . 1 . Траектория Броуновской частицы.
Определение 2
Броуновское движение молекул и атомов подтверждает существование основных положений молекулярно кинетической теории и опытно обосновывает его. Данное тепловое движение частиц происходит с взвешенными в жидкости или газе молекулами.
Опытное обоснование основных положений молекулярно кинетической теории
В 1827 году Р. Броун открыл это движение, которое было обусловлено беспорядочными ударами и перемещениями молекул. Так как процесс происходил хаотично, то удары не могли уравновесить друг друга. Отсюда вывод, что скорость броуновской частицы не может быть постоянной, она постоянно меняется, а движение направления изображается в виде зигзага, показанное на рисунке 3 . 1 . 1 .
О броуновском движении говорил еще А. Эйнштейн в 1905 году. Его теория нашла подтверждение в опытах Ж. Перрена 1908 - 1911 гг.
Определение 3
Следствие из теории Эйнштейна : квадрат смещения < r 2 > броуновской частицы относительно начального положения, усредненное по многим броуновским частицам, пропорционален времени наблюдения t .
Выражение < r 2 > = D t объясняет диффузионный закон. По теории имеем, что D монотонно возрастает с увеличением температуры. Беспорядочное движение проглядывается при наличии диффузии.
Определение 4
Диффузия – это определение явления проникновения двух или нескольких соприкасающихся веществ друг в друга.
Данный процесс происходит быстро в неоднородном газе. Благодаря примерам диффузии с разными плотностями можно получить однородную смесь. При нахождении в одном сосуде кислорода O 2 и водорода H 2 с перегородкой то при ее удалении газы начинают смешиваться, образую опасную смесь. Процесс возможен при нахождении вверху водорода, а внизу кислорода.
Процессы взаимопроникновения также протекают в жидкостях, но намного медленней. Если растворить твердое тело, сахар, в воде, то получим однородный раствор, который является наглядным примером диффузионных процессов в жидкостях. При реальных условиях смешивание в жидкостях и в газах замаскировано быстрыми процессами перемешивания, к примеру, при возникновении конвекционных потоков.
Диффузия твердых тел отличается своей замедленной скоростью. Если поверхность взаимодействия металлов очистить, то можно увидеть, что с течением большого периода времени в каждом из них появятся атомы другого металла.
Определение 5
Диффузия и броуновское движение считаются родственными явлениями.
При взаимопроникновении частиц обоих веществ движение беспорядочно, то есть, наблюдается хаотичное тепловое перемещение молекул.
Силы, действующие между двумя молекулами, зависят от расстояния между ними. Молекулы имеют в своем составе положительные и отрицательные заряды. При больших расстояниях преобладают силы межмолекулярного притяжения, при небольших – силы отталкивания.
Рисунок 3 . 1 . 2 показывает зависимость результирующей силы F и потенциальной энергии E р взаимодействия между молекулами от расстояния между их центрами. На расстоянии r = r 0 сила взаимодействияобращается в ноль. Данное расстояние условно принимается в качестве диаметра молекулы. При r = r 0 потенциальная энергиявзаимодействия минимальная.
Определение 6
Чтобы отдалить две молекулы с расстоянием r 0 , следует сообщить E 0 , называемую энергией связи или глубиной потенциальной ямы.
Рисунок 3 . 1 . 2 . Сила взаимодействия F и потенциальная энергия взаимодействия E р двух молекул. F > 0 – сила отталкивания, F < 0 – сила притяжения.
Так как молекулы имеют малые размеры, то простые одноатомные могут быть не более 10 – 10 м. Сложные могут достигать размеров в сотни раз больше.
Определение 7
Беспорядочное хаотичное движение молекул называют тепловым движением.
При возрастании температуры увеличивается кинетическая энергия теплового движения. При пониженных температурах средняя кинетическая энергия, в большинстве случаев, оказывается меньше значения глубины потенциальной ямы E 0 . Данный случай показывает, что молекулы перетекают в жидкое или твердое вещество со средним расстоянием между ними r 0 . Если температура повышается, то средняя кинетическая энергия молекулы превышает E 0 , тогда они разлетаются и образуют газообразное вещество.
В твердых телах молекулы двигаются беспорядочно около фиксированных центров, то есть, положений равновесий. В пространстве может быть распределены нерегулярным образом (у аморфных тел) или с образованием упорядоченных объемных структур (кристаллических тел).
Агрегатные состояния веществ
Свобода теплового движения молекул просматривается в жидкостях, так как у них нет привязки к центрам, что позволяет производить перемещения по всему объему. Этим объясняется ее текучесть.
Определение 8
Если молекулы располагаются близко, то могут образовывать упорядоченные структуры с несколькими молекулами. Данное явление получило название ближнего порядка. Дальний порядок характерен для кристаллических тел.
Расстояние в газах между молекулами намного больше, поэтому действующие силы малы, а их движения идут вдоль прямой, ожидая очередного соударения. Значение 10 – 8 м является средним расстоянием между молекулами воздуха в нормальных условиях. Так как взаимодействие сил слабое, газы расширяются и могут заполнять любой объем сосуда. Когда их взаимодействие стремится к нулю, то говорят о представлении идеального газа.
Кинетическая модель идеального газа
В мкт количество вещества считается пропорциональным числу частиц.
Определение 9
Моль – это количество вещества, содержащее столько частиц (молекул), сколько содержится атомов в 0 , 012 к г углерода C 12 . Молекула углерода состоит из одного атома. Отсюда следует, что 1 моль вещества имеет одно и то же количество молекул. Данное число называется постоянной Авогадро N А: N А = 6 , 02 ċ 1023 м о л ь – 1 .
Формула определения количества вещества ν записывается отношением N числа частиц на постоянную Авогадро N A: ν = N N A .
Определение 10
Массой одного моля вещества называют молярную массу М. Она фиксируется в виде формулы M = N А ċ m 0 .
Выражение молярной массы производится в килограммах на моль (к г / м о л ь) .
Определение 11
Если вещество имеет в составе один атом, тогда имеет место говорить об атомной массе частицы. Единица атома – это 1 12 массы изотопа углерода C 12 , называется атомной единицей массы и записывается как (а. е. м. ): 1 а. е. м. = 1 , 66 ċ 10 – 27 к г.
Данная величина совпадает с массой протона и нейтрона.
Определение 12
Отношение массы атома или молекулы данного вещества к 1 12 массы атома углерода называют относительной массой.
Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) – это учение, которое объясняет тепловые явления в макроскопических телах и внутренние свойства этих тел движением и взаимодействием атомов, молекул и ионов, из которых состоят тела. В основе МКТ строения вещества лежат три положения:
- Вещество состоит из частиц – молекул, атомов и ионов. В состав этих частиц входят более мелкие элементарные частицы. Молекула – наименьшая устойчивая частица данного вещества. Молекула обладает основными химическими свойствами вещества. Молекула является пределом деления вещества, то есть самой маленькой частью вещества, которая способна сохранять свойства этого вещества. Атом – это наименьшая частица данного химического элемента.
- Частицы, из которых состоит вещество, находятся в непрерывном хаотическом (беспорядочном) движении.
- Частицы вещества взаимодействуют друг с другом – притягиваются и отталкиваются.
Эти основные положения подтверждаются экспериментально и теоретически.
Состав вещества
Современные приборы позволяют наблюдать изображения отдельных атомов и молекул. С помощью электронного микроскопа или ионного проектора (микроскопа) можно получить изображения отдельных атомов и оценить их размеры. Диаметр любого атома имеет порядок d = 10 -8 см (10 -10 м). Размеры молекул больше размеров атомов. Поскольку молекулы состоят из нескольких атомов, то чем больше количество атомов в молекуле, тем больше её размер. Размеры молекул лежат в пределах от 10 -8 см (10 -10 м) до 10 -5 см (10 -7 м).
Хаотическое движение частиц
Непрерывное хаотическое движение частиц подтверждается броуновским движением и диффузией. Хаотичность движения означает, что у молекул не существует каких-либо предпочтительных путей и их движения имеют случайные направления. Это означает, что все направления равновероятны.
Диффузия (от латинского diffusion – растекание, распространение) – явление, когда в результате теплового движения вещества происходит самопроизвольное проникновение одного вещества в другое (если эти вещества соприкасаются).
Взаимное перемешивание веществ происходит по причине непрерывного и беспорядочного движения атомов или молекул (или других частиц) вещества. С течением времени глубина проникновения молекул одного вещества в другое увеличивается. Глубина проникновения зависит от температуры: чем выше температура, тем больше скорость движения частиц вещества и тем быстрее протекает диффузия.
Диффузия наблюдается во всех состояниях вещества – в газах, жидкостях и твёрдых телах. Примером диффузии в газах служит распространение запахов в воздухе при отсутствии прямого перемешивания. Диффузия в твёрдых телах обеспечивает соединение металлов при сварке, пайке, хромировании и т.п. В газах и жидкостях диффузия происходит намного быстрее, чем в твёрдых телах.
Существование устойчивых жидких и твёрдых тел объясняется наличием сил межмолекулярного взаимодействия (сил взаимного притяжения и отталкивания). Этими же причинами объясняется малая сжимаемость жидкостей и способность твёрдых тел сопротивляться деформациям сжатия и растяжения.
Силы межмолекулярного взаимодействия имеют электромагнитную природу – это силы электрического происхождения. Причиной этого является то, что молекулы и атомы состоят из заряженных частиц с противоположными знаками зарядов – электронов и положительно заряженных атомных ядер. В целом молекулы электрически нейтральны. По электрическим свойствам молекулу можно приближённо рассматривать как электрический диполь.
Сила взаимодействия между молекулами имеет определённую зависимость от расстояния между молекулами. Эта зависимость изображена на рис. 1.1. Здесь показаны проекции сил взаимодействия на прямую, которая проходит через центры молекул.
Рис. 1.1. Зависимость межмолекулярных сил от расстояния между взаимодействующими атомами.
Как видим, по мере уменьшения расстояния между молекулами r сила притяжения F r пр увеличивается (красная линия на рисунке). Как уже было сказано, силы притяжения принято считать отрицательными, поэтому по мере уменьшения расстояния кривая уходит вниз, то есть в отрицательную зону графика.
Силы притяжения действуют по мере сближения двух атомов или молекул, пока расстояние r между центрами молекул находится в районе 10 -9 м (2-3 диаметра молекул). По мере увеличения этого расстояния силы притяжения ослабевают. Силы притяжения являются короткодействующими силами.
где a – коэффициент, зависящий от вида сил притяжения и строения взаимодействующих молекул.
При дальнейшем сближении атомов или молекул на расстояниях между центрами молекул порядка 10 -10 м (это расстояние сравнимо с линейными размерами неорганических молекул) появляются силы отталкивания F r от (синяя линия на рис. 1.1). Эти силы появляются за счёт взаимного отталкивания положительно заряженных атомов в молекуле и убывают с увеличением расстояния r ещё быстрее, чем силы притяжения (что видно на графике – синяя линия более «круто» стремится к нулю, чем красная).
где b – коэффициент, зависящий от вида сил отталкивания и строения взаимодействующих молекул.
На расстоянии r = r 0 (это расстояние примерно равно сумме радиусов молекул) силы притяжения уравновешивают силы отталкивания, а проекция результирующей силы F r = 0. Этому состоянию соответствует наиболее устойчивое расположение взаимодействующих молекул.
В общем случае результирующая сила равна:
При r > r 0 притяжение молекул превосходит отталкивание, при r < r 0 – отталкивание молекул превосходит их притяжение.
Зависимость сил взаимодействия молекул от расстояния между ними качественно объясняет молекулярный механизм появления сил упругости в твёрдых телах.
При растяжении твёрдого тела частицы удаляются друг от друга на расстояния, превышающие r 0 . При этом появляются силы притяжения молекул, которые возвращают частицы в первоначальное положение.
При сжатии твёрдого тела частицы сближаются на расстояния, меньшие расстояния r 0 . Это приводит к увеличению сил отталкивания, которые возвращают частицы в первоначальное положение и препятствуют дальнейшему сжатию.
Если смещение молекул из положений равновесия мало, то силы взаимодействия растут линейно с увеличением смещения. На графике этот отрезок показан утолщённой линией светло-зелёного цвета.
Поэтому при малых деформациях (в миллионы раз превышающих размер молекул) выполняется закон Гука, согласно которому сила упругости пропорциональна деформации. При больших смещениях закон Гука не действует.
Молекулярно-кинетическая теория (сокращённо МКТ) - теория, возникшая в XIX веке и рассматривающая строение вещества, в основном газов, с точки зрения трёх основных приближенно верных положений:
все тела состоят из частиц: атомов , молекул и ионов ;
частицы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловом);
частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений .
МКТ стала одной из самых успешных физических теорий и была подтверждена целым рядом опытных фактов. Основными доказательствами положений МКТ стали:
Диффузия
Броуновское движение
Изменение агрегатных состояний вещества
На основе МКТ развит целый ряд разделов современной физики, в частности, физическая кинетика и статистическая механика . В этих разделах физики изучаются не только молекулярные (атомные или ионные) системы, находящиеся не только в «тепловом» движении, и взаимодействующие не только через абсолютно упругие столкновения. Термин же молекулярно-кинетическая теория в современной теоретической физике уже практически не используется, хотя он встречается в учебниках по курсу общей физики.
Идеальный газ - математическая модель газа , в которой предполагается, что: 1) потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией ; 2) суммарный объем молекул газа пренебрежимо мал. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги , а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями. В расширенной модели идеального газа частицы, из которого он состоит, имеют также форму в виде упругих сфер или эллипсоидов , что позволяет учитывать энергию не только поступательного, но и вращательно-колебательного движения, а также не только центральные, но и нецентральные столкновения частиц и др.
Различают классический идеальный газ (его свойства выводятся из законов классической механики и описываются статистикой Больцмана) и квантовый идеальный газ (свойства определяются законами квантовой механики, описываются статистиками Ферми - Дирака или Бозе - Эйнштейна )
Классический идеальный газ
Объём идеального газа линейно зависит от температуры при постоянном давлении
Свойства идеального газа на основе молекулярно-кинетических представлений определяются исходя из физической модели идеального газа, в которой приняты следующие допущения:
В этом случае частицы газа движутся независимо друг от друга, давление газа на стенку равно полному импульсу, переданному при столкновении частиц со стенкой в единицу времени, внутренняя энергия - сумме энергий частиц газа.
По эквивалентной формулировке идеальный газ - такой газ, который одновременно подчиняется закону Бойля - Мариотта и Гей-Люссака , то есть:
где - давление,- абсолютная температура. Свойства идеального газа описываютсяуравнением Менделеева - Клапейрона
,
где -, - масса,-молярная масса .
где -концентрация частиц , -постоянная Больцмана .
Для любого идеального газа справедливо соотношение Майера :
где -универсальная газовая постоянная , - молярнаятеплоемкость при постоянном давлении, - молярная теплоемкость при постоянном объёме.
Статистический расчет распределения скоростей молекул был выполнен Максвеллом.
Рассмотрим результат, полученный Максвеллом в виде графика.
Молекулы газа при своем движении постоянно сталкиваются. Скорость каждой молекулы при столкновении изменяется. Она может возрастать и убывать. Однако среднеквадратичная скорость остается неизменной. Это объясняется тем, что в газе, находящемся при определенной температуре, устанавливается некоторое стационарное, не меняющееся со временем распределение молекул по скоростям, которое подчиняется определенному статистическому закону. Скорость отдельной молекулы с течением времени может меняться, однако доля молекул со скоростями в некотором интервале скоростей остается неизменной.
Нельзя ставить вопрос: сколько молекул обладает определенной скоростью. Дело в том, что, хоть число молекул очень велико в любом даже малом объеме, но количество значений скорости сколь угодно велико (как чисел в последовательном ряде), и может случиться, что ни одна молекула не обладает заданной скоростью.
|
|
Рис.
3.3Основываясь на опыте Штерна, можно ожидать, что наибольшее число молекул будут иметь какую-то среднюю скорость, а доля быстрых и медленных молекул не очень велика. Необходимые измерения показали, что доля молекул , отнесенная к интервалу скорости Δv , т.е. , имеет вид, показанный на рис. 3.3. Максвелл в 1859 г. теоретически на основании теории вероятности определил эту функцию. С тех пор она называется функцией распределения молекул по скоростям или законом Максвелла.
Выведем
функцию распределения молекул идеального
газа по скоростям
-
интервал скоростей вблизи скорости
.
-
число молекул, скорости которых лежат
в интервале
.
-
число молекул в рассматриваемом объеме.
-
угол молекул, скорости которых принадлежат
интервалу
.
-
доля молекул в единичном интервале
скоростей вблизи скорости
.
-
формула Максвелла.
Используя статистические методы Максвелла получим следующую формулу:
.
-
масса одной молекулы,
- постоянная Больцмана.
Наивероятнейшая
скорость определяется из условия
.
Решая
получаем
;
.
Обозначим
ч/з
.
Тогда
.
Рассчитаем долю молекул в заданном интервале скоростей вблизи заданной скорости в заданном направлении.
.
.
-
доля молекул, которые имеют скорости в
интервале
,
,
.
Развивая идеи Максвелла Больцман рассчитал распределение молекул по скоростям в силовом поле. В отличие от распределения Максвелла в распределении Больцмана вместо кинетической энергии молекул фигурирует сумма кинетической и потенциальной энергии.
В
распределении Максвелла:
.
В
распределении Больцмана:
.
В
гравитационном поле
.
Для концентрации молекул идеального газа имеет место формула:
и
соответственно.
-
распределение Больцмана.
-
концентрация молекул у поверхности
Земли.
-
концентрация молекул на высоте
.
Теплоемкость.
Теплоемкостью тела называется физическая величина, равная отношению
,
.
Теплоемкость одного моля – молярная теплоемкость
.
Т.к.
- функция процесса
,
то
.
Учитывая
;
;
.
-
формула Майера.
Т.о.
задача вычисления теплоемкости сводится
к нахождению
.
.
Для
одного моля:
,
отсюда
.
Двухатомный газ (О 2 , N 2 , Cl 2 , СО и т.д.).
(модель жесткой гантели).
Полное число степеней свободы:
.
Тогда
,
то
;
.
Это значит, что теплоемкость должна быть постоянной. Вместе с тем опыт говорит, что теплоемкость зависит от температуры.
При понижении температуры "замараживаются" сначала колебательные степени свободы, а затем и вращательные степени свободы.
Согласно законам квантовой механики энергия гармонического осциллятора с классической частотой может принимать только дискретный набор значений
Многоатомные газы (H 2 O, CH 4 , C 4 H 10 O и т.д.).
;
;
;
Сравним
теоретические данные с опытными.
Видно,
что
2-х атомных газов равняется
,
но изменяется при низких температурах
вопреки теории теплоемкости.
Такой
ход кривой
от
свидетельствует о «замораживании»
степеней свободы. Наоборот при больших
температурах подключаются дополнительные
степени свободы
эти данные ставят под сомнение теорему
о равномерном распределении. Современная
физика позволяет объяснить зависимость
от
используя квантовые представления.
Квантовая
статистика устранила трудности в
объяснении зависимости теплоемкости
газов (в частности двухатомных газов)
от температуры. Согласно положениям
квантовой механики, энергия вращательного
движения молекул и энергия колебаний
атомов могут принимать лишь дискретные
значения. Если энергия теплового движения
значительно меньше разности энергий
соседних уровней энергии (),
то при столкновении молекул вращательные
и колебательные степени свободы
практически не возбуждаются. Поэтому
при низких температурах поведение
двухатомного газа подобно поведению
одноатомного.
Так как разность между
соседними вращательными уровнями
энергии значительно меньше, чем между
соседними колебательными уровнями (
),
то с ростом температуры сначала
возбуждаются вращательные степени
свободы. В результате этого возрастает
теплоемкость. При дальнейшем увеличении
температуры возбуждаются и колебательные
степени свободы, и происходит дальнейший
рост теплоемкости.
А.
Эйнштейн, приближенно считал, что
колебания атомов кристаллической
решетки независимы. Используя модель
кристалла как совокупность независимо
колеблющихся с одинаковой частотой
гармонических осцилляторов, он создал
качественную квантовую теорию теплоемкости
кристаллической решетки. Эта теория
впоследствии была развита Дебаем,
который учел, что колебания атомов в
кристаллической решетке не являются
независимыми. Рассмотрев непрерывный
спектр частот осцилляторов, Дебай
показал, что основной вклад в среднюю
энергию квантового осциллятора вносят
колебания на низких частотах,
соответствующих упругим волнам.
Тепловое
возбуждение твердого тела можно описать
в виде упругих волн, распространяющихся
в кристалле. Согласно корпускулярно–волновому
дуализму свойств вещества, упругие
волны в кристалле сопоставляют
сквазичастицами–фононами
,
обладающими энергией .Фонон
– квант энергии упругой волны, являющийся
элементарным возбуждением, ведущим
себя подобно микрочастице.
Как
квантование электромагнитного излучения
привело к представлению о фотонах, так
квантование упругих волн (как результата
теплового колебания молекул твердых
тел) привело к представлению о фононах.
Энергия кристаллической решетки
складывается из энергии фононного газа.
Квазичастицы (в частности фононы) сильно
отличаются от обычных микрочастиц
(электронов, протонов, нейтронов и т.д.),
так как они связаны с коллективным
движением многих частиц системы.
Фононы не могут возникать в вакууме, они существуют только в кристалле.
Импульс фонона обладает своеобразным свойством: при столкновении фононов в кристалле их импульс может дискретными порциями передаваться кристаллической решетке – импульс при этом не сохраняется. Поэтому в случае фононов говорят о квазиимпульсе.
Фононы имеют спин, равный нулю, и являются бозонами, а потому фононный газ подчиняется статистике Бозе–Эйнштейна.
Фононы могут испускаться и поглощаться, но их число не сохраняется постоянным.
Применение
статистики Бозе–Эйнштейна к фононному
газу (газу из независимых бозе–частиц)
привело Дебая к следующему
количественному выводу. При высоких
температурах, которые много больше
характеристической температуры
Дебая (классическая
область), теплоемкость твердых тел
описывается законом Дюлонга и Пти,
согласно которому молярная теплоемкость
химически простых тел в кристаллическом
состоянии одинакова 
и
не зависит от температуры.
При низких
температурах, когда (квантовая
область), теплоемкость пропорциональна
третьей степени термодинамической
температуры: Характеристическая
температура Дебая равна: ,
где –
предельная частота упругих колебаний
кристаллической решетки.
Центральное понятие этой темы - понятие молекулы; сложность его усвоения школьниками связана с тем, что молекула - объект, непосредственно ненаблюдаемый. Поэтому учитель должен убедить десятиклассников в реальности микромира, в возможности его познания. В связи с этим большое внимание уделяют рассмотрению экспериментов, доказывающих существование и движение молекул и позволяющих вычислить их основные характеристики (классические опыты Перрена, Рэлея и Штерна). Кроме этого, целесообразно ознакомить учащихся с расчетными методами определения характеристик молекул. При рассмотрении доказательства существования и движения молекул рассказывают учащимся о наблюдениях Броуном беспорядочного движения мелких взвешенных частиц, которое не прекращалось в течение всего времени наблюдения. В то время не было дано правильного объяснения причины этого движения, и лишь спустя почти 80 лет А. Эйнштейн и М. Смолуховский построили, а Ж. Перрен экспериментально подтвердил теорию броуновского движения. Из рассмотрения опытов Броуна необходимо сделать следующие выводы: а) движение броуновских частиц вызывается ударами молекул вещества, в котором эти частицы взвешены; б) броуновское движение непрерывно и беспорядочно, оно зависит от свойств вещества, в котором частицы взвешены; в) движение броуновских частиц позволяет судить о движении молекул среды, в которой эти частицы находятся; г) броуновское движение доказывает существование молекул, их движение и непрерывный и хаотический характер этого движения. Подтверждение такого характера движения молекул было получено в опыте французского физика Дюнуайе (1911 г.), который показал, что молекулы газа движутся в различных направлениях и в отсутствие соударений их движение прямолинейно. В настоящее время факт существования молекул ни у кого не вызывает сомнения. Развитие техники позволило непосредственно наблюдать крупные молекулы. Рассказ о броуновском движении целесообразно сопровождать демонстрацией модели броуновского движения в вертикальной проекции с помощью проекционного фонаря или кодоскопа, а также показом кинофрагмента «Броуновское движение» из кинофильма «Молекулы и молекулярное движение». Кроме того, полезно провести наблюдение броуновского движения в жидкостях с помощью микроскопа. Препарат изготавливают из смеси равных частей двух растворов: 1%-ного раствора серной кислоты и 2%-ного водного раствора гипосульфита. В результате реакции образуются частицы серы, которые находятся в растворе во взвешенном состоянии. Две капли этой смеси помещают на предметное стекло и наблюдают за поведением частиц серы. Препарат можно изготовить из сильно разбавленного раствора молока в воде или из раствора акварельной краски в воде. При обсуждении вопроса о размерах молекул рассматривают сущность опыта Р. Рэлея, который заключается в следующем: на поверхность воды, налитой в большой сосуд, помещают каплю оливкового масла. Капля растекается по поверхности воды и образует круглую пленку. Рэлей предположил, что, когда капля перестает растекаться, ее толщина становится равной диаметру одной молекулы. Опыты показывают, что молекулы различных веществ имеют разные размеры, но для оценки размеров молекул принимают величину, равную 10 -10 м. В классе можно проделать аналогичный опыт. Для демонстрации расчетного метода определения размеров молекул приводят пример вычисления диаметров молекул различных веществ по их плотностям и постоянной Авогадро. Представить малые размеры молекул школьникам трудно, по этому полезно привести ряд примеров сравнительного характера. Например, если увеличить все размеры во столько раз, чтобы молекула была видна (т. е. до 0,1 мм), то песчинка превратилась бы в стометровую скалу, муравей увеличился бы до размеров океанского корабля, человек обладал бы ростом 1700 км. Число молекул в количестве вещества 1 моль можно определить по результатам опыта с мономолекулярным слоем. Зная диаметр молекулы, можно найти ее объем и объем количества вещества 1 моль, который равен где р - плотность жидкости. Отсюда определяют постоянную Авогадро. Расчетный метод заключается в определении числа молекул в количестве вещества 1 моль по известным значениям молярной массы и массы одной молекулы вещества. Значение постоянной Авогадро, по современным данным, 6,022169*10 23 моль -1 . С расчетным методом определения постоянной Авогадро можно ознакомить учащихся, предложив ее вычислить по значениям молярных масс разных веществ. Следует ознакомить школьников с числом Лошмидта, которое показывает, какое число молекул содержится в единице объема газа при нормальных условиях (оно равно 2,68799*10 -25 м -3). Десятиклассники могут самостоятельно определить число Лошмидта для нескольких газов и показать, что оно во всех случаях одно и то же. Приводя примеры, можно создать у ребят представление о том, насколько большим является число молекул в единице объема. Если в резиновом воздушном шаре сделать прокол настолько тонкий, что через него каждую секунду будет выходить по 1 000 000 молекул, то понадобится примерно 30 млрд. лет, чтобы все молекулы вышли. Один из методов определения массы молекул основан на опыте Перрена, который исходил из того, что капли смолы в воде ведут себя так же, как молекулы в атмосфере. Перрен подсчитывал число капелек в разных слоях эмульсии, выделив с помощью микроскопа слои толщиной 0,0001 см. Высота, на которой таких капелек в два раза меньше, чем у дна, была равна h = 3*10 -5 м. Масса одной капли смолы оказалась равной М = 8,5*10 -18 кг. Если бы наша атмосфера состояла только из молекул кислорода, то на высоте Н=5 км плотность кислорода была бы в два раза меньше, чем у поверхности Земли. Записывают пропорцию m/M=h/H, откуда находят массу молекулы кислорода m=5,1*10 -26 кг. Предлагают учащимся самостоятельно рассчитать массу молекулы водорода, плотность которого в два раза меньше, чем у поверхности Земли, на высоте H=80 км. В настоящее время значения масс молекул уточнены. Например, для кислорода установлено значение 5,31*10 -26 кг, а для водорода - 0,33*10 -26 кг. При обсуждении вопроса о скоростях движения молекул учащихся знакомят с классическим опытом Штерна. При объяснении опыта целесообразно создать его модель с помощью прибора «Вращающийся диск с принадлежностями». На краю диска в вертикальном положении укрепляют несколько спичек, в центре диска - трубку с желобом. Когда диск неподвижен, шарик, опущенный в трубку, скатываясь по желобу, сбивает одну из спичек. Затем диск приводят во вращение с определенной скоростью, зафиксированной по тахометру. Вновь пущенный шарик отклонится от первоначального направления движения (относительно диска) и собьет спичку, находящуюся на некотором расстоянии от первой. Зная это расстояние, радиус диска и скорость шарика на ободе диска, можно определить скорость движения шарика по радиусу. После этого целесообразно рассмотреть сущность опыта Штерна и конструкцию его установки, используя для иллюстрации кинофрагмент «Опыт Штерна». Обсуждая результаты опыта Штерна, обращают внимание на то, что существует определенное распределение молекул по скоростям, о чем свидетельствует наличие у полоски напыленных атомов определенной ширины, причем толщина этой, полоски различна. Кроме того, важно отметить, что молекулы, движущиеся с большой скоростью, оседают ближе к месту напротив щели. Наибольшее число молекул имеет наиболее вероятную скорость. Необходимо сообщить учащимся, что теоретически закон распределения молекул по скоростям был открыт Дж. К. Максвеллом. Распределение молекул по скоростям может быть промоделировано на доске Гальтона. Вопрос о взаимодействии молекул школьники уже изучали в VII классе, в X классе знания по этому вопросу углубляют и расширяют. Необходимо подчеркнуть следующие моменты: а) межмолекулярное взаимодействие имеет электромагнитную природу; б) межмолекулярное взаимодействие характеризуется силами притяжения и отталкивания; в) силы межмолекулярного взаимодействия действуют на расстояниях, не больших 2-3 диаметров молекул, причем на этом расстоянии заметна лишь сила притяжения, силы отталкивания практически равны нулю; г) по мере уменьшения расстояния между молекулами силы взаимодействия увеличиваются, причем сила отталкивания растет быстрее (пропорционально г -9), чем сила притяжения (пропорционально r -7 ). Поэтому при уменьшении расстояния между молекулами сначала преобладает сила притяжения, затем при некотором расстоянии r о сила притяжения равна силе отталкивания и при дальнейшем сближении преобладает сила отталкивания. Все вышесказанное целесообразно проиллюстрировать графиком зависимости от расстояния сначала силы притяжения, силы отталкивания, а затем равнодействующей силы. Полезно построить график потенциальной энергии взаимодействия, который в дальнейшем можно использовать при рассмотрении агрегатных состояний вещества. Внимание десятиклассников обращают на то, что состоянию устойчивого равновесия взаимодействующих частиц соответствует равенство нулю равнодействующей сил взаимодействия и наименьшее значение их взаимной потенциальной энергии. В твердом теле энергия взаимодействия частиц (энергия связи) много больше кинетической энергии их теплового движения, поэтому движение частиц твердого тела представляет собой колебания относительно узлов кристаллической решетки. Если кинетическая энергия теплового движения молекул много больше потенциальной энергии их взаимодействия, то движение молекул полностью беспорядочное и вещество существует в газообразном состоянии. Если кинетическая энергия теплового движения частиц сравнима с потенциальной энергией их взаимодействия, то вещество находится в жидком состоянии.
Иногда под А.в. понимают парциальное давление водяного пара. В этом случае ее измеряют в паскалях (Па).
АБСОЛЮТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА - температура, измеряемая по абсолютной термодинамической шкале, не зависящей от свойств термометрического вещества. Отсчитывается от абсолютного нуля. Единица А.т. в СИ Кельвин (К).
АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ - начало отсчета абсолютной температуры; находится на 273.16 К ниже температуры тройной точки воды, для которой принято значение 0.01 о С. При А.н. прекращается поступательное и вращательное движение атомов и молекул, но они находятся не в покое, а в состоянии "нулевых" колебаний. Из законов термодинамики следует, что А.н. практически недостижим.
АВОГАДРО ЗАКОН - один из основных законов идеальных газов: в равных объемах различных газов при одинаковой температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Открыт в 1811 году итал. физиком А.Авогадро(1776-1856).
АВОГАДРО ПОСТОЯННАЯ (число) - число частиц в единице количества вещества (в 1 моль): N A =6,022 . 10 23 моль -1 .
АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА - состояния одного и того же вещества, отличающиеся характером теплового движения частиц. Обычно различают 3 А.с.в.: газ, жидкость и твердое тело; иногда сюда относят и плазменное состояние. Вещество в любом А.с. существует при определенных внешних условиях (температура, давление), изменение которых приводит к переходу из одного А.с. в другое.
АДИАБАТИЧЕСКИЙ (АДИАБАТНЫЙ) ПРОЦЕСС – модель термодинамического процесса, при котором отсутствует теплообмен между рассматриваемой системой и окружающей средой. Реальный термодинамический процесс может рассматриваться как А., если он происходит либо в теплоизолирующей оболочке, либо настолько быстро, чтобы теплообмен не успел произойти.
Линия, изображающая на любой термодинамической диаграмме равновесный адиабатический процесс. Уравнение а. для идеального газа имеет вид - показатель адиабаты, а с p и с v теплоемкости при постоянном давлении и объеме соответственно.
АМОРФНОЕ СОСТОЯНИЕ - состояние твердого вещества, при котором отсутствует расположения молекул. Поэтому а. вещество обладает изотропией, т.е. имеет одинаковые физические свойства по всем направлениям, и не имеет определенной точки плавления.
АНЕРОИД - барометр-анероид, прибор для измерения атмосферного давления, приемной частью которого служит металлическая коробка, внутри которой создано сильное разряжение. При изменении атм. давления изменяется деформация коробки, которая с помощью связанной с ней пружины и системы рычагов, вызывает поворот стрелки-указателя.
АНИЗОТРОПИЯ - зависимость физических свойств вещества от направления (в противоположность изотропии ). Связана с внутренним упорядоченным строением сред и обнаруживается в явлениях упругости, тепло- и электропроводности, распространения звука и света в твердых телах. Может быть присуща и физическому пространству при наличии электромагнитного, гравитационного и других полей.
АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ - давление, которое оказывает атмосфера Земли на все находящиеся в ней предметы. Определяется весом вышележащего столба воздуха и является наиболее важной величиной, описывающей состояние земной атмосферы. Единицы А.д. в СИ - Па, мм рт.ст. Нормальное А.д. равно 760 мм рт.ст. или 1013 гПа.
БАРОМЕТР - прибор для измерения атмосферного давления. Наиболее часто встречаются деформационные Б., к которым, например, относится Б.-анероид (1844 г., Л.Види). В таком Б. при изменении атмосферного давления прогибается мембрана, закрывающая коробку, из которой откачан воздух, при этом происходит отклонение стрелки, связанной с мембраной через систему рычагов. Действие жидкостного Б. (например, ртутный Б. Э.Торричелли, 1644 г.) основано на уроавновешивании сиалы атмосферного давления весом столба жидкости.
БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК - упорядоченное расположение атомов или молекул в пределах расстояний, близких к межатомным; характерен для аморфных веществ и некоторых жидкостей. (Ср.).
БОЙЛЯ-МАРИОТТА ЗАКОН - один из законов идеального газа: для данной массы данного газа при постоянной температуре произведение давления на объем есть величина постоянная. Формула: pV=const . Описывает изотермический процесс.
Одна из основных физических постоянных, равная отношению универсальной газовой постоянной R к N A .Б.п. .Входит в ряд важнейших соотношений статистической физики: связывает ср. кинетическую энергию частиц и температуру, энтропию физической системы и ее термодинамическую вероятность.
БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ - беспорядочное движение мелких макроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под влиянием теплового движения молекул. Наглядное подтверждение молекулярно-кинетической теории. Открыто Р.Броуном в 1827 г. Объяснено А. Эйнштейном и М. Смолуховским в 1905 г. Теория проверена в опытах Ж. Перрена в 1906-11 г.
ВАКУУМ - состояние заключенного в сосуд газа, имеющего давление значительно ниже атмосферного. В зависимости от соотношения между длиной свободного пробега атомов или молекул и линейным размером сосуда различают сверхвысокий, высокий, средний и низкий вакуум.
ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА – явление наличия в воздухе водяного пара. Описывается физическими величинами абсолютной иотносительной В. , которые измеряются гигрометрами.
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ - энергия тела, зависящая только от его внутреннего состояния; складывается из энергии беспорядочного (теплового) движения атомов, молекул или других частиц и энергии внутриатомных и межмолекулярных движений и взаимодействий. (См.первый закон термодинамики ). В МКТ энергия внутриатомных частиц и их взаимодействий не учитывается.
ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ - один из основных законов термодинамики , согласно которому невозможен периодический процесс единственным результатом которого является совершение работы, эквивалентной количеству теплоты, полученному от нагревателя. Другая формулировка: невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. В.з.т. выражает стремление системы, состоящей из большого количества хаотически движущихся частиц, к самопроизвольному переходу из состояний менее вероятных в состояния более вероятные. Еще один способ формулировки в.з.т: невозможно создание вечного двигателя второго рода.
ГАЗОВАЯ ПОСТОЯННАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ (R) - одна из основных физических постоянных, входящая в уравнение состояния (См. ). R=(8,31441±0,00026) Дж/(моль·К). Физический смысл: работа расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 К.
ГАЗОВЫЙ ТЕРМОМЕТР - прибор для измерения температуры, действие которого основано на зависимости давления или объема газа от температуры.
– один из законов идеального газа : для данной массы данного газа при постоянном давлении отношение объема к абсолютной температуре есть величина постоянная: (или: объем прямо пропорционален абсолютной температуре: , где α – температурный коэффициент давления). Описывает изобарный процесс.
ГИГРОМЕТР – прибор для измеренияабсолютной или относительной влажности воздуха. Г. подразделяют на весовые (для определения абсолютной влажности), конденсационные (для определения точки росы), волосовые (относительная влажность), а также Г. психрометрические или психрометры (относительная влажность).
ГРАДУС ЦЕЛЬСИЯ – внесистемная единица температуры по Международной практической температурной шкале, где температура тройной точки воды равна 0,01 градуса Цельсия, а температура кипения при нормальном атмосферном давлении 100 градусов Цельсия.
ДАЛЬНИЙ ПОРЯДОК – упорядоченное расположение частиц (атомов или молекул) во всем объеме тела; характерен для кристаллических веществ. Ср.ближний порядок.
ДАЛЬТОНА ЗАКОН – один из основных законов идеального газа: давление смеси химически не взаимодействующих газов равно сумме парциальных давлений этих газов.
ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ – несовершенства кристаллического строения, нарушения строгого периодического расположения частиц (атомов, молекул, ионов) в узлах кристаллической решетки. К ним относятся вакансии (точечные дефекты), дислокации (линейные дефекты), объемные дефекты: трещины, поры, раковины и т.д. Оказывают существенное влияние на физические свойства кристаллов.
ДИСЛОКАЦИИ – линейные дефекты кристаллической решетки , нарушающие правильное чередование атомных плоскостей. В двух измерениях имеют размеры порядка размеров атома, а в третьем - могут проходить через весь кристалл.
ДИССОЦИАЦИЯ – процесс распада молекул на более простые части - атомы, группы атомов или ионы. Может происходить при повышении температуры (термическая Д.), в растворе электролитов (электролитическая Д.) и под действием света (фотохимическая Д.).
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ – состояние вещества, в котором обнаруживаются структурные свойства, промежуточные между твердым кристаллом ижидкостью. Образуются в веществах с молекулами продолговатой формы, взаимная ориентация которых обусловливает анизотропию их физических свойств. Применяются в технике, биологии и медицине.
ЖИДКОСТНЫЙ ТЕРМОМЕТР – прибор для измерения температуры, действие которого основано на тепловом расширении жидкости. Ж.т. в зависимости от температурной области заполняют ртутью, этиловым спиртом и др. жидкостями.
ЖИДКОСТЬ – одно из агрегатных состояний вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Ж., как и твердое тело, обладает малой сжимаемостью, большой плотностью и в то же время. подобно газу, характеризуется изменчивостью формы (легко течет). Молекулы ж., как и частицы твердого тела, совершают тепловые колебания, однако их положение равновесия время от времени меняется, что и обеспечивает текучесть жидкости.
ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ – мысленная модель газа, в которой силами взаимодействия между частицами и размерами этих частиц можно пренебречь. Т.е. частицы принимаются за материальные точки, а все взаимодействие сводится к их абсолютно упругим ударам. Разреженные газы при температурах, далеких от температуры конденсации, близки по своим свойствам к И.г. Уравнением состояния служит Клапейрона - Менделеева уравнение .
ИЗОБАРА – линия постоянного давления, изображающая на диаграмме состояния равновесный изобарный процесс.
ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕСС (изобарический) – мысленная модель термодинамического процесса, протекающего при постоянном давлении. Для идеальных газов описывается законом Гей-Люссака.
ИЗОПРОЦЕССЫ – физические процессы, протекающие при постоянстве какого-либо из описывающих состояние системы параметоров (см. изобарный, изотермический, изохорный процесс ).
ИЗОТЕРМА – линия постоянной температуры, изображающая на диаграмме состояния равновесный изотермический процесс.
ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС – модель термодинамического процесса, протекающего при постоянной температуре. Напр., кипение химически однородной жидкости, плавление химически однородного кристалла при постоянном внешнем давлении. Для идеальных газов описывается Бойля-Мариотта законом. Ср.изобарный, изохорный, адиабатный процесс.
ИЗОТРОПИЯ , изотропность – одинаковость физических свойств во всех направлениях. Связано с отсутствием упорядоченного внутреннего строения сред и присуща газам, жидкостям (кроме жидких кристаллов) и аморфным телам. Ср. анизотропия .
ИЗОХОРА - линия постоянного объема, изображающая на диаграмме состояния равновесный изохорный процесс.
ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС , изохорический процесс - термодинамический процесс, происходящий при постоянном объеме системы. Для идеальных газов описывается Шарля законом .
ИСПАРЕНИЕ – процесс парообразования со свободной поверхности жидкости при температуре ниже температуры кипения. И. с поверхности твердых тел называют возгонкой. (Ср. кипение, парообразование ).
КАЛОРИМЕТР - прибор для определения различных калориметрических величин: теплоемкости, теплоты сгорания, теплоты парообразования и т.д.
КАПИЛЛЯР – узкий сосуд с характерным размером поперечного сечения менее 1 мм.
КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ - явления, вызываемые влиянием сил межмолекулярного взаимодействия на равновесие и движение свободной поверхности жидкости, поверхности раздела несмешивающихся жидкостей и границ жидкостей с твердыми телами. Например, поднятие или опускание жидкости в очень тонких трубках () и в пористых средах.
КАРНО ЦИКЛ – мысленная модель обратимого кругового процесса, состоящего из двух изотермических и двух адиабатных процессов. При изотермическом расширении (температура нагревателя T н ) рабочему телу (идеальному газу) сообщается количество теплоты Q н , а при изотермическом сжатии (температура холодильника Т х ) - отводится количество теплоты Q x . Кпд К.ц. не зависит от природы рабочего тела и равен .
КИПЕНИЕ - процесс интенсивного парообразования не только со свободной поверхности жидкости, но и по всему ее объему внутрь образующихся при этом пузырьков пара. Температура К. зависит от природы жидкости и внешнего давления и находится между тройной точкой и критической температурой (см. критическое состояние).
МАЙЕРА УРАВНЕНИЕ - соотношение, устанавливающее связь между молярными теплоемкостями идеального газа при постоянном давлении с p и при постоянном объеме с V : с P =с V + R . где R - .
МАКСВЕЛЛА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ - закон распределения по скоростям молекул идеального газа, находящегося в состоянии термодинамического равновесия.
МАНОМЕТР - прибор для измерения давления жидкостей и газов. Различают М. для измерения абслютного давления, отсчитываемого от нуля, и М. для измерения избыточного давления (разности между абсолютным и атмосферным давлением). Различают жидкостные, поршневые, деформационные и пружинные М. в зависимости от принципа действия.
МЕНИСК - искривленная поверхность жидкости в узкой трубке (капилляре) или между близко расположенными твердыми стенками (см.).
– постоянная для данного материала физическая величина, являющаяся коэффициентом пропорциональности между механическим напряжением и относительным удлинением в Гука законе : . М.Ю. Е равен механическому напряжению, возникающему в деформированном теле при увеличении его длины в 2 раза. Единица измерения в СИ – паскаль.
МОЛЕКУЛА - наименьшая устойчивая частица вещества, обладающая всеми химическими свойствами и состоящая из одинаковых (простое вещество) или разных (сложное вещество) атомов, объединенных химическими связями. Ср. атом.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ МАССА - масса молекулы, выраженная в атомных единицах массы. Ср. молярная масса.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА - раздел физики, изучающий физические свойства тел, особенности агрегатных состояний вещества и процессы фазовых переходов в зависимости от молекулярного строения тел, сил межмолекулярного взаимодействия и характера теплового движения частиц (атомов, ионов, молекул). См. статистическая физика, термодинамика.
МОЛЯРНАЯ МАССА - масса одного моля вещества; скалярная величина, равная отношению массы тела к количеству вещества (числу молей), которое в нем содержится. В СИ м.м. равна молекулярной массе вещества, умноженной на 10 -3 и измеряется в килограммах на моль (кг/моль).
МОНОКРИСТАЛЛЫ - одиночные кристаллы с единой кристаллической решеткой. Образуются в природных условиях или искусственно выращиваются из расплавов, растворов, парообразной или твердой фазы. Ср. поликристаллы.
НАСЫЩЕННЫЙ ПАР - пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкой или твердой фазой. Под динамическим равновесием понимают такое состояние, при котором среднее число молекул, покидающих жидкость (твердое тело), равно среднему числу молекул пара, возвращающихся в жидкость (твердое тело) за то же время.
НЕОБРАТИМЫЙ ПРОЦЕСС - процесс, который может самопроизвольно протекать только в одном направлении. Все реальные процессы являются н.п. и в замкнутых системах сопровождаются возрастанием энтропии. См. , .
НОРМАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ - стандартные физические условия, определяемые давлением P=101325 Па (760 мм рт.ст.) и абсолютной температурой T=273,15 К.
ОБРАТИМЫЙ ПРОЦЕСС – модель процесса, для которого возможен обратный процесс, последовательно повторяющий все промежуточные состояния рассматриваемого процесса. Обратимым является лишь равновесный процесс. Пример - . Ср. .
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ВЛАЖНОСТЬ – физическая величина, равная отношению плотности (упругости) водяного пара, содержащегося в воздухе, к плотности (упругости) насыщенного пара при той же температуре. Выражается в процентах. Ср. абсолютная влажность.
ПАР - вещество в газообразном состоянии в условиях, когда путем сжатия можно добиться равновесия с тем же веществом в жидком или твердом состоянии, т.е. при температурах и давлениях ниже критических (см. критическое состояние). При низких давлениях и высоких температурах свойства пара приближаются к свойствам идеального газа.
ПАРАМЕТР СОСТОЯНИЯ , термодинамический параметр – физическая величина, которая служит в термодинамике для описания состояния системы. Напр., давление, температура, внутренняя энергия, энтропия и т.д. П.с. взаимосвязаны, поэтому равновесное состояние системы можно однозначно определить ограниченным числом параметров (см. уравнение состояния).
ПАРООБРАЗОВАНИЕ – процесс перехода вещества из жидкого или твердого состояния в газообразное. В замкнутом объеме идет до тех пор, пока не образуется насыщенный пар . Различают два вида П.: испарение и кипение .
ПАРЦИАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ - давление газа, входящего в состав газовой смеси, которое он оказывал бы, занимая один весь объем смеси и находясь при температуре смеси. См. .
ПАСКАЛЯ ЗАКОН - основной закон гидростатики :давление, производимое внешними силами на поверхность жидкости или газа, передается одинаково по всем направлениям.
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ - один из основных законов термодинамики, являющийся законом сохранения энергии для термодинамической системы: количество теплоты Q , сообщенное системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы Δ U и совершение системой работы A сист против внешних сил. Формула: Q=ΔU+A сист . На использовании П.з.т. основана работа тепловых машин. Можно сформулировать по-другому: изменение внутренней энергии системы Δ U равно сумме переданного системе количества теплоты Q и работы внешних сил над системой A внеш . Формула: Δ U=Q+A внеш . В указанных формулах A внеш. = - A сист .
ПЛАВЛЕНИЕ – процесс перехода вещества из кристаллического состояния в жидкое. Происходит с поглощением некоторого количества теплоты при температуре плавления, зависящей от природы вещества и давления. См. теплота плавления.
ПЛАЗМА - ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Образуется при электрическом разряде в газах, при нагревании газа до температуры, достаточной для термической ионизации. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзвездная среда.
ПЛАСТИЧНОСТЬ - свойство твердых тел под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные (пластические) деформации. Зависит от рода жидкости и температуры. Может изменяться под действием поверхностноактивных веществ (напр., мыло).
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ – явление, выражающееся в стремлении жидкости к уменьшению площади своей поверхности. Обусловлено межмолекулярным взаимодействием и вызвано образованием поверхностного слоя молекул, энергия которых больше, чем энергия молекул внутри данной жидкости при той же температуре.
Содержание статьи
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ – раздел молекулярной физики, изучающий свойства вещества на основе представлений об их молекулярном строении и определенных законах взаимодействия между атомами (молекулами), из которых состоит вещество. Считается, что частицы вещества находятся в непрерывном, беспорядочном движении и это их движение воспринимается как тепло.
До 19 в. весьма популярной основой учения о тепле была теория теплорода или некоторой жидкой субстанции, перетекающей от одного тела к другому. Нагревание тел объяснялось увеличением, а охлаждение – уменьшением содержащегося внутри них теплорода. Понятие об атомах долго казалось ненужным для теории тепла, однако многие ученые уже тогда интуитивно связывали тепло с движением молекул. Так, в частности, думал русский ученый М.В.Ломоносов . Прошло немало времени, прежде чем молекулярно-кинетическая теория окончательно победила в сознании ученых и стала неотъемлемым достоянием физики.
Многие явления в газах, жидкостях и твердых телах находят в рамках молекулярно-кинетической теории простое и убедительное объяснение. Так давление , оказываемое газом на стенки сосуда, в котором он заключен, рассматривается как суммарный результат многочисленных соударений быстро движущихся молекул со стенкой, в результате которых они передают стенке свой импульс. (Напомним, что именно изменение импульса в единицу времени приводит по законам механики к появлению силы, а сила, отнесенная к единице поверхности стенки, и есть давление). Кинетическая энергия движения частиц, усредненная по их огромному числу, определяет то, что принято называть температурой вещества.
Истоки атомистической идеи, т.е. представления о том, что все тела в природе состоят из мельчайших неделимых частиц-атомов, восходят еще к древнегреческим философам – Левкиппу и Демокриту. Более двух тысяч лет назад Демокрит писал: «…атомы бесчисленны по величине и по множеству, носятся же они во вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля». Решающий вклад в развитие молекулярно-кинетической теории был внесен во второй половине 19 в. трудами замечательных ученых Дж.К.Максвелла и Л.Больцмана , которые заложили основы статистического (вероятностного) описания свойств веществ (главным образом, газов), состоящих из огромного числа хаотически движущихся молекул. Статистический подход был обобщен (по отношению к любым состояниям вещества) в начале 20 в. в трудах американского ученого Дж.Гиббса , который считается одним из основоположников статистической механики или статистической физики. Наконец, в первые десятилетия 20 в. физики поняли, что поведение атомов и молекул подчиняется законам не классической, а квантовой механики. Это дало мощный импульс развитию статистической физики и позволило описать целый ряд физических явлений, которые ранее не поддавались объяснению в рамках обычных представлений классической механики.
Молекулярно-кинетическая теория газов.
Каждая молекула, летящая к стенке, при столкновении с ней передает стенке свой импульс. Поскольку скорость молекулы при упругом столкновении со стенкой меняется от величины v до –v , величина передаваемого импульса равна 2mv . Сила, действующая на поверхность стенки D S за время D t , определяется величиной полного импульса, передаваемого всеми молекулами достигнувшим стенки за этот промежуток времени, т.е. F = 2mv n c D S /D t , где n c определено выражением (1). Для величины давления p = F /D S в этом случае находим: p = (1/3)nmv 2.
Для получения окончательного результата можно отказаться от предположения об одинаковой скорости молекул, выделив независимые группы молекул, каждая из которых имеет свою приблизительно одинаковую скорость. Тогда средняя величина давления находится усреднением квадрата скорости по всем группам молекул или
Это выражение можно представить также в виде
Этой формуле удобно придать другой вид, умножив числитель и знаменатель под знаком квадратного корня на число Авогадро
N a = 6,023·10 23 .
Здесь M = mN A – атомная или молекулярная масса, величина R = kN A = 8,318·10 7 эрг называется газовой постоянной.
Средняя скорость молекул в газе даже при умеренных температурах оказывается очень большой. Так, для молекул водорода (H 2) при комнатной температуре (T = 293K) эта скорость равна около 1900 м/c , для молекул азота в воздухе – порядка 500 м/с. Скорость звука в воздухе при тех же условиях равна 340 м/с.
Учитывая, что n = N /V , где V – объем, занимаемый газом, N – полное число молекул в этом объеме, легко получить следствия из (5) в виде известных газовых законов. Для этого полное число молекул представляется в виде N = vN A , где v – число молей газа, и уравнение (5) принимает вид
(8) pV = vRT ,
которое носит название уравнения Клапейрона – Менделеева.
При условии T = const давление газа меняется обратно пропорционально занимаемому им объему (закон Бойля – Мариотта).
В замкнутом сосуде фиксированного объема V = const давление меняется прямо пропорционально изменению абсолютной температуры газа Т . Если газ находится в условиях, когда постоянным сохраняется его давление p = const, но изменяется температура (такие условия можно осуществить, например, если поместить газ в цилиндр, закрытый подвижным поршнем), то объем, занимаемый газом, будет меняться пропорционально изменению его температуры (закон Гей-Люссака).
Пусть в сосуде есть смесь газов, т.е. имеются несколько разных сортов молекул. В этом случае величина импульса, передаваемого стенке молекулами каждого сорта, не зависит от наличия молекул других сортов. Отсюда следует, что давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений, которые создавал бы каждый газ в отдельности, если бы занимал весь объем. В этом состоит еще один из газовых законов – известный закон Дальтона .
Длина свободного пробега молекул. Одним из первых, кто еще в 1850-х дал разумные оценки величины средней тепловой скорости молекул различных газов, был австрийский физик Клаузиус. Полученные им непривычно большие значения этих скоростей сразу же вызвали возражения. Если скорости молекул действительно так велики, то запах любого пахучего вещества должен был бы практически мгновенно распространяться из одного конца замкнутого помещения в другой. На самом деле распространение запаха происходит очень медленно и осуществляется, как теперь известно, посредством процесса так называемой диффузии в газе. Клаузиус, а затем и другие исследователи, сумели дать убедительное объяснение этому и другим процессам переноса в газе (таким как теплопроводность и вязкость) с помощью понятия средней длины свободного пробега молекул, т.е. среднего расстояния, которое пролетает молекула от одного столкновения до другого.
Каждая молекула в газе испытывает очень большое число столкновений с другими молекулами. В промежутке между столкновениями молекулы движутся практически прямолинейно, испытывая резкие изменения скорости лишь в момент самого столкновения. Естественно, что длины прямолинейных участков на пути молекулы могут быть различными, поэтому имеет смысл говорить лишь о некоторой средней длине свободного пробега молекул.
За время D t молекула проходит сложный зигзагообразный путь, равный v D t . Изломов траектории на этом пути столько, сколько произошло столкновений. Пусть Z означает число столкновений, которое испытывает молекула в единицу времени Средняя длина свободного пробега равна тогда отношению длины пути N 2, например, a » 2,0·10 –10 м. В таблице 1 приведены рассчитанные по формуле (10) значения l 0 в мкм (1мкм = 10 –6 м) для некоторых газов при нормальных условиях (p = 1атм, T =273K). Эти значения оказываются примерно в 100–300 раз больше собственного диаметра молекул.