История открытия мкт кратко

Обновлено: 05.07.2024

Молекулярно-кинетической теорией называется раздел молекулярной физики, который изучает вещества с точки зрения закономерностей поведения их атомов и молекулярного строения.

Данная теория полагает, что все мельчайшие частички тела постоянно хаотично перемещаются, тем самым вырабатывая тепло.

История возникновения молекулярно-кинетической теории

Вплоть до конца XVIII века считалось, что теплота перемещается от объекта к объекту при помощи некой жидкой субстанции – теплороды, ее поведение изучалось теорией теплороды. Таким образом, процессы нагревания и охлаждения тела объяснялись увеличением или уменьшением теплороды внутри вещества. В теории тепла понятие атома считалось ненужным, но тем не менее, часть ученых уже в то время связывали нагревание тела с перемещением его мельчайших частичек. Среди первых таких ученых был Ломоносов. Но понадобилось некоторое время, чтобы молекулярно-кинетическая теория стала преобладать над устаревшими взглядами многих ученых.

Большинство явлений, происходящих в веществах во всех трех их агрегатных состояниях, объясняются понятиями молекулярно-кинетической теории. К примеру, быстро перемещающиеся частички газа, ударяясь о стенки сосуда, сообщают им импульс, сумма таких импульсов являет собой давление газа на стенки сосуда.

Следует напомнить, что согласно законам механики, сила прямо пропорциональна импульсу тела, а сила, что воздействует на стенку сосуда, называется давлением.

Температура тела зависит от кинетической энергии перемещения его частичек.

Первыми, кто представил миру атомистические положения о структуре вещества, были Демокрит и Левкипп, мыслители Древней Греции. Демокрит выражался по поводу атомов, что они существуют в бесчисленном количестве и вращаются во Вселенной, рождая стихии огня, воды, воздуха и земли. Также значительную роль в становлении молекулярно-кинетической теории сыграли Дж. К. Максвелл и Л. Больцман. В их работах заложена база статических характеристик вещества, состоящего из бесчисленного множества молекул, постоянно пребывающих в хаотичном движении. Этот подход был более подробно изучен в начале XX века в работах Дж. Гиббса, что по праву признан одним из основателей статической физики. Лишь в этот период развития науки ученые пришли к мнению, что характер молекул и атомов нужно описывать положениями не классической, а квантовой механики. Именно это дало толчок в становлении статической физики и дало возможность объяснить явления, которые до этого не получалось истолковать понятиями классической механики.

Благодаря молекулярно-кинетической теории стали понятными и объяснимыми многие явления, например, диффузия, вязкость и теплопроводность.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Молекулярно-кинетическая теория газов

Газ является одним из агрегатных состояний вещества. Идеальным считается такой газ, молекулы которого перемещаются хаотично и не пересекаются между собой.

В молекулярно-кинетической теории существует ряд законов, описывающих различные процессы в идеальном газе:

  • уравнение Менделеева-Клапейрона;
  • закон Авогадро;
  • закон Бойля-Мариотта;
  • закон Гей-Люссака.

Наглядным примером использования молекулярно-кинетической теории есть выведение формулы для расчета давления газа. Сначала определяют среднее число ударов молекул о стенки сосуда в единицу времени. В газе условно изображают оси системы координат Декарта.

Допустим, в сосуде находится количество молекул \(N\) , так как их очень много, можно считать, что параллельно каждой из осей будет перемещаться \(\) молекул. В направлении, перпендикулярном стенке сосуда, параллельно каждой из осей будет перемещаться около \(\) молекул. Допустим, что на стенках сосуда существует некоторый плоский элемент \(DS\) . Для упрощения представим, что скорость всех молекул равна одной величине \(V\) . В таком случае за некоторое время \(Dt\) к стенке \(DS\) прилетят все молекулы, что перемещаются в ее сторону и находятся в сосуде.

Если концентрация молекул, что наполняют заданный объем равняется \(n=\) , то количество долетевших и столкнувшихся со стенкой молекул рассчитается по формуле:

Каждая частичка, столкнувшаяся со стенкой, передаст ей свой импульс. Так как при упругом столкновении скорость молекулы изменится в противоположную сторону, от значения \(v\) до \(–v\) , она будет равна \(2mv.\)

Сила действия на стенки сосуда \(DS\) за некоторое время \(Dt\) будет равняться полному импульсу, который передастся от всех молекул, ударившихся о стенку сосуда за некоторый промежуток времени. Формула для расчета этой силы выглядит так:

Давление рассчитывается по такой формуле:

Путем несложных преобразований получаем:

Для более точного расчета откажемся от допущения об одинаковой скорости всех молекул, и разобьём их на несколько групп, в каждой из которых будут молекулы с близкой по значению скоростью перемещения. В таком случае среднее значение давления рассчитается по такой формуле:

Эту формулу можно записать в таком виде:

где \(E_k = m(v^2)\) – средняя кинетическая энергия молекул.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Тепло перемещается от горячего вещества к холодному, то есть температура соприкоснувшихся тел усредняется. Такое явление называют тепловым равновесием. Тепло воспринимают как энергетическую форму, то есть – кинетическую энергию молекул. Данная величина есть мерилом температуры, она усредняется большущим числом хаотично перемещающихся частичек.

Данное положение относится ко всем агрегатным состояниям вещества. Молекулы охлажденного тела перемещаются медленнее, чем нагретого. При соприкосновении двух тел с разной температурой, скорость перемещения частичек в одном уменьшается, а в другом увеличивается, данный процесс сопровождается выравниванием средней кинетической энергии, которая в итоге становится равной у двух тел. При этом говорят, что система двух тел достигает теплового равновесия.

Так как величина температуры тела и кинетической энергией молекул тесно связаны, то единицей измерения являются энергетические единицы – джоуль или эрг. Поскольку энергия теплового перемещения молекул сравнительно маленькая, то использование эрга не целесообразно. В молекулярной физике все же используют градус. А если температура задана в Кельвинах, то ее связь с кинетической энергией описывается такой формулой:

где \(k \) – коэффициент перехода, что определяет часть эрга в градусе. Эта величина названа Больцманом.

Уравнение молекулярно-кинетической теории

Разберем упрощенное выведение данного уравнения.

Допустим есть частички газа с массой \(m_0\) в количестве \(N\) , которые размещены в сосуде формы куба. Поскольку они движутся хаотично, то вероятность их перемещения в каждом из шести направлений системы координат Декарта одинакова. Поэтому число молекул, перемещающихся в каждом из шести направлений, равняется \( \) штук.

Допустим, что все молекулы перемещаются с равной скоростью \(v\) . В таком случае каждая молекула, сталкивающаяся со стенкой сосуда, сообщит ей импульс \(δp=2m_0 v\) .

Принимая площадь стенки \(S\) , а концентрацию n, количество частичек, сталкивающихся со стенкой сосуда за время \(δt\) , определится по формуле:

Так как \(p= ,\) а \(F= <δp\over δt>N,\) – суммарная сила воздействия молекул на стенки сосуда, то путем несложных преобразований получим \(p= ,\) поскольку \(E_k= <1\over 2>mv^2,\) то \(p= <2\over 3>kT.\)

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.

Молекулярно-кинетическая теория газов.

Газовое состояние (см. ГАЗ) – одно из тех состояний вещества, описание которого на основе методов молекулярно-кинетической теории уже с самого начала ее развития дало наиболее полные и ощутимые результаты. В первую очередь это относится к так называемому идеальному газу, молекулы которого большую часть времени проводят в состоянии свободного хаотического движения, резко меняя свою скорость лишь в моменты кратковременных столкновений. Молекулярно-кинетическая теория успешно объясняет все известные экспериментальные законы идеального газа (закон Бойля – Мариотта, закон Гей-Люссака, закон Авогадро и формулируемое на их основе уравнение состояния Менделеева – Клапейрона). На базе этой теории получили свое полное объяснение процессы переноса в газах: диффузия, вязкость и теплопроводность.

Давление газа.

В качестве одного из примеров применения молекулярно-кинетической теории можно рассмотреть вывод выражения для давления газа. Сначала определяется среднее число столкновений молекул, происходящих за единицу времени с поверхностью стенки сосуда. В газе выделяются три взаимно перпендикулярных оси, соответствующие декартовой системе координат. Если в сосуде содержится N молекул, то из-за огромного их числа логично предположить, что в любой момент времени вдоль каждого из направлений будут двигаться примерно N/3 молекул. Очевидно, что в направлении самой стенки сосуда перпендикулярно к ней будет в среднем двигаться 1/6 часть всех молекул.

Пусть есть плоский элемент поверхности на стенке сосуда D S. Предполагается, для простоты, что все молекулы движутся с одинаковой скоростью v. Тогда за время D t до элемента стенки D S долетят все движущиеся по направлению к нему молекулы, которые заключены в объеме цилиндра с основанием D S и высотой v D t (рис. 1).

Если n = N/V – число молекул в единице объема, то число молекул, долетевших до стенки и ударившихся об нее, равно D v = (n/6)v D S D t. Соответственно, число ударов молекул об единичную площадку в единицу времени оказывается равным

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)nmv2.

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

где – средняя кинетическая энергия молекул газа (в расчете на одну молекулу).

Тепловое равновесие, понятие температуры. Известно, что тепло всегда перетекает от горячего тела к холодному, т.е. температура соприкасающихся тел стремится выравняться. Это явление характеризуют как переход системы в состояние теплового равновесия. Понятие температуры является не столь очевидным, как многие привычные понятия механики: масса, сила, энергия и т.д. Температура связана с весьма неопределенным понятием теплоты и холода, которые располагаются в сознании человека где-то рядом с запахом и вкусом. Одно из главных достижений молекулярно-кинетической теории состоит в том, что теплота рассматривается просто как одна из форм энергии, а именно – кинетическая энергия атомов и молекул. Эта величина, усредненная по огромному числу беспорядочно движущихся частиц, и оказывается мерилом того, что называется температурой тела. Такое представление распространяется на все вещества – твердые, жидкие и газообразные. Частицы нагретого тела движутся быстрее, чем холодного. Если два тела, имеющие первоначально разные температуры, входят в соприкосновение друг с другом, движение частиц в одном из них замедляется, в другом наоборот ускоряется: средняя кинетическая энергия частиц становится везде одинаковой. Это и означает, что система в целом приходит в состояние полного теплового равновесия.

Поскольку понятие температуры тесно связано с усредненной кинетической энергией молекул, было бы естественным и в качестве единиц ее измерения использовать энергетические единицы (например, эрг или джоуль). Однако, энергия теплового движения частиц фактически очень мала по сравнению с эргом (не говоря уже о джоуле), поэтому использование этой величины оказывается неудобным. В молекулярной физике пользуются практически удобной условной единицей измерения температуры – градусом, который определяется таким образом, что интервал температур между точками кипения и замерзания воды при атмосферном давлении полагается равным 100 градусам.

Если температура T измеряется в градусах Кельвина (К), то связь ее со средней кинетической энергией молекул имеет вид

где k = 1,38·10 –16 эрг/K – переводный коэффициент, определяющий, какая часть эрга содержится в градусе. Величина k называется постоянной Больцмана (она была введена Планком в 1899).

Уравнение состояния. Газовые законы.

Подстановка соотношений (4) в (3), приводит к известному уравнению состояния идеального газа

(5) p = nkT

Из соотношений (2) и (5) следует также выражение для средне-квадратичной скорости молекул

Этой формуле удобно придать другой вид, умножив числитель и знаменатель под знаком квадратного корня на число Авогадро

Здесь M = mNA – атомная или молекулярная масса, величина R = kNA = 8,318·10 7 эрг называется газовой постоянной.

Средняя скорость молекул в газе даже при умеренных температурах оказывается очень большой. Так, для молекул водорода (H2) 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 = vNA, 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 к полному числу столкновений Z D t, испытанных молекулой на этом пути,

Для оценки величины Z принимается, что молекулы представляют собой твердые упругие шарики радиуса a, которые равномерно распределены в объеме газа с плотностью n. Сначала предполагается, что молекула движется в среде, где все остальные молекулы неподвижны. Можно видеть, что молекула пролетает мимо другой молекулы, не испытав столкновения с ней, если расстояние между центрами молекул превышает 2a. Следовательно, за время t, равное 1c, молекула взаимодействует только с теми партнерами по столкновению, центры которых расположены в объеме цилиндра длиной и с площадью основания s = 4p a2 (рис.2). На самом деле, после каждого столкновения направление движения молекулы меняется, и нужно рассматривать ее движение в цилиндре, составленном как бы из отдельных колен, однако смысл рассуждений не меняется, если считать этот коленчатый цилиндр выпрямленным.

Величину s называют эффективным поперечным сечением столкновений молекул. Число молекул в объеме цилиндра равно n s . Таким же будет число столкновений, т.е. Z = n s . Используя (9), находим

На самом деле, конечно, в газе одновременно находятся в движении все молекулы, поэтому в выражение для Z должна входить средняя скорость относительного движения молекул, так что Z = n отн. s . Более точный расчет, проведенный впервые Максвеллом, показывает, что . В результате получается известная в элементарной кинетической теории формула

Молекулярно-кинетическая теория (сокращённо МКТ) — теория XIX века, рассматривавшая 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.

Основными доказательствами этих положений считались:

Содержание

История теории

Первым опровержением теории послужила теория М. В. Ломоносова [1] [2] . Ломоносов опытным путём опроверг теории о теплороде и флогистоне, подготовив тем самым, молекулярно-кинетическую теорию XIX века Рудольфа Клаузиуса, Людвига Больцмана и Джеймса Максвелла.

Основное уравнение МКТ

Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье.
На странице обсуждения должны быть пояснения.

, где k является постоянной Больцмана (отношение универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро NA), i — число степеней свободы молекул ( в большинстве задач про идеальные газы, где молекулы предполагаются сферами малого радиуса, физическим аналогом которых могут служить инертные газы), а T - абсолютная температура.

Основное уравнение МКТ связывает макроскопические параметры (давление, объём, температура) газовой системы с микроскопическими (масса молекул, средняя скорость их движения).

Вывод основного уравнения МКТ

Пусть имеется кубический сосуд с ребром длиной и одна частица массой в нём.

Обозначим скорость движения , тогда перед столкновением со стенкой сосуда импульс частицы равен , а после — , поэтому стенке передается импульс . Время, через которое частица сталкивается с одной и той же стенкой, равно " width="" height="" />
.

F_x = \frac<p> = \frac

Так как давление " width="" height="" />
, следовательно сила

p_xS = \frac<mv_x^2></p> <p>Подставив, получим:

p_x = \frac<mv_x^2></p> <p>Преобразовав:

V=Sl

Так как рассматривается кубический сосуд, то

p_x = \frac<mv_x^2></p> <p>
.

Соответственно, " width="" height="" />
и " width="" height="" />
.

P_x = N\frac<m\bar<v_x^2></p> <p>Таким образом, для большого числа частиц верно следующее: >
, аналогично для осей y и z.

Поскольку , то = \bar = \bar = \frac\bar" width="" height="" />
. Это следует из того, что все направления движения молекул в хаотичной среде равновероятны.

P_x = P_y = P_z = P = \frac<Nm\bar<v^2></p> <p>Отсюда >

PV = \frac<N></p> <p>или m\bar
.

\,E_k

Пусть — среднее значение кинетической энергии всех молекул, тогда:

NE_k = RT" width="" height="" />
, откуда, используя то, что =\frac" width="" height="" />
, а , имеем = \frackT" width="" height="" />
.

Уравнение среднеквадратичной скорости молекулы

Уравнение среднеквадратичной скорости молекулы легко выводится из основного уравнения МКТ для одного моля газа.

E_k = \frac<1></p> <p>m\bar = \frackT
,

, где — молярная масса газа

\bar<v></p> <p> = \sqrt>

См. также

Примечания

  1. ↑ Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии. От древнейших времен до начала XIX в. — М.: Наука, 1969
  2. ↑ Михаил Васильевич Ломоносов. Избранные произведения в 2-х томах. М.: Наука. 1986

Литература

  • Кинетическая теория газов // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
  • Гиршфельд Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М., 1961 Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л., 1975 Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М., 1976
  • Переработать оформление в соответствии с правилами написания статей.
  • Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.
  • Статистическая физика
  • Михаил Васильевич Ломоносов

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Молекулярно-кинетическая теория" в других словарях:

Молекулярно кинетическая теория — (сокращённо МКТ) теория, рассматривающая строение вещества с точки зрения трёх основных приближенно верных положений: все тела состоят из частиц, размером которых можно пренебречь: атомов, молекул и ионов; частицы находятся в непрерывном… … Википедия

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ — раздел молекулярной физики, рассматривающий многие свойства веществ исходя из представлений о быстром хаотическом движении огромного числа атомов и молекул, из которых эти вещества состоят. Молекулярно кинетическая теория концентрирует внимание… … Энциклопедия Кольера

молекулярно-кинетическая теория — molekulinė kinetinė teorija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. molecular kinetic theory vok. molekularkinetische Theorie, f rus. молекулярно кинетическая теория, f pranc. théorie cinétique des molécules, f … Fizikos terminų žodynas

Соотношение Эйнштейна (молекулярно-кинетическая теория) — В физике (главным образом в молекулярно кинетической теории) соотношением Эйнштейна (также называемое соотношением Эйнштейна Смолуховского) называется выражение, связывающее подвижность молекулы (молекулярный параметр) с коэффициентом диффузии и… … Википедия

Кинетическая теория газов — Молекулярно кинетическая теория (сокращённо МКТ) теория, рассматривающая строение вещества с точки зрения трёх основных приближенно верных положений: все тела состоят из частиц, размером которых можно пренебречь: атомов, молекул и ионов; частицы… … Википедия

КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ — (молекулярно кинетическая теория), физическая теория о силах, действующих между частицами, и энергии, которой они обладают. Простейшая форма кинетической энергии основана на следующих принципах: вещество состоит из мельчайших частиц; они… … Научно-технический энциклопедический словарь

Кинетическая теория газов — раздел физики, изучающий явления в газах статистическими методами, рассматривающий газ как совокупность молекул, заданным образом взаимодействующих между собой, с внешними полями и ограничивающими поверхностями. К. т. г. изучает неравновесные… … Энциклопедия техники

кинетическая теория газов — объясняет неравновесные свойства газов (явления переноса энергии, массы, импульса) на основе законов движения и взаимодействия молекул. * * * КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ, раздел физики, изучающий свойства газов методами… … Энциклопедический словарь

Термодинамические свойства газа зависят от средней скорости движения атомов или молекул, из которых он состоит.

Во второй половине XIX века столь простая внешне картина атомно-молекулярной структуры газов усилиями ряда физиков-теоретиков развилась в мощную и достаточно универсальную теорию. В основу новой теории легла идея о связи измеримых макроскопических показателей состояния газа (температуры, давления и объема) с микроскопическими характеристиками — числом, массой и скоростью движения молекул. Поскольку молекулы постоянно находятся в движении и, как следствие, обладают кинетической энергией, эта теория и получила название молекулярно-кинетической теории газов.

Возьмем, к примеру, давление. В любой момент времени молекулы ударяются о стенки сосуда и при каждом ударе передают им определенный импульс силы, который сам по себе крайне мал, однако суммарное воздействие миллионов молекул производит к значительному силовому воздействию на стенки, которое и воспринимается нами как давление. Например, накачивая автомобильное колесо, вы перегоняете молекулы атмосферного воздуха внутрь замкнутого объема шины дополнительно к числу молекул, уже находящихся внутри нее; в результате концентрация молекул внутри шины оказывается выше, чем снаружи, они чаще ударяются о стенки, давление внутри шины оказывается выше атмосферного, и шина становится накачанной и упругой.

Смысл теории состоит в том, что по среднему свободному пути молекул мы можем рассчитать частоту их столкновений со стенками сосуда. То есть, располагая информацией о скорости движения молекул, можно рассчитать характеристики газа, поддающиеся непосредственному измерению. Иными словами, молекулярно-кинетическая теория дает нам прямую связь между миром молекул и атомов и осязаемым макромиром.

То же самое касается и понимания температуры в рамках этой теории. Чем выше температура, тем больше средняя скорость молекул газа. Эта взаимосвязь описывается следующим уравнением:

1/2mv 2 = kT

где m — масса одной молекулы газа, v — средняя скорость теплового движения молекул, Т — температура газа (в Кельвинах), а k — постоянная Больцмана. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории определяет прямую связь между молекулярными характеристиками газа (слева) и измеримыми макроскопическими характеристиками (справа). Температура газа прямо пропорциональна квадрату средней скорости движения молекул.

Молекулярно-кинетическая теория также дает достаточно определенный ответ на вопрос об отклонениях скоростей отдельных молекул от среднего значения. Каждое столкновение между молекулами газа приводит к перераспределению энергии между ними: слишком быстрые молекулы замедляются, слишком медленные — ускоряются, что и приводит к усреднению. В любой момент в газе происходят несчетные миллионы таких столкновений. Тем не менее выяснилось, что при заданной температуре газа, находящегося в стабильном состоянии, среднее число молекул, обладающих определенной скоростью v или энергией Е , не меняется. Происходит это потому, что со статистической точки зрения вероятность того, что молекула с энергией Е изменит свою энергию и перейдет в близкое энергетическое состояние, равна вероятности того, что другая молекула, наоборот, перейдет в состояние с энергией Е. Таким образом, хотя каждая отдельно взятая молекула обладает энергией Е лишь эпизодически, среднее число молекул с энергией Е остается неизменным. (Аналогичную ситуацию мы наблюдаем в человеческом обществе. Никто не остается семнадцатилетним дольше одного года — и слава Богу! — однако в среднем процент семнадцатилетних в стабильном человеческом сообществе остается практически неизменным.)

Эта идея усредненного распределения молекул по скоростям и ее строгая формулировка принадлежит Джеймсу Кларку Максвеллу — этому же выдающемуся теоретику принадлежит и строгое описание электромагнитных полей (см. Уравнения Максвелла). Именно он вывел распределение молекул по скоростям при заданной температуре (см. рисунок). Больше всего молекул пребывают в энергетическом состоянии, соответствующем пику распределения Максвелла и средней скорости, однако, фактически, скорости молекул варьируются в достаточно больших пределах.


Одним из видов энергии в природе является внутренняя тепловая энергия. Природа этой энергии изучается в рамках теории, которая называется молекулярно-кинетической (МКТ). Познакомимся с основными положениями молекулярно-кинетической теории.

Возникновение молекулярно-кинетической теории

Первые представления о том, что тепло — это движение мельчайших неделимых частиц вещества, высказывались еще в античности. В учении Левкиппа и Демокрита движение атомов являлось причиной всего сущего.

Античный атомизм

Рис. 1. Античный атомизм.

Однако античные взгляды были в основном умозрительны и не основывались на исследованиях и опытах. Первые научные эксперименты, послужившие основой будущей теории, были проведены в начале эпохи Возрождения, а окончательную научную форму МКТ начала принимать лишь в XVIII в.

Однако результаты исследований Г. Кавендиша, А. Лавуазье, М. Ломоносова полностью опровергли теорию флогистона и положили начало молекулярной теории тепла. Согласно М. Ломоносову, все вещества состоят из мельчайших частиц-молекул, а тепло — это вращательное движение этих частиц.

В конце концов, в результате исследований строения вещества основные положения молекулярно-кинетической теории приняли современный вид. Эти положения гласят:

  • вещество состоит из мельчайших частиц-молекул;
  • молекулы находятся в хаотическом движении;
  • тепловые явления — это результат взаимодействия молекул.

Доказательства положений МКТ

Первоначально опытные обоснования утверждений МКТ были косвенными. Например, конечность растекания масла по поверхности воды говорит о том, что можно оценить размер молекул, зная объем капли масла и площадь максимального растекания.

Диффузные явления (самопроизвольное смешивание газов и жидкостей) также можно объяснить лишь тем, что частицы вещества находятся в постоянном движении, и это движение связано с температурой, поскольку диффузия при увеличении температуры ускоряется.

Наконец, был открыт закон постоянных отношений Д. Дальтона, который говорит, что отношения масс элементов, участвующих в химических реакциях, всегда имеют целые значения. Его также можно объяснить, только если предположить, что вещества состоят из молекул, каждая из которых имеет строго определенное количество атомов элементов.

Но прямое доказательство положений МКТ было получено в 1827 г. английским ботаником Р. Броуном. Он наблюдал под микроскопом взвесь пыльцы растений и обнаружил, что частицы находятся в постоянном хаотическом движении, зависящем от температуры.

Броуновское движение доказывает сразу все три положения МКТ. Движение броуновских частиц возможно, только если предположить, что они окружены мельчайшими частицами жидкости, которые способны двигаться и взаимодействовать, передавая механический импульс броуновским частицам и друг другу. При этом, поскольку интенсивность броуновского движения увеличивается с температурой, то скорость молекул также зависит от температуры, и ее можно оценить, используя специальные формулы.


Рис. 3. Броуновское движение.

Что мы узнали?

Основные положения молекулярно-кинетической теории гласят: все вещества состоит из мельчайших частиц-молекул, которые находятся в постоянном хаотичном движении и при этом взаимодействуют друг с другом. Все тепловые явления — это результат такого взаимодействия. Главным доказательством этого является броуновское движение.

Читайте также: