Надо Знать

добавить знаний



Кинетическая теория



План:


Введение

Иллюстрация теплового движения.

Кинетическая теория или молекулярно-кинетическая теория - физическая теория, объясняющая термодинамические явления, исходя из атомистських представлений. Теория постулирует, что тепло является следствием хаотического движения чрезвычайно большого количества микроскопических частиц ( атомов и молекул). Успешное объяснение многих законов термодинамики, исходя из положений кинетической теории, стало одним из факторов на пути к подтверждению атомарного строения веществ в природе. В современной физике молекулярно-кинетическая теория рассматривается как составная часть статистической механики.


1. История

В 1738 Даниэль Бернулли опубликовал книгу Гидродинамика, в которой высказал идею, что газ состоит из большого числа молекул, хаотично движутся во всех направлениях, а столкновение этих молекул с поверхностью вызывает давление. Тепло, которое мы испытываем, по мнению Бернулли обусловлено движением частиц. Теория Бернулли не утвердилась, поскольку в то время еще не был открыт многих законов механики, в частности закона сохранения энергии, а также понятие энергии сложилось гораздо позже.

Другими пионерами кинетической теории были Михаил Ломоносов, Жорж-Луи Ле Саж, Джон Герапат, Джон Джеймс Вотерстон. Простую последовательную кинетическую теорию газа создал в 1856 Август Кренига. В 1857 Рудольф Клаузиус независимо построил сложную теорию, которая учитывала не только поступательное, но и вращательное и колебательное движение молекул. Он ввел понятие длины свободного пробега частицы.

В 1859 Джеймс Клерк Максвелл получил распределение молекул по скоростям, который стали называть распределением Максвелла. В 1871 году Людвиг Больцман обобщил это распределение на случай частиц во внешнем поле, получив распределение Больцмана-Максвелла. Больцман сделал также основной вклад в формулировку статистической механики, постулируя логарифмическую зависимость между энтропией и числом микроскопических состояний термодинамической системы.

Однако еще до начала 20 в. существование атомов рассматривался физическим спивтоваристовом только как гипотеза. Важным поворотным пунктом стало построение теории броуновского движения Альбертом Эйнштейном и Марьяном Смолуховским.


2. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории

Молекулярно-кинетическая теория исходит из того, что вещество, в частности газ состоит из большого количества микроскопических частиц (молекул), которые движутся хаотически. Частицы сталкиваются между собой и со стенками сосуда, создавая на эти стенки давление. Все столкновения считаются упругими, т.е. проходят без потери энергии. Средняя кинетическая энергия движения частиц зависит от температуры.

Средняя кинетическая энергия движения молекулы

\ Bar {E} = \ frac {1} {2} m \ bar {v ^ 2} = \ frac {3} {2} k_B T ,

где m - масса частицы, v - ее скорость, k_B - Постоянная Больцмана, T - температура.

Средняя скорость частиц в газе равна

\ Bar {v} = \ sqrt {\ bar {v ^ 2}} = \ sqrt {\ frac {3k_B T} {m}} = \ sqrt {\ frac {3R T} {M}} ,

где R - газовая постоянная, M - молярная масса.

Давление газа на стенки сосуда определяется из того соображения, что при упругом отражении частицы от стенки, изменение ее импульса равна 2 m v_x , Где v_x - Перпендикулярна к стенке составляющая скорости. Подсчитав передан за время \ Delta t импульс, и приравняв его к импульса силы для давления получаем

P = \ frac {F} {S} = nm \ bar {v_x ^ 2} = \ frac {1} {3} nm \ bar {v ^ 2} ,

где n - количество частиц в единичном объеме.


3. Основное положение молекулярно-кинетической теории

Основные положения МКТ вещества:

I. Любые вещества имеют дискретную (прерывистую) строение. Они состоят из мельчайших частиц молекул и атомов. Подтверждением дискретности является прокатка, ковка металла, получения 1974 фотографии отдельных молекул и атомов, растворимость веществ и т.п..

Молекулы - наименьшие частицы, имеющие химические свойства вещества. Молекулы состоят из более простых частиц - атомов химических элементов. В природе есть 92 химические элементы. Вместе с искусственными сейчас насчитывается 105 элементов.

Вещество, построенной из атомов только одного вида, называют элементом (водород, кислород, азот и т.п.). Каждый элемент имеет свой номер Z в таблице Менделеева. Число Z определяет количество протонов в ядрах атомов и электронов, движущихся в атоме вокруг ядра.

II. Молекулы находятся в состоянии непрерывного хаотического (неупорядоченного) движения, что называется тепловым и в общем случае совокупность поступательного, вращательного и колебательного движений.

При нагревании вещества скорость теплового движения и кинетическая энергия его частиц увеличиваются, а при охлаждении уменьшаются. Степень нагритости тела характеризует его температура, которая является мерой средней кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул этого тела.

III. Молекулы взаимодействуют друг с другом с силами электромагнитной природы, причем на больших расстояниях они притягиваются, а на малых - отталкиваются. Силы притяжения и отталкивания между молекулами действуют постоянно.

Молекулы различных веществ по-разному взаимодействуют друг с другом. Это взаимодействие зависит от типа молекул и расстояния между ними. В зависимости от характера движения и взаимодействия молекул различают три состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное (плазма).

Плазма - сильно ионизированный газ (воздух), под действием высоких температур. Для газов характерны большие межмолекулярные расстояния, малые силы притяжения, поэтому газы могут неограниченно расширяться. Молекулы газа хаотично движущихся спивударяються друг с другом и со стенками сосуда.

В жидкостях молекулы расположены тесно и колеблются вокруг положения равновесия, а также перескакивают из одного равновесного положения в другое (ближний порядок).

В твердых телах силы взаимодействия каждой молекулы с соседними настолько велики, что молекула совершает малые колебания вокруг некоторого устойчивого положения равновесия - узла кристаллической решетки - дальний порядок.


4. Подтверждение

Молекулярно-кинетическую теорию вещества подтверждено такими опытами и наблюдениями:

  • опыт со смешиванием жидкостей;
  • опыт с растворением твердых веществ в жидкостях;
  • наблюдения над сжимаемостью веществ;
  • деформации твердых тел;
  • броуновское движение;
  • наблюдения диффузии;
  • изображения отдельных молекул, полученные с помощью ионного проектора, электронного микроскопа;
  • рентгеноструктурный анализ веществ;
  • наблюдения космоса.

См.. также

  • Опыт Штерна

Источники


Физика Это незавершенная статья по физики.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам