Молекулярная физика. Тепловые явления. Основные положения молекулярно-кинетической теории

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Основные положения молекулярно-кинетической теории:

1. Вещество состоит из частиц – атомов и молекул.

2. Эти частицы находятся в постоянном хаотическом движении (тепловом движении).

3. Частицы взаимодействуют друг с другом.

Взаимодействие молекул между собой слабее всего у газов и сильнее всего у твердых тел. Взаимодействие молекул в жидкостях по силе занимает промежуточное положение. Взаимодействие между атомами и молекулами проявляется силами притяжения и отталкивания. При сближении двух молекул сначала преобладают силы притяжения. На некотором расстоянии между их центрами (положение равновесия) силы отталкивания и притяжения сравниваются между собой. При дальнейшем сближении силы отталкивания становятся преобладающими.

В газах обычно расстояния между атомами и молекулами в среднем значительно больше размеров молекул, поэтому силы отталкивания и притяжения между молекулами практически отсутствуют. В твердых телах и жидкостях расстояния между атомами и молекулами в среднем по порядку величины равны размерам молекул.

Движение молекул в газах представляет собой свободный полет с периодическими столкновениями с другими молекулами и стенками сосуда. В твердых телах молекулы совершают беспорядочные колебания около постоянных положений равновесия. В жидкостях движение молекул состоит из колебаний около одних положений равновесия (как в твердых телах) и периодических перескоков в другие положения равновесия.

Основные опыты, обосновывающие положения теории, особенности строения тел и молекулярного движения в них: Способность газов неограниченно расширяться; способность жидкости принимать форму сосуда; способность твердых тел сохранять свою форму; упругость газов, жидкостей и твердых тел; способность к взаимному проникновению тел путем диффузии, броуновское движение, наблюдение строения кристаллических тел с помощью ионного проектора, наблюдение отдельных атомов и молекул в электронном микроскопе, закон кратных отношений при образовании соединений различных веществ (в химии).

Броуновское движение – беспорядочное движение видимых в микроскоп твердых частиц, взвешенных в жидкости. Объясняется хаотическими ударами молекул жидкости.

Количество вещества – физическая величина, пропорциональная количеству числу частиц (молекул) в веществе. Единица количества вещества в системе СИ –  1 моль.

Моль равен количеству вещества, содержащего столько же частиц, сколько содержится атомов в  0,012 кг  углерода  ¹²С.

Постоянная Авогадро – отношение числа молекул  N  вещества к количеству вещества  n. Определяющая формула

.

Иначе, постоянная Авогадро (число Авогадро) – число молекул в одном моле вещества. В системе СИ единицей постоянной Авогадро является  1/моль.

Молярная масса – физическая величина, равная отношению массы вещества к количеству вещества. Определяющая формула

.

В системе СИ единицей молярной массы является  1 кг/моль.

Молярную массу вещества можно рассчитать с помощью Периодической системы Д.И. Менделеева. Для этого надо определить, так называемую, относительную молекулярную массу его молекулы как сумму относительных атомных масс ее атомов (значения берутся из таблицы Менделеева), а затем умножить ее на множитель  10^–3 кг/моль. Например для углекислого газа (молекула  СО₂) получим:

М = (12 + 16 + 16)×10^–3 кг/моль = 44 кг/моль.

Концентрация молекул – физическая величина, равная отношению числа молекул к объему, занимаемому газом. Определяющая формула

.

Связь между различными характеристиками, описывающими количество вещества (в широком смысле), представлена на рисунке 1 (m₀ – масса одной молекулы).

Идеальный газ – модель газа, в которой пренебрегается собственным объемом молекул (молекулы – материальные точки), между молекулами не действуют силы притяжения, при столкновениях молекул между собой и со стенками сосуда действуют силы отталкивания. Все достаточно разреженные газы (например, при нормальных условиях – см. ниже) по свойствам близки к идеальному. При увеличении давления и уменьшении температуры свойства реальных газов начинают все больше отличаться от свойств идеального газа.

Среднее значение квадрата скорости молекул () – среднее арифметическое от квадратов значений мгновенных скоростей всех молекул газа, взятых в один и тот же момент времени

.

Квадратный корень из этой величины называют среднеквадратичной скоростью

v_кв =.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа (p – давление газа)

.

Следствия из основного уравнения:

,

где   – среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекулы идеального газа;  – суммарная кинетическая энергия поступательного движения всех молекул.

Парциальное давление одного из газов в смеси – давление, которое производил бы данный газ, если бы все остальные газы смеси убрать из сосуда.