Основы молекулярно-кинетической теории

 
 

Содержание. 

1. Введение.
1. Определение.
2. Цель.
2. Основные положения МКТ.
3. Размеры молекул. Опыт.
4. Масса молекул.
5. Относительная молекулярная масса.
6. Количество вещества. Постоянная Авогадро.
7. Молярная масса.
8. Броуновское движение.
9. Силы взаимодействия молекул.
10. Строение газообразных, жидких и твёрдых тел.
11. Идеальный газ в МКТ.
12. Среднее значение скорости молекул.
13. Основное уравнение МКТ.
14. Заключение.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Молекулярно-кинетическая теория - это раздел молекулярной физики, изучающий свойства вещества на основе представлений об их молекулярном строении и определенных законах взаимодействия между атомами (молекулами), из которых состоит вещество.

       Задача  молекулярно–кинетической теории – вывести все свойства вещества из его молекулярно-кинетической модели. Модель эта содержит представления о свойствах молекул вещества, их движении и взаимодействии. Представления, естественно, уточняются с развитием науки, поэтому уточняется и модель.

       Целью молекулярно-кинетической теории является объяснение свойств макроскопических тел и тепловых процессов, протекающих в них, на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных, беспорядочно движущихся частиц.

А т о м о м называется наименьшая частица данного химического элемента. Каждому химическому элементу соответствуют вполне определенные атомы, сохраняющие химические свойства данного элемента. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся в электрическом поле ядра. М о л е к у л ой называется наименьшая устойчивая частица данного вещества, обладающая его основными химическими свойствами. Молекула состоит из одного или нескольких атомов одинаковых или различных химических элементов.

В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат три утверждения:

• вещество состоит из частиц;
• эти частицы беспорядочно движутся;
• частицы взаимодействуют друг с другом.

       Размеры молекул чрезвычайно  малы. Но их не сложно измерить. Проще всего это сделать, наблюдая расплывание капельки масла, например оливкового, по поверхности воды. Масло никогда не займёт всю поверхность, если сосуд велик. Можно предположить, что при растекании масла по максимальной площади оно образует слой толщиной всего лишь в одну молекулу - «мономолекулярный слой». Толщину этого слоя нетрудно определить и тем самым оценить размеры молекулы оливкового масла.  Объем V слоя масла равен произведению его площади поверхности S на толщину d слоя, т. е. V=Sd. Следовательно, размер молекулы оливкового масла равен:

       Так как массы молекул очень малы, удобно использовать в расчетах не абсолютные значения масс, а относительные. По международному соглашению массы  всех атомов и молекул сравнивают с 1/12 массы атома углерода (так  называемая углеродная шкала атомных  масс). Относительной молекулярной (или атомной) массой вещества M_r называют отношение массы молекулы (или атома) m₀ данного вещества к 1/12 массы атома углерода: .

Количество  вещества наиболее естественно было бы измерять числом молекул или атомов в теле. Но число молекул в любом макроскопическом теле так велико, что в расчетах используют не абсолютное число молекул, а относительное их число.

В Международной  системе единиц количество вещества выражают в молях. Один моль - это количество вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов, сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг.

Значит, в 1 моль любого вещества содержится одно и то же число атомов или молекул. Это число атомов называют постоянной Авогадро в честь итальянского ученого(XIXв):   

Диффузия - перемешивание газов, жидкостей и твердых тел при их непосредственном контакте. Это явление можно объяснить беспорядочным движением молекул и проникновением молекул одного вещества в пространство между молекулами другого вещества. Этим можно объяснить, например, тот факт, что объем смеси воды и спирта меньше объема составляющих ее компонентов. Но самое очевидное доказательство движения молекул можно получить, наблюдая в микроскоп мельчайшие, взвешенные в воде частицы какого-либо твердого вещества. Эти частицы совершают беспорядочное движение, которое называют броуновским.

Броуновское движение - это тепловое движение взвешенных в жидкости (или газе) частиц. Английский ботаник Броун впервые наблюдал это явление в 1827 г., рассматривая в микроскоп взвешенные в воде споры плауна. Эти частички совершают беспорядочное движение. Самым поразительным и непривычным для нас является то, что это движение никогда не прекращается. Мы ведь привыкли к тому, что любое движущееся тело рано или поздно останавливается. Броун вначале думал, что споры плауна проявляют признаки жизни.

Броуновское движение - тепловое движение, и оно  не может прекратиться. С увеличением  температуры интенсивность его  растет. Молекулярно-кинетическая теория броуновского движения была создана в 1905 г. А. Эйнштейном.

       Как возникает взаимодействие молекул. Молекула - это сложная система, состоящая из отдельных заряженных частиц: электронов и атомных ядер. Хотя в целом молекулы электрически нейтральны, тем не менее между ними на малых расстояниях действуют значительные электрические силы: происходит взаимодействие электронов и атомных ядер соседних молекул. 
   Если молекулы находятся на расстояниях, превышающих их размеры в несколько раз, то силы взаимодействия практически не сказываются. Силы между электрически нейтральными молекулами являются короткодействующими.

       На  расстояниях, превышающих 2-3 диаметра молекул, действуют силы притяжения. По мере уменьшения расстояния между  молекулами сила их взаимного притяжения сначала увеличивается, но одновременно увеличивается и сила отталкивания. При определенном расстоянии сила притяжения становится равной силе отталкивания. Это расстояние считается равным диаметру молекулы. 
   При дальнейшем уменьшении расстояния электронные оболочки атомов начинают перекрываться и быстро увеличивается сила отталкивания.

       Атомы и молекулы состоят из электрически заряженных частиц. Благодаря действию электрических сил на малых расстояниях  силы притяжения больше сил отталкивания.

       Молекулярно-кинетическая теория дает возможность  понять, почему вещество может находиться в газообразном, жидком и твердом состояниях.

       Газы. В газах расстояние между атомами или молекулами во много раз больше размеров самих молекул. Например, при атмосферном давлении объем сосуда в десятки тысяч раз превышает объем находящихся в нем молекул. Газы легко сжимаются, при этом уменьшается среднее расстояние между молекулами, но форма молекулы не изменяется.    Слабые силы притяжения молекул газа не способны удержать их друг возле друга. Поэтому газы могут неограниченно расширяться. Они не сохраняют ни формы, ни объема.

       Многочисленные  удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.

       Жидкости. Молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу, поэтому молекула жидкости ведет себя иначе, чем молекула газа. В жидкостях существует так называемый ближний порядок, т. е. упорядоченное расположение молекул сохраняется на расстояниях, равных нескольким молекулярным диаметрам. Молекула колеблется около своего положения равновесия, сталкиваясь с соседними молекулами. Лишь время от времени она совершает очередной «прыжок», попадая в новое положение равновесия. В этом положении равновесия сила отталкивания равна силе притяжения, т. е. суммарная сила взаимодействия молекулы равна нулю.   Молекулы жидкости находятся непосредственно друг возле друга. При уменьшении объема силы отталкивания становятся очень велики. Этим и объясняется малая сжимаемость жидкостей.

       Как известно, жидкости текучи, т. е. не сохраняют своей формы. Твердые тела. Атомы или молекулы твердых тел колеблются около определенных положений равновесия. По этой причине твердые тела сохраняют не только объем, но и форму. Потенциальная энергия взаимодействия молекул твердого тела существенно больше их кинетической энергии.

       В молекулярно – кинетической теории существует такое понятие, как Идеальный  газ.   Это модель реального газа. Согласно этой модели молекулы газа можно рассматривать  
 
 

как материальные точки, взаимодействие которых происходит только при их столкновении. Сталкиваясь  со стенкой, молекулы газа оказывают  на нее давление.

       Среднее значение скорости молекул.  Характер движения всей совокупности молекул газа известен из опыта. Молекулы участвуют в беспорядочном (тепловом) движении. Это означает, что скорость любой молекулы может оказаться как очень большой, так и очень малой. Направление движения молекул беспрестанно меняется при их столкновениях друг с другом.

       Скорости  отдельных молекул могут быть любыми, однако среднее значение модуля этих скоростей вполне определенное. Точно так же рост учеников в классе неодинаков, но его среднее значение - определенное число. Чтобы это число найти, надо сложить рост отдельных учеников и разделить эту сумму на число учащихся.

       Основное  уравнение МКТ. В этом уравнении устанавливается зависимость давления газа от средней кинетической энергии его молекул. После вывода этого уравнения в XIX в. и экспериментального доказательства его справедливости началось быстрое развитие количественной теории, продолжающееся по сегодняшний день.

       Давление  идеального газа пропорционально  произведению концентрации молекул и средней  кинетической энергии  поступательного  движения молекул.