24. Основные положения молекулярно-кинетической теории. Тепловые явления
Изучением молекулярно – кинетической теории занимались многие ученые с древнейших времен.
Демокрит считал, что существуют только атомы и пустота. Атомы – неделимые материальные элементы, вечные, неразрушимые, непроницаемые, отличаются формой, положением в пустоте и величиной, могут двигаться в различных направлениях. Учения Демокрита поддерживали Лукреций Кар и Эпикур. Все эти ученые жили до нашей эры. В 1026 году во Франции было запрещено атомистическое учение. Но остановить ученых сложно, они все равно продолжали изучать атомы. Возрождение атомИстики относят к 18 веку. В это время изучением атомов занимались Ломоносов, Джоуль, Клаузиус, МАксвелл, БОльцман. Они внесли большой вклад в молекулярно – кинетическую теорию.
Причины зарождения молекулярно – кинетической теории.
В классической механике изучалось механическое движение. Однако, в данной теории нет ответа на целый ряд вопросов, в частности:
не исследуются «внутренние» свойства тел,
не рассматривается природа сил и т. д.
Вывод: изменение температуры тел способно изменить его до неузнаваемости. Очевидно, данные изменения связаны с движением и взаимодействием частиц, составляющих тело. Необходимо установить законы, описывающие эти изменения.
Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) занимается изучением свойств веществ, основываясь при этом на представлениях о частицах вещества.
Цель молекулярно – кинетической теории – объяснение свойств макроскопических тел и тепловых процессов, протекающих в них, на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных беспорядочно движущихся частиц.
Молекулярно – кинетическая теория базируется на трех основных положениях:
все вещества состоят из частиц - молекул, атомов и ионов, молекула – наименьшая устойчивая частица данного вещества, обладающая его основными химическими свойствами, атом – наименьшая частица данного химического элемента. С помощью современной аппаратуры с большой долей точности были установлены размеры атома: d (диаметр примерно 10 в минус 8 степени см) ≈ 10 -8 см.
Атомы состоят из ядра, внутри которого расположены протоны и нейтроны, и электронов, расположенных вокруг ядра на оболочках, «орбитах», по которым они могут двигаться.
Частицы вещества беспрерывно и беспорядочно движутся.
Частицы вещества взаимодействуют друг с другом.
Беспорядочное (хаотичное) движение атомов и молекул в веществе называют тепловым движением, потому что скорость движения частиц увеличивается с ростом температуры. Экспериментальным подтверждением непрерывного движения атомов и молекул в веществе является броуновское движение и диффузия.
Справедливость МКТ вытекает из опытных фактов:
Оценка размеров молекул, наличие у веществ проницаемости, растворимости, сжимаемости.
Наличие прочности, упругости, смачивания, прилипания.
Рассмотрим эти основные положения.
Все вещества и тела в природе состоят из атомов и молекул - групп атомов. Атомы и молекулы относятся к микроскопическим телам. О том, что все вещества и тела состоят из мельчайших неделимых частиц, догадывались ещё древнегреческие философы Демокрит и ЛЕвкипп. Теперь эти догадки являются установленными фактами. Современные приборы (ионные проекторы, туннельные микроскопы) позволяют видеть изображения отдельных атомов и молекул.
Атомы могут объединяться в молекулы, а могут быть вещества, состоящие только из атомов.
Вы видите атомы гелия – простого вещества;
молекулы воды – сложное вещество состоит из атомов водорода и кислорода.
Ионы соли, NaCl.
Что такое ионы?
Атомы в целом электронейтральны, т.е. количество протонов и электронов одинаково. Атомы, имеющие избыток или недостаток электронов называются ионами. Бывают положительные и отрицательные ионы. Атом будет положительным ионом, если электроны вырвались со своей «орбиты», а другие атомы, принявшие этот свободный электрон, будут отрицательными ионами.
Частицы вещества беспрерывно и беспорядочно движутся и взаимодействуют друг с другом.
Если бы между молекулами не существовало сил притяжения, то все тела при любых условиях находились бы только в газообразном состоянии. Но одни силы притяжения не могут обеспечить существования устойчивых образований из атомов и молекул. На очень малых расстояниях между молекулами обязательно действуют силы отталкивания. Благодаря этому молекулы не проникают друг в друга и куски вещества никогда не сжимаются до размеров одной молекулы. 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 притяжения сначала увеличивается, а затем начинает убывать и убывает до нуля, когда расстояние между двумя молекулами становится равным сумме радиусов молекул. При дальнейшем уменьшении расстояния электронные оболочки атомов начинают перекрываться, и между молекулами возникают быстро нарастающие силы отталкивания.
Тепловое движение молекул.
Молекулы в газе движутся хаотично (беспорядочно). В газах расстояние между атомами или молекулами в среднем во много раз больше размеров самих молекул. Молекулы в газе движутся с большими скоростями (сотни м/с). Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга как абсолютно упругие шарики, изменяя величину и направление скоростей. При больших расстояниях между молекулами силы притяжения малы и не способны удержать молекулы газа друг возле друга. Поэтому газы могут неограниченно расширяться. Газы легко сжимаются, среднее расстояние между молекулами при этом уменьшается, но все равно остается большим их размеров. Газы не сохраняют ни формы, ни объема, их объем и форма совпадают с объемом и формой сосуда, который они заполняют. Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.
Молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу. Поэтому жидкости очень плохо сжимаются и сохраняют свой объем. Молекулы жидкости совершают колебания около положения равновесия. Время от времени молекула совершает переходы из одного оседлого состояния в другое, как правило, в направлении действия внешней силы. Время оседлого состояния молекулы мало и с ростом температуры уменьшается, а время перехода молекулы в новое оседлое состояние еще меньше. Поэтому жидкости текучи, не сохраняют своей формы и принимают форму сосуда, в который налиты. Теория жидкого состояния вещества впервые была разработана крупным советским физиком-теоретиком Яковом Ильичом Френкелем.
Атомы и молекулы твердых тел колеблются около определенных положений равновесия. Поэтому твердые тела сохраняют и объем, и форму. Если мысленно соединить центры положений равновесия атомов или ионов твердого тела, то получится кристаллическая решетка.
Броуновское движение - это тепловое движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе. Оно было открыто английским ботаником Броуном (1827 г.) и явилось наглядным доказательством хаотичного молекулярного движения. Броуновские частицы движутся под влиянием ударов молекул. Из-за хаотичности теплового движения молекул эти удары никогда не уравновешивают друг друга. В результате скорость броуновской частицы беспорядочно меняется по величине и направлению, а ее траектория представляет собой сложную зигзагообразную линию. Молекулярно-кинетическая теория броуновского движения была создана Альбертом Эйнштейном (1905 г.).
Явление самопроизвольного проникновения частиц одного вещества в другое вещество принято называть диффузией. При этом вещества перемешиваются. Почему же газы или жидкости перемешиваются, хотя их никто специально не перемешивает?
Это можно объяснить, если вспомнить, что все вещества состоят из частиц, и между частицами есть промежутки. Раз газы или жидкости перемешиваются сами собой, значит частицы вещества все время движутся, движутся беспорядочно, во всех направлениях. Это движение частиц и есть причина перемешивания двух веществ. Диффузией также называется процесс самопроизвольного выравнивания концентраций молекул жидкости или газа в различных частях объема. Диффузия стремится приблизить систему к состоянию термодинамического равновесия. Если в двух половинках сосуда находятся разные газы (при одинаковых температурах и давлениях) и между ними нет разделяющей перегородки, то вследствие теплового движения молекул возникает процесс взаимопроникновения газов. Этот процесс и называется диффузией. Скорость диффузии сильно зависит от длины свободного пробега молекул, то есть от среднего расстояния, которое пролетают молекулы между двумя последовательными соударениями с другими молекулами. Диффузия может происходить не только в газах, но и в жидкостях, и в твердых телах. Причем, диффузия газов происходит очень быстро, а диффузия твердых тел очень медленно. Опыты показывают: чем выше температура, тем диффузия происходит быстрее. Мы ощущаем запахи благодаря диффузии пахучего вещества в воздухе.
