- Молекулярно-кинетическая теория
- Немного из истории
- В чем смысл МКТ, почему она столь важна?
- Оценка размеров молекул в МКТ
- Силы взаимодействия молекул
- Среднее значение квадрата скорости
- Основное уравнение МКТ газов
- Связь давления со средней кинетической энергией молекул
- В заключение
- Фундаментом молекулярно кинетической теории является атомическая гипотеза
- Школьная Энциклопедия
- Nav view search
- Навигация
- Искать
- Молекулярно-кинетическая теория и её основные положения
- Основные положения молекулярно-кинетической теории
- Диффузия
- Диффузия в металлах
- Скорость диффузии
- Закон Фика
- Броуновское движение
- Три состояния вещества
Молекулярно-кинетическая теория
Сегодня мы поговорим об основах МКТ.
Начнем, пожалуй, с того, что в современном мире происходит так называемое «объединение наук». Уже сейчас можно заметить, что четкое разделение между науками исчезает, и появляются науки, которые являются своеобразным «синтезом» нескольких наук, например, биохимия, биофизика, физхимия и так далее. Проводить отчетливые грани между науками изначально было плохой идеей, ведь нельзя изучать физику без ясного понимания химии, нельзя осознавать сущность явлений без объектов, с которыми эти явления и происходят.
Яркий тому пример — механика, изучающая движение тел, но не объясняющая, почему существуют твердые, жидкие и газообразные тела, почему они могут переходить из одного состояния в другое. Исследование внутренних свойств тел не входит в задачу механики, поскольку в ней говорят о силах как о причинах изменения скоростей тел, но природа этих сил, их происхождение не выясняются. Почему при сжатии тел появляются силы упругости, почему возникает трение? На подобные вопросы ответов в механике Ньютона вы не найдете.
При механическом движении в самом веществе ничего не меняется, но как же тогда объяснить изменение температуры тела? Почему при нагревании или охлаждении вещества могут перейти в другое состояние? Если законы механики не дают точного ответа, то следовало бы найти такие, которые могли бы это сделать в условиях, когда с телами ничего особого не происходит с точки зрения механики. В этом случае такие законы бы описывали так называемое «тепловое движение», которое характерно для всех макроскопических тел не зависимо от того, перемещаются они в пространстве или же находятся в состоянии покоя.
И действительно, в XIX веке Рудольф Клаузиус, Людвиг Больцман и Джеймс Максвелл создают молекулярно-кинетическую теорию, которая и позволяет рассмотреть строение вещества и процессы, происходящие внутри него.
Немного из истории
Еще в Древней Греции Левкипп и Демокрит предположили, что материальные вещи состоят из химически неделимых частиц — атомов, так возникла атомическая гипотеза, фундамент для современной МКТ. В 1738 Даниил Бернулли опубликовал свой труд «Гидродинамика», в котором заложил теоретические основы МКТ.
Весомым вкладом в развитие теории послужили и труды М. В. Ломоносова. Он опытным путём опроверг теории о флогистоне, невесомой материи, присутствующей в каждом теле и являющейся причиной тепловых явлений. Удивительно, но на тот момент теория существования теплорода была весьма значимой в обществе и являлась своего рода догмой, мешающей развитию науки. Если бы не труды Ломоносова, сегодня мы бы вряд ли имели столько представлений о строении окружающих нас веществ.
В чем смысл МКТ, почему она столь важна?
Молекулярно-кинетическая теория – это теория, цель которой — объяснить свойства макроскопических тел и тепловых процессов, происходящих в них, на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных, беспорядочно движущихся частиц. В ее основе заложены три главные основы:
- Все вещества, – жидкие, твердые, газообразные, – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов. Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, иными словами говоря, состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.
2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении. И это очень важно для объяснения тепловых процессов.
3. Частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений. Гравитационное взаимодействие между частицами притом пренебрежимо мало.
Каждое из этих утверждений было доказано с помощью опытов. Так, например, английский ботаник Роберт Броун в 1827 году, рассматривая в микроскоп взвешенные в воде споры плауна, открыл броуновское движение. Это тепловое движение мельчайших микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе.
Броуновские частицы движутся под влиянием беспорядочных ударов молекул, из-за их хаотического теплового движения эти удары никогда не уравновешивают друг друга. В результате скорость броуновской частицы беспорядочно меняется по модулю и направлению, а ее траектория представляет собой сложную зигзагообразную кривую.
Постоянное хаотичное движение молекул вещества проявляется также в другом легко наблюдаемом явлении – диффузии. Диффузией называется явление взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества в молекулы или атомы другого, приводящее к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. Наиболее быстро процесс протекает в газе, если он неоднороден по составу.
Таким образом, в любом веществе можно наблюдать беспорядочное хаотическое движение молекул и атомов. Это и называется тепловым движением.
Оценка размеров молекул в МКТ
В настоящее время в существовании атомов и молекул сомневаться не приходится. Современные приборы позволяют видеть изображения отдельных атомов и молекул.
Размеры молекул больше размеров атомов, и эти размеры так малы, что их трудно себе представить.
В газах расстояния между молекулами обычно значительно больше их же размеров. Так мы и переходим к следующему немаловажному пункту.
Силы взаимодействия молекул
Углубимся сразу во взаимодействия молекул газов. Силы взаимодействия между молекулами на таких больших расстояниях, как в газах, очень малы, и каждая молекула движется вдоль прямой линии до очередного столкновения с другой молекулой или со стенкой сосуда. Слабое взаимодействие между молекулами объясняет способность газов расширяться и заполнять весь объем сосуда. В пределе, когда взаимодействие стремится к нулю, мы приходим к представлению об идеальном газе. Что это такое? Идеальный газ — это газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало (Правильнее назвать это именно моделью идеального газа). Естественно, при столкновении молекул идеального газа на них действует сила отталкивания. Так как молекулы газа мы можем согласно модели считать материальными точками, то размерами молекул мы пренебрегаем, считая, что объем, который они занимают, гораздо меньше объема сосуда. При столкновении молекул идеального газа со стенками сосуда возникает давление.
Среднее значение квадрата скорости
В дальнейшем нам понадобится среднее значение квадрата скорости, от которой зависит средняя кинетическая энергия молекул. А средняя кинетическая энергия молекул имеет большое значение во всей молекулярно-кинетической теории. Путем недолгих преобразований мы можем получить формулу для нахождения среднего значения квадрата скорости:
Тогда как средний квадрат проекции скорости можно найти с помощью такой формулы:
Основное уравнение МКТ газов
И теперь о самом важном, об основном уравнении в МКТ газов. Выглядит оно так:
Важна эта формула потому, что именно она связывает макроскопическую величину — давление, которое может быть измерено манометром, — с микроскопическими величинами, характеризующими молекулы: их массой, скоростью хаотичного движения.
Связь давления со средней кинетической энергией молекул
Если через «Е» обозначить среднюю кинетическую энергию поступательного движения, то уравнение, представленное выше, можно записать и так:
Давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул и средней кинетической энергии поступательного движения молекул.
Сама же формула средней кинетической энергии поступательного движения молекулы выглядит так:
В заключение
Таким образом, без МКТ в современном мире не обойтись никак. Именно эта теория дает нам наиболее полное представление о строении вещества, а также о процессах, происходящих в самих веществах, которые окружают нас в нашем мире.
Источник
Фундаментом молекулярно кинетической теории является атомическая гипотеза
До сегодняшнего дня мы изучали так называемые макроскопические тела (от греч. «макрос» – большой). Это все тела, которые нас окружают: дома, машины, вода в стакане, вода в океане и т.д. Нас интересовало, что происходит с этими телами. Теперь нас будет интересовать также и то, что происходит внутри этих тел. Это изучает раздел физики МКТ – молекулярно-кинетическая теория.
 |
МКТ объясняет явления и свойства тел с точки зрения их микроскопического строения. В основе МКТ лежат три утверждения:
1. Все тела состоят из малых частиц, между которыми есть промежутки.
2. Частицы тел постоянно и беспорядочно движутся.
3. Частицы тел взаимодействуют друг с другом: притягиваются и отталкиваются.
Эти утверждения называются основными положениями МКТ. Все они подтверждены многочисленными экспериментами.
 |
При макроскопическом подходе к изучению тел нас интересуют сами тела: их размеры, объёмы, массы, энергии и т.д. Изучая в рамках этого подхода, например, водяные брызги, мы можем измерять их размеры, объём, массу (см. рисунок слева).
При микроскопическом подходе нас тоже интересуют размеры, объём, масса, энергия и т. д. Однако уже не самих тел, а тех частиц, из которых они состоят: молекул, ионов и атомов. Увидеть эти частицы невооруженным глазом или даже в лупу невозможно; этот рисунок – художественная гипербола (преувеличение). Для изучения строения вещества существуют специальные электронные и ионные микроскопы. Они помогли установить, что атомы и простые молекулы имеют размеры около 0,0001 микрона (миллионной доли метра).
- Какие тела мы относим к макроскопическим?
- Что означает аббревиатура (сокращение) МКТ?
- Что изучает молекулярно-кинетическая теория?
- Первое положение МКТ говорит про частицы, из которых состоят .
- Второе положение МКТ утверждает, что .
- Третье положение говорит, что частицы всех тел .
- Достоверность основных положений МКТ подтверждается .
- Изучая тела макроскопически, мы обращаем внимание на .
- Микроскопический подход в физике характеризуется изучением .
- Молекулы, атомы и ионы нельзя увидеть .
- Какие приборы служат для изучения строения вещества?
- Сейчас МКТ является .
- Гипотезу иначе называют .
- Какое событие позволило увидеть частицы вещества?
- Изображения молекул, ионов и атомов на экранах микроскопов – это .
 |
Но также не было и недостатка в учёных, которые указывали на необоснованность этой теории. Можно согласиться с полезностью идеи об атомах для объяснения данных опытов, но какая у нас уверенность в том, что атомы действительно существуют, а не представляют плод нашей фантазии? Впрочем, этот недостаток непосредственных доказательств отнюдь не поколебал веру большинства людей науки в зернистое строение материи.
Отрицание атомической теории никогда ещё не способствовало и не будет способствовать открытию новых фактов. Большим преимуществом этой теории является то, что она дает нам ощутимое конкретное представление о материи, которое не только служит нам для объяснения множества явлений, но оказывает также нам громадные услуги как рабочая гипотеза».
«Новые идеи в физике». Санкт-Петербург, 1911.
В начале XX в. действительно не было прямых доказательств тому, что макроскопические тела состоят из молекул, ионов и атомов. Да и саму молекулярно-кинетическую теорию называли то «атомической гипотезой», то «атомической теорией». Лишь появление в 30–50-х годах XX в. ионных и электронных микроскопов дало в руки учёных прямое доказательство существования частиц вещества (молекул, атомов и ионов) – их изображения на экранах микроскопов.
Источник
Школьная Энциклопедия
Nav view search
Навигация
Искать
Молекулярно-кинетическая теория и её основные положения
Подробности Категория: Молекулярно-кинетическая теория Опубликовано 15.10.2014 15:14 Просмотров: 6344
Любое вещество рассматривается физикой как совокупность мельчайших частиц: атомов, молекул и ионов. Все эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении и взаимодействуют друг с другом с помощью упругих столкновений.
Атомическая теория — основа молекулярно-кинетической теории
Молекулярно-кинетическая теория зародилась в Древней Греции примерно 2500 лет назад. Её фундаментом считается атомическая гипотеза, авторами которой были древнегреческий философ Левкипп и его ученик, древнегреческий учёный Демокрит из города Абдеры.
Левкипп и Демокрит предполагали, что все материальные вещи состоят из неделимых мельчайших частиц, которые называются атомами (от греческого ἄτομος — неделимый). А пространство между атомами заполнено пустотой. Все атомы имеют размер и форму, а также способны двигаться. Сторонниками этой теории в средние века были Джордано Бруно, Галилей, Исаак Бекман и другие учёные. Основы молекулярно-кинетической теории были заложены в труде «Гидродинамика», опубликованном в 1738 г. Его автором был швейцарский физик, механик и математик Даниил Бернулли.
Основные положения молекулярно-кинетической теории
Михаил Васильевич Ломоносов
Ближе всего к современной физике оказалась теория атомного строения вещества, которую в XVIII веке развил великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов. Он утверждал, что все вещества состоят из молекул, которые он называл корпускулами. А корпускулы, в свою очередь, состоят из атомов. Теория Ломоносова получила название корпускулярной.
Но как оказалось, атом делится. Он состоит из положительно заряженного ядра и отрицательных электронов. А в целом он электрически нейтрален.
Современная наука называет атомом наименьшую часть химического элемента, являющуюся носителем его основных свойств. Связанные межатомными связями, атомы образуют молекулы. В молекуле могут быть один или нескольких атомов одинаковых или различных химических элементов.
Все тела состоят из огромного количества частиц: атомов, молекул и ионов. Эти частицы непрерывно и хаотично движутся. Их движение не имеет какого-либо определённого направления и называется тепловым движением. Во время своего движения частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений.
Наблюдать молекулы и атомы невооружённым глазом мы не можем. Но мы можем видеть результат их действий.
Подтверждением основных положений молекулярно-кинетической теории являются: диффузия, броуновское движение и изменение агрегатных состояний веществ.
Диффузия
Диффузия в жидкости
Одно из доказательств постоянного движения молекул — явление диффузии.
В процессе движения молекулы и атомы одного вещества проникают между молекулами и атомами другого вещества, соприкасающегося с ним. Точно так же ведут себя молекулы и атомы второго вещества по отношению к первому. И через некоторое время молекулы обоих веществ равномерно распределяются по всему объёму.
Процесс проникновения молекул одного вещества между молекул другого называется диффузией. С явлением диффузии мы сталкиваемся дома каждый день, когда опускаем пакетик чая в стакан с кипятком. Мы наблюдаем, как бесцветный кипяток меняет свой цвет. Бросив в пробирку с водой несколько кристалликов марганца, можно увидеть, что вода окрасится в розовый цвет. Это также диффузия.
Число частиц в единице объёма называют концентрацией вещества. При диффузии молекулы перемещаются из тех частей вещества, где концентрация выше, в те части, где она меньше. Перемещение молекул называют диффузионным потоком. В результате диффузии концентрации в различных частях веществ выравниваются.
Диффузию можно наблюдать в газах, жидкостях и твёрдых телах. В газах она происходит с большей скоростью, чем в жидкостях. Мы знаем, как быстро распространяются запахи в воздухе. Гораздо медленнее окрашивается жидкость в пробирке, если в неё капнуть чернил. А если мы положим на дно ёмкости с водой кристаллы поваренной соли и не перемешаем, то пройдёт не один день, прежде чем раствор станет однородным.
Диффузия происходит и на границе соприкасающихся металлов. Но её скорость в этом случае очень мала. Если покрыть медь золотом, то при комнатной температуре и атмосферном давлении золото приникнет в медь всего лишь на несколько микронов через несколько тысяч лет.
Свинец из слитка, положенного под грузом на золотой слиток, проникнет в него всего лишь на глубину в 1 см за 5 лет.
Диффузия в металлах
Скорость диффузии
Скорость диффузии зависит от площади поперечного сечения потока, разности концентраций веществ, разности их температур или зарядов. Через стержень диаметром в 2 см тепло распространяется в 4 раза быстрее, чем через стержень диаметром в 1 см. Чем выше разность температур веществ, тем выше скорость диффузии. При тепловой диффузии её скорость зависит от теплопроводности материала, а в случае потока электрических зарядов — от электропроводности.
Закон Фика
В 1855 г. немецкий физиолог Адольф Евгений Фик сделал первое количественное описание процессов диффузии:
где J — плотность диффузионного потока вещества,
D — коэффициент диффузии,
C — концентрация вещества.
Плотность диффузионного потока вещества J [см -2 · s -1 ] пропорциональна коэффициенту диффузии D [см -2 · s -1 ] и градиенту концентрации, взятому с противоположным знаком.
Это уравнение называют первым уравнением Фика.
Диффузия, в результате которой концентрации веществ выравниваются, называется нестационарной диффузией. При такой диффузии градиент концентрации изменяется со временем. А в случае стационарной диффузии этот градиент остаётся постоянным.
Броуновское движение
Открыл это явление шотландский ботаник Роберт Броун в 1827 г. Изучая под микроскопом взвешенные в воде цитоплазматические зёрна, выделенные из клеток пыльцы североамериканского растения Clarkia pulchella , он обратил внимание на мельчайшие твёрдые крупинки. Они дрожали и медленно передвигались без всякой видимой причины. Если температура жидкости повышалась, скорость частиц возрастала. Так же происходило, когда уменьшался размер частиц. А если их размер увеличивался, понижалась температура жидкости или увеличивалась её вязкость, движение частиц замедлялось. И эти удивительные «танцы» частиц можно было наблюдать бесконечно долго. Решив, что причина этого движения в том, что частицы живые, Броун заменил зёрна мелкими частицами угля. Результат оказался таким же.
Чтобы повторить опыты Броуна достаточно иметь самый обычный микроскоп. Размер молекул слишком мал. И рассмотреть их таким прибором невозможно. Но если мы подкрасим акварельной краской воду в пробирке, а затем посмотрим на неё в микроскоп, то увидим крошечные окрашенные частицы, которые беспорядочно двигаются. Это не молекулы, а частицы краски, взвешенные в воде. И двигаться их заставляют молекулы воды, которые ударяют их со всех сторон.
Так ведут себя все видимые в микроскоп частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в жидкостях или газах. Их беспорядочное движение, вызванное тепловым движением молекул или атомов, называется броуновским движением. Броуновская частица непрерывно подвергается ударам со стороны молекул и атомов, из которых состоят жидкости и газы. И это движение не прекращается.
Но в броуновском движении могут участвовать частицы размером до 5 мкм (микрометров). Если их размер больше, они неподвижны. Чем меньше размер броуновской частицы, тем быстрее она движется. Частицы менее 3 мкм двигаются поступательно по всем сложным траекториям или вращаются.
Сам Броун не смог объяснить открытое им явление. И лишь в XIX веке учёные нашли ответ на этот вопрос: движение броуновских частиц вызвано воздействием на них теплового движения молекул и атомов.
Три состояния вещества
Молекулы и атомы, из которых состоит вещество, не только находятся в движении, но и взаимодействуют друг с другом, взаимно притягиваясь или отталкиваясь.
Если расстояние между молекулами сравнимо с их размерами, то они испытывают притяжение. Если же оно становится меньше, то начинает преобладать сила отталкивания. Этим объясняется сопротивляемость физических тел деформации (сжатию или растяжению).
Если тело сжимать, то расстояние между молекулами уменьшается, и силы отталкивания будут стараться вернуть молекулы в первоначальное состояние. При растяжении деформации тела буду мешать силы притяжения между молекулами.
Молекулы взаимодействуют не только внутри одного тела. Опустим в жидкость кусочек ткани. Мы увидим, что он намокнет. Это объясняется тем, что молекулы жидкости притягиваются к молекулам твёрдых тел сильнее, чем друг другу.
Каждое физическое вещество в зависимости от температур и давлений может быть в трёх состояниях: твёрдом, жидком или газообразном. Они называются агрегатными.
В газах расстояние между молекулами велико. Поэтому силы притяжения между ними настолько слабы, что они совершают хаотическое и практически свободное движение в пространстве. Направление своего движения они меняют, ударяясь друг о друга или о стенки сосудов.
В жидкостях молекулы расположены ближе одна к другой, чем в газе. Силы притяжения между ними больше. Молекулы в них движутся уже не свободно, а хаотично колеблются возле положения равновесия. Но они способны перескакивать в направлении действия внешней силы, меняясь местами друг с другом. Результатом этого является течение жидкости.
В твёрдых телах силы взаимодействия между молекулами очень велики из-за близкого расстояния между ними. Притяжение соседних молекул они преодолеть не могут, поэтому способны совершать только колебательные движения около положения равновесия.
Твёрдые тела сохраняют объём и форму. Жидкость формы не имеет, она всегда принимает форму сосуда, в котором находится в данный момент. Но её объём при этом сохраняется. По-другому ведут себя газообразные тела. Они легко меняют и форму, и объём, принимая форму того сосуда, в который их поместили, и занимая весь предоставленный им объём.
Однако существуют и такие тела, которые имеют структуру жидкости, обладают небольшой текучестью, но при этом способны сохранять форму. Такие тела называют аморфными.
Современная физика выделяет и четвёртое агрегатное состояние вещества — плазму.
Источник