Основы молекулярно-кинетической теории строения вещества

Основы молекулярно-кинетической теории разработаны М.В. Ломоносовым, Л.Больцманом, Дж. Максвеллом и др. Эта теория основана на следующих положениях:

1.Все вещества состоят из мельчайших частиц – молекул. Молекулы у сложных веществ состоят из еще более мелких частиц – атомов. Различные комбинации атомов создают виды молекул. Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженной электронной оболочкой. Массу молекул и атомов измеряют в атомных единицах массы (а. е. м.). Диаметр атомов и молекул имеет порядок 10 - 10 см. Количество вещества, в котором содержится число частиц (атомов или молекул) равное числу атомов в 0,012 кг изотопа углерода С называется молем.

Число частиц, содержащих в моле (киломоле) вещества, называется числом Авогадро. N = 6.023*10 кмоль . Массу моля называет молярной массой. Между атомами и молекулами действуют силы взаимного притяжения и отталкивания. По мере увеличения расстояния (r) между молекулами силы отталкивания убывают быстрее, чем силы притяжения. При некотором определенном расстоянии (r ) наступает равенство сил отталкивания и сил притяжения и молекулы находятся в состоянии устойчивого равновесия. Силы взаимодействия обратно пропорциональны n-й степени расстояния между молекулами (для f , n = 7; для f , n принимает значение от 9 до 15).Расстояние r между молекулами соответствует минимуму их потенциальной энергии. Для изменения расстояния, отличного от r требуется затратить работу или против сил отталкивания или против сил притяжения; т.о. положение устойчивого равновесия молекул соответствует минимуму их потенциальной энергии. Молекулы, образующие тело, находятся в состоянии непрерывного беспорядочного движения.

Молекулы сталкиваются друг с другом, изменяют скорость как по величине, так и по направлению. При этом происходит перераспределение их общей кинетической энергии. Состоящее из молекул тело рассматривается как система движущихся и взаимодействующих частиц. Такая система молекул обладает энергией, состоящей из потенциальной энергии взаимодействия частиц и из кинетической энергии движения частиц. Эту энергию и называют внутренней энергией тел . Количество внутренней энергии, передаваемой между телами при теплообмене, называется количеством теплоты (Джоуль, кал). Джоуль – СИ. 1 кал = 4,18 Дж. Атомы и молекулы находятся в непрерывном движении, которое называется тепловым. Основным свойством теплового движения является его бесперебойность (хаотичность). Для количественной характеристики интенсивности теплового движения вводится понятие температуры тела. Чем интенсивнее тепловое движение молекул в теле, тем выше его температура. При соприкосновении двух тел энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому и в конце концов устанавливается состояние теплового равновесия.

С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул или атомов. За единицу измерения температуры тепла принят градус. (Сотая часть разности между температурами кипения и замерзания чистой воды при атмосферном давлении). В физику введена абсолютная температурная шкала Кельвина. Градус Цельсия равен градусу Кельвина. При температуре – 273 С должно прекратиться поступательное движение молекул газа (абсолютный нуль), т. е. система (тело) обладает наименьшей возможной энергией.

Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества подтверждаются многочисленными опытами и явлениями (диффузия, броуновское движение, смешивание жидкостей, сжимаемость различных веществ, растворение в жидкостях твердых веществ и т. д.). Современные экспериментальные методы – рентгеноструктурный анализ, наблюдения с помощью электронного микроскопа и другие – обогатили наши представления о строении вещества. В газе между молекулами относительно большие расстояния, силы притяжения ничтожно малы. Молекулы газа стремятся всегда равномерно распределиться по всему занимаемому им объему. Газ оказывает давление на стенки сосуда, в котором он находится. Это давление обусловлено ударами движущихся молекул. При изучении кинетической теории газа рассматривают так называемый идеальный газ. Газ, в котором пренебрегаем силами межмолекулярного взаимодействия и объемом молекул газа. Считая, что при соударениях молекулы идеального газа представляют собой как абсолютно упругие шарики.

Для изучения темы «Тепловое движение» нам необходимо повторить:

В окружающем нас мире происходят различного рода физические явления, которые напрямую связанны с изменением температуры тел.

Еще с детства мы помним, что вода в озере сначала холодная, потом едва теплая и только спустя время становится пригодной для купания

Такими словами как «холодный», «горячий», « чуть-чуть теплый», мы определяем различную степень «нагретости» тел, или, если говорить языком физики на различную температуру тел.

Если сравнивать температуру в озере летом и поздней осенью, то разница очевидна. Температура теплой воды немного выше температуры ледяной воды.

Как известно, диффузия при более высокой температуре происходит быстрее. Из этого следует, что скорость перемещения молекул и температура глубоко взаимосвязаны между собой.

Проведите опыт: Возьмите три стакана и наполните их холодной, теплой и горячей водой, а теперь положите в каждый стакан чайный пакетик и пронаблюдайте, как изменится цвет воды? Где это изменение будет происходить интенсивнее?

Если увеличить температуру, то скорость движения молекул увеличится, если уменьшить – понизится. Таким образом, делаем вывод: температура тела напрямую зависит от скорости перемещения молекул.

Горячая вода состоит из абсолютно таких же молекул, как и холодная. Разница между ними состоит лишь в скорости передвижения молекул.

Явления, которые имеют отношение к нагреву или охлаждению тел, изменению температуры, получили название тепловые . К ним можно отнести нагревание или охлаждение не только жидких тел, но и газообразных и твердых воздуха.

Еще примеры тепловых явлений: плавка метала, таяние снега.

Молекулы, либо атомы, которые являются основой всех тел, находятся в бесконечном хаотичном движении. Движение молекул в разных телах происходит по-разному. Молекулы газов беспорядочно движутся с большими скоростями по очень сложной траектории. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга, изменяя величину и направление скоростей.

Молекулы жидкости колеблются около равновесных положений (т.к. расположены почти вплотную друг к другу) и сравнительно редко перескакивают из одного равновесного положения в другое. Движение молекул в жидкостях является менее свободным, чем в газах, но более свободным, чем в твердых телах.

В твердых телах молекулы и атомы колеблются около некоторых средних положениях.

С ростом температуры скорость частиц увеличивается, поэтому хаотическое движение частиц принято называть тепловым.

Интересно:

Какова точная высота Эйфелевой башни? А это зависит от температуры окружающей среды!

Дело в том, что высота башни колеблется на целых 12 сантиметров.

и температура балок может доходить до 40 градусов по Цельсию.

А как известно, вещества могут расширяться под воздействием высокой температуры.

Хаотичность является важнейшей чертой теплового движения. Одним из самых главных доказательств движения молекул является диффузия и Броуновское движение. (Броуновское движение – движение мельчайших твердых частиц в жидкости под воздействием ударов молекул. Как показывает наблюдение, Броуновское движение не может прекратиться). Броуновское движение было открыто английским ботаником Робертом Броуном (1773-1858гг.)

В тепловом движении молекул и атомов участвуют абсолютно все молекулы тела, именно поэтому с изменением теплового движения меняется и состояние самого тела, его различные свойства.

Вспомним как меняются свойства воды при изменении температуры.

Температура тела напрямую зависит от средней кинетической энергии молекул. Делаем очевидный вывод: чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул. И, наоборот, при понижении температуры тела, средняя кинетическая энергия его молекул уменьшается.

Температура- величина, которая характеризует тепловое состояние тела или иначе мера «нагретости» тела.

Чем выше температура тела, тем большую в среднем энергию имеют его атомы и молекулы.

Температура измеряется термометрами , т.е. приборами для измерения температуры

Температура непосредственно не измеряется! Измеряется величина, зависящая от температуры!

В настоящее время существуют жидкостные и электрические термометры.

В современных жидкостных термометрах - это объем спирта или ртути. Термометр измеряет собственную температуру! А, если мы хотим измерить с помощью термометра температуру какого-либо другого тела, надо подождать некоторое время, пока температуры тела и термометра уравняются, т.е. наступит тепловое равновесие между термометром и телом. Домашнему термометру «градуснику» нужно время, чтобы дать точнее значение температуры больного.

В этом состоит закон теплового равновесия:

у любой группы изолированных тел через какое-то время температуры становятся одинаковыми,

т.е. наступает состояние теплового равновесия.

Температура тел измеряется с помощью термометра и чаще всего выражается в градусах Цельсия (°C). Существуют еще и другие единицы измерения: Фаренгейт, Кельвин и Реомюр.

Чаще всего физики измеряют температуру по шкале Кельвина. 0 градусов по шкале Цельсия = 273 градусам по шкале Кельвина

Термин «температура» появился во времена, когда ученые-физики думали, что теплые тела состоят из большего количества специфической субстанции - теплорода, - чем такие же тела, но холодные. А температура трактовалась как величина, соответствующая количеству теплорода в теле. С тех пор температуру любых тел измеряют в градусах. Но на самом деле это мера кинетической энергии движущихся молекул, и, исходя из этого, ее следует измерять в Джоулях, в соответствии с Системой единиц Си.

Понятие «абсолютный ноль температуры» исходит из второго начала термодинамики. По нему процесс перехода тепла от холодного тела к горячему невозможен. Это понятие введено английским физиком У. Томсоном. Ему за достижения в физике было даровано дворянское звание «лорд» и титул «барон Кельвин». В 1848 г. У.Томсон (Кельвин) предложил использовать температурную шкалу, в которой за начальную точку принял абсолютный ноль температуры, соответствующий предельному холоду, а ценой деления взял градус Цельсия. Единицей Кельвина является 1/27316 доля температуры тройной точки воды (около 0 град. С), т.е. температуры, при которой чистая вода сразу находится в трех видах: лед, жидкая вода и пар. температуры - это минимально возможная низкая температура, при которой движение молекул останавливается, и из вещества уже невозможно извлечь тепловую энергию. С тех пор шкала абсолютных температур стала называться его именем.

Температура измеряется по разным шкалам

Наиболее употребляемая шкала температуры носит название «шкала Цельсия». Она построена на двух точках: на температуре фазового перехода воды из жидкости в пар и воды в лед. А. Цельсий в 1742 г. предложил расстояние между опорными точками разделить на 100 промежутков, а воды принять за ноль, при этом точку замерзания за 100 градусов. Но швед К. Линней предложил сделать наоборот. С тех пор вода замерзает при ноле градусов А. Цельсия. Хотя точно по Цельсию она должна кипеть. Абсолютный ноль по Цельсию соответствует минус 273,16 градусов Цельсия.

Есть еще несколько температурных шкал: Фаренгейта, Реомюра, Ранкина, Ньютона, Рёмера. Они имеют разные и цену деления. Например шкала Реомюра тоже построена на реперах кипения и замерзания воды, но она имеет 80 делений. Шкала Фаренгейта, появившаяся в 1724 г., используется в быту только в некоторых странах мира, в т. ч. США; одна - температура смеси водяной лед - нашатырь и другая - человеческого тела. Шкала делится на сто делений. Ноль Цельсия соответствует 32 Перевод градусов в фаренгейты можно сделать по формуле: F = 1,8 C + 32. Обратный перевод: С = (F - 32)/1,8, где: F - градусы Фаренгейта, С - градусы Цельсия. Если вам лень считать, сходите в онлайн-сервис по переводу Цельсия в Фаренгейты. В рамочке наберите число градусов Цельсия, нажмите «Рассчитать», выберите «Фаренгейт» и нажмите «Пуск». Результат появится сразу.

Названа в честь английского (точнее шотландского) физика Уильяма Дж. Ранкина, бывшего современником Кельвина и одним из создателей технической термодинамики. В его шкале важных точек три: начало - абсолютный ноль, точки замерзания воды 491,67 градус Ранкина и закипания воды 671,67 град. Число делений между замерзанием воды и ее закипанием и у Ранкина, и у Фаренгейта равно 180.

Большинством этих шкал пользуются исключительно физики. А 40% опрошенных в наши дни американских школьников выпускных классов сказали, что они не знают, что такое абсолютный ноль температуры.