Молекулярно-кінетичної теорії називають вчення про будову і властивості речовини на основі уявлення про існування атомів і молекул як найменших частинок хімічної речовини.
В основі молекулярно-кінетичної теорії лежать три основних положення:
1. Всі речовини - рідкі, тверді і газоподібні - утворені з найдрібніших частинок - молекул, які самі складаються з атомів ( «елементарних молекул»). Молекули хімічної речовини можуть бути простими і складними і складатися з одного або декількох атомів. Молекули і атоми являють собою електрично нейтральні частинки. При певних умовах молекули й атоми можуть набувати додатковий електричний заряд і перетворюватися в позитивні або негативні іони.
2. Атоми і молекули перебувають у безперервному хаотичному русі.
3. Частинки взаємодіють один з одним силами, що мають електричну природу. Гравітаційна взаємодія між частинками дуже малий.
Малюнок 3.1.1. Траєкторія броунівський частинки.
Найбільш яскравим експериментальним підтвердженням уявлень молекулярно-кінетичної теорії про хаотичному русі атомів і молекул є броунівський рух. Це теплове рух найдрібніших мікроскопічних часток, зважених в рідині або газі. Воно було відкрито англійським ботаніком Р. Броуном (1827 г.). Броунівський частинки рухаються під впливом безладних ударів молекул. Через хаотичного теплового руху молекул ці удари ніколи не врівноважують один одного. В результаті швидкість броунівський частинки безладно змінюється за модулем і напрямком, а її траєкторія являє собою складну звивисту криву (рис. 3.1.1). Теорія броунівського руху була створена А. Ейнштейном (1905 р). Експериментально теорія Ейнштейна була підтверджена в дослідах французького фізика Ж. Перрена (1908-1911 рр.).
Сили, що діють між двома молекулами, залежать від відстані між ними. Молекули є складні просторові структури, що містять як позитивні, так і негативні заряди. Якщо відстань між молекулами досить велике, то переважають сили міжмолекулярної тяжіння. На малих відстанях переважають сили відштовхування. Залежно результуючої сили F і потенційної енергії Ep взаємодії між молекулами від відстані між їх центрами якісно зображені на рис. 3.1.2. При деякій відстані r = r0 сила взаємодії звертається в нуль. Це відстань умовно можна прийняти за діаметр молекули. Потенційна енергія взаємодії при r = r0 мінімальна. Щоб видалити один від одного дві молекули, що знаходяться на відстані r0. потрібно повідомити їм додаткову енергію E0. Величина E0 називається глибиною потенційної ями або енергією зв'язку.
Малюнок 3.1.2. Сила взаємодії F і потенційна енергія взаємодії Ep двох молекул. F> 0 - сила відштовхування, F <0 – сила притяжения.
Молекули мають надзвичайно малі розміри. Прості одноатомні молекули мають розмір близько 10 -10 м. Складні багатоатомні молекули можуть мати розміри в сотні і тисячі разів більше.
Безладне хаотичне рух молекул називається тепловим рухом. Кінетична енергія теплового руху зростає зі зростанням температури. При низьких температурах середня кінетична енергія молекули може виявитися менше глибини потенційної ями E0. В цьому випадку молекули конденсуються в рідке або тверде речовина; при цьому середня відстань між молекулами буде приблизно дорівнює r0. При підвищенні температури середня кінетична енергія молекули стає більше E0. молекули розлітаються, і утворюється газоподібна речовина.
У твердих тілах молекули здійснюють безладні коливання близько фіксованих центрів (положень рівноваги). Ці центри можуть бути розташовані в просторі нерегулярним чином (аморфні тіла) або утворювати впорядковані об'ємні структури (кристалічні тіла) (див. §3.6).
Модель. Агрегатні стани.
У рідинах молекули мають значно більшу свободу для теплового руху. Вони не прив'язані до певних центрам і можуть переміщатися по всьому об'єму рідини. Цим пояснюється плинність рідин. Близько розташовані молекули рідини також можуть утворювати впорядковані структури, що містять кілька молекул. Це явище називається ближнім порядком на відміну від далекого порядку. характерного для кристалічних тіл.
У газах відстані між молекулами зазвичай значно більше їх розмірів. Сили взаємодії між молекулами на таких великих відстанях малі, і кожна молекула рухається вздовж прямої лінії до чергового зіткнення з іншою молекулою або зі стінкою судини. Середня відстань між молекулами повітря при нормальних умовах близько 10 -8 м, т. Е. В десятки разів перевищує розмір молекул. Слабка взаємодія між молекулами пояснює здатність газів розширюватися і заповнювати весь об'єм посудини. У межі, коли взаємодія прагне до нуля, ми приходимо до уявленню про ідеальний газ.
У молекулярно-кінетичної теорії кількість речовини прийнято вважати пропорційним числу часток. Одиниця кількості речовини називається молем (моль).
Моль - це кількість речовини, що містить стільки ж частинок (молекул), скільки міститься атомів в 0,012 кг вуглецю 12 C. Молекула вуглецю складається з одного атома.
Таким чином, в одному молі будь-якої речовини міститься одне і те ж число часток (молекул). Це число називається постійної АвогадроNA:
Це рівняння встановлює зв'язок між тиском p ідеального газу, масою молекули m0. концентрацією молекул n. середнім значенням квадрата швидкості і середньої кінетичної енергією поступального руху молекул. Його називають основним рівнянням молекулярно-кінетичної теорії газів.
Таким чином, тиск газу дорівнює двом третинам середньої кінетичної енергії поступального руху молекул, що містяться в одиниці об'єму.
В основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії газів входить твір концентрації молекул n на середню кінетичну енергію поступального руху. Якщо припустити, що газ знаходиться в посудині незмінного обсягу V. то (N - число молекул в посудині). У цьому випадку зміна тиску # 916; p пропорційно зміні середньої кінетичної енергії.
Виникають питання: яким чином можна на досвіді змінювати середню кінетичну енергію руху молекул в посудині незмінного обсягу? Яку фізичну величину потрібно змінити, щоб змінилася середня кінетична енергія Такий величиною у фізиці є температура.
Поняття температури тісно пов'язане з поняттям теплового рівноваги. Тіла, що знаходяться в контакті один з одним, можуть обмінюватися енергією. Енергія, що передається одним тілом іншому при тепловому контакті, називається кількістю теплоти.
Теплове рівновагу - це такий стан системи тіл, що знаходяться в тепловому контакті, при якому не відбувається теплопередачі від одного тіла до іншого, і все макроскопічні параметри тел залишаються незмінними. Температура - це фізичний параметр, однаковий для всіх тіл, що знаходяться в тепловій рівновазі. Можливість введення поняття температури випливає з досвіду і носить назву нульового закону термодинаміки.
Для вимірювання температури використовуються фізичні прилади - термометри. в яких про величину температури судять по зміні якого-небудь фізичного параметра. Для створення термометра необхідно вибрати термометрична речовина (наприклад, ртуть, спирт) і Термометрична величину. характеризує властивість речовини (наприклад, довжина ртутного або спиртового стовпчика). У різних конструкціях термометрів використовуються різноманітні фізичні властивості речовини (наприклад, зміна лінійних розмірів твердих тіл або зміна електричного опору провідників при нагріванні).
Термометри повинні бути відкалібровані. Для цього їх приводять в тепловий контакт з тілами, температури яких вважаються заданими. Найчастіше використовують прості природні системи, в яких температура залишається незмінною, незважаючи на теплообмін з навколишнім середовищем - це суміш льоду і води і суміш води і пари при кипінні при нормальному атмосферному тиску. За температурної шкалою Цельсія точці плавлення льоду приписується температура 0 ° С, а точки кипіння води - 100 ° С. Зміна довжини стовпа рідини в капілярах термометра на одну соту довжини між відмітками 0 ° С і 100 ° С приймається рівним 1 ° С. У ряді країн (США) широко використовується шкала Фаренгейта (TF), в якій температура замерзлої води приймається рівною 32 ° F, а температура кипіння води рівній 212 ° F. отже,
Особливе місце у фізиці займають газові термометри (рис. 3.2.4), в яких термометричною речовиною є розріджений газ (гелій, повітря) в посудині незмінного обсягу (V = const), а термометрической величиною - тиск газу p. Досвід показує, що тиск газу (при V = const) зростає з ростом температури, яка вимірюється за шкалою Цельсія.
Малюнок 3.2.4. Газовий термометр з постійним об'ємом.
Щоб проградуювати газовий термометр постійного об'єму, можна виміряти тиск при двох значеннях температури (наприклад, 0 ° C і 100 ° C), нанести точки p0 і p100 на графік, а потім провести між ними пряму лінію (рис. 3.2.5). Використовуючи отриманий таким чином калібрований графік, можна визначати температури, відповідні іншим значенням тиску. Екстраполюючи графік в область низького тиску, можна визначити деяку «гіпотетичну» температуру, при якій тиск газу стало б рівним нулю. Досвід показує, що ця температура дорівнює -273,15 ° С і не залежить від властивостей газу. Неможливо на досвіді отримати шляхом охолодження газ в стані з нульовим тиском, так як при дуже низьких температурах всі гази переходять в рідкі або тверді стану.
Малюнок 3.2.5. Залежність тиску газу від температури при V = const.
Англійський фізик У. Кельвін (Томсон) в 1848 році запропонував використовувати точку нульового тиску газу для побудови нової температурної шкали (шкала Кельвіна). У цій шкалі одиниця виміру температури така ж, як і в шкалою Цельсія, але нульова точка зрушена:
В системі СІ прийнято одиницю виміру температури за шкалою Кельвіна називати Кельвіном і позначати буквою K. Наприклад, кімнатна температура TС = 20 ° С за шкалою Кельвіна дорівнює TК = 293,15 К.
Температурна шкала Кельвіна називається абсолютною шкалою температур. Вона виявляється найбільш зручною при побудові фізичних теорій.
Немає необхідності прив'язувати шкалу Кельвіна до двох фіксованим точкам - точці плавлення льоду і точки кипіння води при нормальному атмосферному тиску, як це прийнято в шкалою Цельсія.
Крім точки нульового тиску газу, яка називається абсолютним нулем температури. досить прийняти ще одну фіксовану опорну точку. У шкалі Кельвіна в якості такої точки використовується температура потрійної точки води (0,01 ° С), в якій в тепловій рівновазі знаходяться всі три фази - лід, вода і пар. За шкалою Кельвіна температура потрійної точки приймається рівною 273,16 К.
Газові термометри громіздкі і незручні для практичного застосування: вони використовуються в якості високоточного стандарту для калібрування інших термометрів.
Таким чином, тиск розрідженого газу в посудині постійного обсягу V змінюється прямо пропорційно його абсолютній температурі: p
T. З іншого боку, досвід показує, що при незмінних обсязі V і температурі T тиск газу змінюється прямо пропорційно відношенню кількості речовини # 957; в даному посудині до обсягу V судини
де N - число молекул в посудині, NA - постійна Авогадро, n = N / V - концентрація молекул (т. е. число молекул в одиниці об'єму посудини). Об'єднуючи ці співвідношення пропорційності, можна записати:
де k - деяка універсальна для всіх газів постійна величина. Її називають постійної Больцмана. в честь австрійського фізика Л. Больцмана (1844-1906 рр.), одного з творців молекулярно-кінетичної теорії. Постійна Больцмана - одна з фундаментальних фізичних констант. Її чисельне значення в СІ одно:
k = 1,38 · 10 -23 Дж / К.
Порівнюючи співвідношення p = nkT з основним рівнянням молекулярно-кінетичної теорії газів, можна отримати:
Середня кінетична енергія хаотичного руху молекул газу прямо пропорційна абсолютній температурі.
Таким чином, температура є мірою середньої кінетичної енергії поступального руху молекул.
Слід звернути увагу на те, що середня кінетична енергія поступального руху молекули не залежить від її маси. Броунівський частка, зважена в рідині або газі, має таку ж середньої кінетичної енергією, як і окрема молекула, маса якої на багато порядків менше маси броунівський частинки. Цей висновок поширюється і на випадок, коли в посудині знаходиться суміш хімічно невзаимодействующих газів, молекули яких мають різні маси. У стані рівноваги молекули різних газів матимуть однакові середні кінетичні енергії теплового руху, які визначаються тільки температурою суміші. Тиск суміші газів на стінки посудини буде складатися з парціальних тисків кожного газу:
У цьому співвідношенні n1. n2. n3. ... - концентрації молекул різних газів в суміші. Це співвідношення виражає на мові молекулярно-кінетичної теорії експериментально встановлений на початку XIX століття закон Дальтона: тиск в суміші хімічно невзаимодействующих газів дорівнює сумі їх парціальних тисків.