52. Основные положения МКТ

§52. Основные положения МКТ
«...Наше поколение собирает урожай, посеянный
греческими атомистами. Конечным результатом
физических исследований явилось подтверждение их
фундаментальной идеи о том, что материальный мир,
по существу, построен из одинаковых элементарных
частиц, взаимодействия которых и порождают
разнообразие явлений». (М. Борн)
1. Прочитайте короткий отрывок из лекции американского физика-теоретика Р.
Фейнмана и найдите основные положения молекулярно-кинетической теории:
«Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания
оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы
только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов,
принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это  атомная гипотеза (можете
называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов 
маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на
небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В
одной этой фразе, как вы убедитесь, содержится невероятное количество информации о
мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения».
Гипотезу о дискретном строении вещества коротко можно сформулировать словами
древнеримского поэта Лукреция:
«Всю, самое по себе, составляют природу две вещи:
Это, во-первых, тела, во-вторых же, пустое пространство,
Где пребывают они и где двигаться могут различно».
2. Основные положения МКТ:
Все тела состоят из частиц (молекул, атомов, ионов), между которыми есть промежутки.
Размеры молекул очень малы (порядка 10-8 м), но число их даже в небольшом объеме
огромно (например, в наперстке воды порядка 1023 молекул). В жидкостях и твердых
телах расстояние между молекулами по порядку величины равно размерам молекул, а в
газах в десятки и даже сотни раз больше.
Молекулы находятся в непрерывном движении. При комнатной температуре их скорости
составляют сотни метров в секунду. В различных агрегатных состояниях характер этого
движения различен:

в твердых телах молекулы колеблются вблизи положений равновесия; твердые тела
сохраняют форму и объем (их трудно деформировать);

в жидкостях молекулы колеблются почти так же, как в твердых телах, но сами
положения равновесия постоянно перемещаются (молекулы жидкости – это
"кочевники"); жидкости имеют конечный объем и мало сжимаемы;

в газах молекулы свободно и хаотически (беспорядочно) движутся; газ занимает
весь предоставленный ему объем.
Благодаря различию в молекулярном строении вещества, находящиеся в различных
агрегатных состояниях, ведут себя по-разному. Так, при одинаковых температурах
диффузия в газах происходит в десятки тысяч раз быстрее, чем в жидкостях, и в
миллиарды раз быстрее, чем в твердых телах.
Молекулы взаимодействуют друг с другом: между ними действуют силы отталкивания и
притяжения, которые быстро убывают при увеличении расстояний между молекулами. В
притяжении молекул легко убедиться при наблюдении опытов, связанных с
поверхностным натяжением и смачиванием. Силы притяжения препятствуют испарению
жидкости, растяжению твердого тела. При попытке сжать твердое или жидкое тело мы
ощущаем значительные силы отталкивания.
3. Множество явлений легко объясняется с помощью молекулярной гипотезы. Испарение
объясняется отрывом молекул с поверхности тела, конденсация – возвращением молекул.
Твердое тело плавится благодаря тому, что частицы достигают значительных энергий,
позволяющих им преодолеть притяжение других молекул, разорвать связи. Диффузия
происходит благодаря хаотическому движению молекул. При нагревании скорость
диффузии повышается, т.к. увеличивается интенсивность беспорядочного движения
молекул. Нетрудно понять, что притяжение молекул препятствует диффузии, поэтому
диффузия в твердых телах происходит очень медленно; для ее ускорения необходимо
разогреть две поверхности и сильно прижать друг к другу. Диффузию - самопроизвольное
перемешивание веществ за счет движения молекул - надо отличать от принудительного
перемешивания веществ. Когда мы перемешиваем ложечкой сахар в чае  это не
диффузия.
4. Казалось бы, по скорости диффузии можно сделать вывод и о скоростях молекул.
Проходят часы, прежде чем частицы марганцовки распространятся на несколько
сантиметров в воде. Несколько минут нужно, чтобы почувствовать запах духов, разлитых
на расстоянии нескольких метров. Означает ли это, что скорости молекул газа при
обычной температуре составляют несколько сантиметров в секунду?
6-00
Воспользуйтесь таблицей, где приводятся скорости движения молекул некоторых газов
при нормальных условиях и объясните различие в скоростях молекул при при 0С. Почему
так мала скорость диффузии в газах, если молекулы имеют столь большие скорости?
5. Несмотря на то что молекулярная гипотеза возникла уже более двух с половиной тысяч
лет назад, ее окончательное утверждение произошло только в начале XX века. Так, еще в
середине XIX века можно было прочитать в учебнике физики такой текст:
«… все тела состоят из частей; следовательно все они могут быть делимы до
бесконечности, и мы не знаем предела, за которым можно было бы каждую частицу
материи почитать за неделимую, да не имеем и средств или орудий для продолжения
деления столь мелких частей, уже не подлежащих нашему зрению и осязанию…
…Многие Философы, Физики и Химики старались открыть в природе начала или
элементы, из которых составлены все тела; но труды их были бесполезны, мнения их
неудовлетворительны и встречали противоречия».
Последнюю точку в дискуссии о непрерывности и дискретности материи поставила
теория броуновского движения, разработанная Эйнштейном и Смолуховским в 1905
году и экспериментально подтвержденная Перреном в 1912 году. Это явление состоит в
том, что мелкие частицы, взвешенные в жидкости или газе, совершают беспорядочные
движения под ударами молекул. Возможность изучения движения этих частиц
существенно зависит от их размеров. Слишком крупные частицы могут только
колебаться, слишком мелкие частицы движутся почти так же быстро, как и молекулы, и
плохо поддаются наблюдениям. Размеры броуновских частиц в тысячи раз превышают
размеры молекул, поэтому они видны в обычный микроскоп и за их скачками удобно
следить. Понятно, что при нагревании интенсивность броуновского движения
повышается.
6 Для количественного описания явлений и процессов в молекулярной физике
используются величины, которые можно условно разделить на два типа: микропараметры
и макропараметрами. Вспомните основные определения и формулы.
Микропараметры:

масса молекулы m0 (кг);

скорость 0 (м/с) и средняя квадратичная скорость ср.кв. молекулы;

средняя кинетическая энергия молекулы W0 (кг·м2/с2 = Дж);

число молекул N;

концентрация молекул n (м3).
Макропараметры:

объем V (м3);

масса m (кг);

плотность  (кг/м3);

давление p (Н/м2 = Па);

температура t (C) – по шкале Цельсия или T (К) – по шкале Кельвина.
Закон Авогадро: при одинаковых условиях (давлении и температуре) в равных объемах
любых газов содержится одинаковое число молекул.
В одном моле любого вещества содержится одинаковое число молекул: NA 
6,02·1023 моль1 (число Авогадро).