Основні положення МКТ у фізиці

Пояснення природи теплових явищ завжди було непростим завданням. Протягом багатьох років ці події були пояснені помилково. Тільки завдяки роботі Больцмана і Максвелла нарешті вдалося зрозуміти, що таке тепловий потік, зміни в станах скупчення тіл і багато інших фізичних механізмів.

Альберт Ейнштейн довів, що теорії Больцмана і Максвелла були вірні. Основні положення МКТ були визначені в XIX столітті. Також становленню молекулярно-кінетичної теорії послужила теорія Ломоносова.

Концепція тепла

Ще в XIX столітті теорія тепла широко використовувалася для інтерпретації багатьох явищ. Вона припустила, що нагрівання і охолодження тіла пов’язане з потоком спеціальної рідини. Цікаво те, що ця концепція сьогодні вважається невірною (оскільки рідкі елементи не були ідентифіковані, і все це можна пояснити більш логічно і послідовно завдяки кінетичній теорії), але для багатьох явищ вона виявилася основною.

Сьогодні всі явища термодинаміки переводяться на основі молекулярно-кінетичної теорії. Її велика перевага полягає в тому, що вона об’єднує фізику і хімію в одне ціле.

Кінетична молекулярна теорія теплових явищ пояснюється рухом молекул. Передача енергії пов’язана зі взаємними зіткненнями цих частинок. Чим швидше рухаються молекули/атоми цього тіла, тим вище температура об’єкта. При абсолютному нульовому показнику частинки взагалі не рухаються. Температура прямо пропорційна середній кінетичній енергії частинок (КЕЧ) тіла.

Гарячі об’єкти складаються з енергетично рухомих молекул. Холодні тіла мають більш “ледачі” молекули. Звичайно, зі збільшенням швидкості збільшується і кінетична енергія частинок.

Важливою концепцією, тісно пов’язаною з температурою, є внутрішня енергія (ВЕ). Основна відмінність між цими поняттями пов’язана з тим, що ВЕ зростає зі збільшенням кількості речовини. Температура визначається в невеликому просторі, що містить частинки. Вона не залежить від кількості молекул.

Кінетична теорія газу

Кінетична теорія газу застосовується до системи молекул, зазначених в мікровизначенні ідеального газу. Вона дозволяє поєднувати кінематичні величини, що належать до окремих молекул, з термодинамічними параметрами (тиск або температура).

Основи теорії:

• всі тіла складаються з частинок, розміри яких можна пропустити;
• частинки знаходяться в безперервному русі;
• частинки взаємодіють один з одним за допомогою пружних зіткнень, а між цими явищами рухаються відповідно до правил динаміки Ньютона;
• повна енергія тіла – це сума кінетичної енергії, потенціалу і внутрішньої енергії цього тіла.

Модель ідеального газу являє собою велику кількість однакових пружних кульок зневажливо малих розмірів, що рухаються хаотично, використовуваних для опису властивостей всіх реальних газів, але досить розріджених.

Середня міжмолекулярна відстань в цьому стані набагато більше, ніж діапазон сил взаємодії. Теоретично це перенесення енергії потоку тепла пов’язане зі взаємними зіткненнями цих молекул. Чим швидше рухаються частинки розглянутої системи, тим вище температура тіла.

Це синдром багатьох молекул (матеріальних точок), що рухаються хаотично. При зіткненнях зі стінками вектор швидкості частинок змінюється.

У кубічній посудині відбувається постійний невпорядкований рух n рівних молекул газу. Хаотичне переміщення молекул може бути замінено рухом, при якому після 1/3n молекул рухається перпендикулярно кожній парі паралельних стінок.

Отже, для однієї з цих горизонтально рухомих частинок зіткнення зі стінкою відбулися через певні проміжки часу:

τ = 2аvi

У процесі імпульс частинка змінює знак, тому абсолютне значення зміни при кожному зіткненні становить

Δp = mvi — (-mvi) = 2mvi

де

• m – маса частинки

Ця зміна відбувається під впливом сили удару стінки на досліджувану молекулу, згідно з другим принципом динаміки:

дп = ф (т) дт

Молекула потрапляє в обрану стіну через певні проміжки часу. Можна припустити, що вона діє незмінно з часом середньої сили, що викликає, водночас, однакове збільшення імпульсу:

Δp=τ Fi

Отже, середня сила впливу однієї частинки на стінку судини:

Phi = Δpτ = mvi2a

Можна бачити, що температура є мірою середньої кінетичної енергії молекул газу. Енергія МГ залежить тільки від температури. Це основний результат кінетичної теорії ідеального газу.

Наведені вище рівняння пов’язують параметри, що описують стан газу (p, V, T), з величинами, що описують стан його частинок (середня енергія, середній квадрат швидкості).

Для характеристики положення об’єкта в просторі вводиться число ступенів свободи, тобто кількість незалежних координат, які однозначно описують положення об’єкта в просторі.

Для молекули ідеального газу теорія:

• одноатомна має три класи свободи, тобто c = 3 (положення точки в просторі описується трьома координатами);
• двоатомна має п’ять ступенів свободи с = 5 (для визначення положення одного атома потрібні три координати. Тоді інша може лежати на поверхні кулі з радіусом, що дорівнює міжатомній відстані. Отже, для його розташування потрібно дві додаткові координати);
• триатомна, тобто с = 6 (за умови, що атоми не лежать на одній прямій лінії) має шість ступенів свободи (визначення положення двох або трьох атомів вимагає п’яти поступальних СС, тоді як третій атом може лежати на окружності, в якій вісь симетрії — пряма, що з’єднує перші два атоми. Для її розташування потрібна додаткова координата);
• багатоатомна, що складається з трьох і більше атомів, також має шість ступенів свободи, оскільки визначення положення 3 в будь-якій кількості жорстко пов’язаних точок визначає положення всієї системи.

Молекулярна структура речовини – це рух Броуна, тобто хаотичний рух молекул в газі (або рідинах), викликаний зіткненнями між молекулами.

Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії:

де

• n — кількість частинок в одиничному об’ємі.

Основні положення МКТ

Молекулярно-кінетична теорія підтверджується багатьма явищами. При змішуванні різних рідин розчинення твердих речовин відбувається шляхом змішування молекул різних видів. Об’єм суміші може відрізнятися від загального об’єму компонентів, що входять в неї, що передбачає різні розміри молекулярних сполук.

Основні положення МКТ і їх дослідне обґрунтування:

• всі тіла в природі складаються з найдрібніших частинок (атомів і молекул);
• частинки знаходяться в безперервному хаотичному русі, який називається тепловим;
• елементи взаємодіють один з одним: між частинками виникають сили тяжіння і відштовхування, які залежать від відстані між ними.

Активні процеси

Більш інтенсивна дифузія відбувається в газах. Фактично, це показує, що молекули знаходяться в постійному випадковому русі. Поява дифузії також вказує на наявність щілин між молекулами. Речовина вважається дискретною.

Постулати молекулярно-кінетичної теорії (МКТ):

• тіла складаються з частинок дуже маленьких розмірів;
• молекули розглядають як матеріальні точки;
• молекули знаходяться в русі відтворення і побічно взаємодіють один з одним.

Структура речовини в теорії

Молекули у твердій речовині коливаються навколо положення рівноваги.

Крім того, вони:

• дуже близькі один до одного, нестисливі;
• мають форму і об’єм;
• мають високу силу об’єму.

У рідині відстань між молекулами велика.

Інші особливості:

• більший об’єм між молекулами;
• низький вплив один на одного;
• не мають форми, але мають об’єм;
• сильно стиснуті.

Між молекулами газу дуже велика відстань.

Крім того, вони:

• здійснюють хаотичні рухи;
• пружно стикаються один з одним (імпульс і енергія зберігаються);
• між зіткненнями рухаються рівномірно-прямолінійним рухом.

Ідеальний газ – це той, в якому немає взаємодії між частинками. Кожен газ можна вважати ідеальним, якщо він знаходиться при не дуже низькій температурі і під дуже високим тиском. Чим вище показник, тим більше удар.

Таким чином, молекулярно-кінетична теорія є результатом застосування принципів динаміки і простих методів усереднення системи молекул, визначених в мікроскопічному визначенні ідеального газу.