Експериментално обосноваване на основните положения на молекулярно-кинетичната теория (MKT) на структурата на материята. Маса и размер на молекулите. Константа на Авогадро. Разпоредби на молекулярно-кинетичната теория Разпоредби на MKT и експериментална обосновка

Молекулярно-кинетичната теория е клон на физиката, който изучава свойствата на различните състояния на материята, основан на концепцията за съществуването на молекули и атоми като най-малките частици на материята. ИКТ се основава на три основни принципа:

1. Всички вещества се състоят от най-малките частици: молекули, атоми или йони.

2. Тези частици са в непрекъснато хаотично движение, чиято скорост определя температурата на веществото.

3. Между частиците съществуват сили на привличане и отблъскване, чийто характер зависи от разстоянието между тях.

Основните разпоредби на MKT се потвърждават от много експериментални факти. Съществуването на молекули, атоми и йони е доказано експериментално, молекулите са достатъчно проучени и дори фотографирани с помощта на електронни микроскопи. Способността на газовете да се разширяват неограничено и да заемат целия предоставен им обем се обяснява с непрекъснатото хаотично движение на молекулите. Еластичността на газовете, твърдите тела и течностите, способността на течностите да намокрят някои твърди тела, процесите на оцветяване, слепване, поддържане на формата на твърдите тела и много други показват съществуването на сили на привличане и отблъскване между молекулите. Феноменът на дифузия - способността на молекулите на едно вещество да проникнат в пролуките между молекулите на друго - също потвърждава основните положения на MKT. Феноменът на дифузията обяснява например разпространението на миризми, смесването на различни течности, процеса на разтваряне на твърди вещества в течности, заваряването на метали чрез стопяване или чрез натиск. Потвърждение за непрекъснатото хаотично движение на молекулите е и Брауновото движение - непрекъснатото хаотично движение на микроскопични частици, които са неразтворими в течност.

Движението на брауновите частици се обяснява с хаотичното движение на флуидни частици, които се сблъскват с микроскопични частици и ги привеждат в движение. Експериментално е доказано, че скоростта на брауновите частици зависи от температурата на течността. Теорията за брауновото движение е разработена от А. Айнщайн. Законите за движение на частиците имат статистически, вероятностен характер. Има само един известен начин за намаляване на интензивността на Брауновото движение - намаляване на температурата. Наличието на Брауново движение убедително потвърждава движението на молекулите.

Всяко вещество се състои от частици, следователно количеството вещество v се счита за пропорционално на броя на частиците, т.е. структурните елементи, съдържащи се в тялото.

Единицата за количество на веществото е молът. Един мол е количеството вещество, което съдържа толкова структурни елементи на всяко вещество, колкото има атоми в 12 g C12 въглерод. Съотношението на броя на молекулите на веществото към количеството на веществото се нарича константа на Авогадро:

Константата на Авогадро показва колко атоми и молекули се съдържат в един мол вещество. Моларна маса - масата на един мол вещество, равна на съотношението на масата на веществото към количеството на веществото:

Моларната маса се изразява в kg/mol. Познавайки моларната маса, можете да изчислите масата на една молекула:

Моларната маса е свързана с относителната молекулна маса Mg. Относителното молекулно тегло е стойност, равна на съотношението на масата на молекула на дадено вещество към 1/12 от масата на въглероден атом C12. Ако химическата формула на дадено вещество е известна, тогава неговата относителна маса може да се определи с помощта на периодичната таблица, която, изразена в килограми, показва големината на моларната маса на това вещество.

Молекулярно-кинетична теория (MKT)- това е учение, което обяснява топлинните явления в макроскопичните тела и вътрешните свойства на тези тела чрез движението и взаимодействието на атомите, молекулите и йоните, които изграждат телата. В основата на MCT на структурата на материята са три разпоредби:

1. Материята е изградена от частици – молекули, атоми и йони. В състава на тези частици влизат по-малки елементарни частици. Молекулата е най-малката стабилна частица от дадено вещество. Молекулата има основните химични свойства на веществото. Молекулата е границата на разделяне на веществото, тоест най-малката част от веществото, която е в състояние да поддържа свойствата на това вещество. Атомът е най-малката частица от даден химичен елемент.
2. Частиците, които изграждат материята, са в непрекъснато хаотично (произволно) движение.
3. Частиците материя взаимодействат помежду си – привличат се и се отблъскват.

Тези основни положения се потвърждават експериментално и теоретично.

Съставът на веществото

Съвременните инструменти позволяват да се наблюдават изображения на отделни атоми и молекули. Електронен микроскоп или йонен проектор (микроскоп) може да се използва за изобразяване на отделни атоми и оценка на техния размер. Диаметърът на всеки атом е от порядъка на d = 10 -8 cm (10 -10 m). Молекулите са по-големи от атомите. Тъй като молекулите са изградени от няколко атома, колкото по-голям е броят на атомите в една молекула, толкова по-голям е нейният размер. Размерите на молекулите варират от 10 -8 cm (10 -10 m) до 10 -5 cm (10 -7 m).

Хаотично движение на частици

Непрекъснатото хаотично движение на частиците се потвърждава от брауновото движение и дифузия. Случайността на движението означава, че молекулите нямат предпочитани пътища и техните движения имат произволни посоки. Това означава, че всички посоки са еднакво вероятни.

дифузия(от латинското дифузия - разпространение, разпространение) - явление, когато в резултат на топлинното движение на веществото възниква спонтанно проникване на едно вещество в друго (ако тези вещества са в контакт).

Взаимното смесване на вещества възниква поради непрекъснатото и произволно движение на атоми или молекули (или други частици) на дадено вещество. С течение на времето дълбочината на проникване на молекулите на едно вещество в друго се увеличава. Дълбочината на проникване зависи от температурата: колкото по-висока е температурата, толкова по-голяма е скоростта на движение на частиците на веществото и толкова по-бърза е дифузията.

Дифузия се наблюдава във всички агрегатни състояния – в газове, течности и твърди вещества. Пример за дифузия в газовете е разпространението на миризми във въздуха при липса на директно смесване. Дифузията в твърди вещества осигурява свързването на метали по време на заваряване, запояване, хромиране и др. В газовете и течностите дифузията се извършва много по-бързо, отколкото в твърдите вещества.

Съществуването на стабилни течни и твърди тела се обяснява с наличието на сили на междумолекулно взаимодействие (сили на взаимно привличане и отблъскване). Същите причини обясняват ниската свиваемост на течностите и способността на твърдите тела да устояват на деформации на натиск и опън.

Силите на междумолекулно взаимодействие са електромагнитни по природа - това са сили от електрически произход. Причината за това е, че молекулите и атомите са съставени от заредени частици с противоположни знаци на заряда – електрони и положително заредени атомни ядра. Като цяло молекулите са електрически неутрални. Според електрическите свойства молекулата може приблизително да се разглежда като електрически дипол.

Силата на взаимодействие между молекулите има определена зависимост от разстоянието между молекулите. Тази зависимост е показана на фиг. 1.1. Тук са показани проекциите на силите на взаимодействие върху права линия, която минава през центровете на молекулите.

Ориз. 1.1. Зависимост на междумолекулните сили от разстоянието между взаимодействащите атоми.

Както можете да видите, с намаляването на разстоянието между молекулите r силата на привличане F r pr се увеличава (червена линия на фигурата). Както вече споменахме, силите на привличане се считат за отрицателни, следователно, когато разстоянието намалява, кривата се спуска надолу, тоест в отрицателната зона на графиката.

Силите на привличане действат, когато два атома или молекули се приближават един към друг, докато разстоянието r между центровете на молекулите е в района на 10 -9 m (2-3 молекулни диаметъра). С увеличаването на това разстояние силите на привличане отслабват. Силите на привличане са сили с малък обсег.

където ае коефициент в зависимост от вида на силите на привличане и структурата на взаимодействащите молекули.

При по-нататъшно приближаване на атоми или молекули на разстояния между центровете на молекулите от порядъка на 10 -10 m (това разстояние е сравнимо с линейните размери на неорганичните молекули) се появяват сили на отблъскване F r от (синя линия на фиг. 1.1) . Тези сили се появяват поради взаимното отблъскване на положително заредените атоми в молекулата и намаляват с увеличаване на разстоянието r дори по-бързо от силите на привличане (както може да се види на графиката - синята линия клони към нулата по-„стръмно“ от червената ).

където bе коефициент в зависимост от вида на отблъскващите сили и структурата на взаимодействащите молекули.

На разстояние r = r 0 (това разстояние е приблизително равно на сумата от радиусите на молекулите) силите на привличане балансират силите на отблъскване и проекцията на получената сила F r = 0. Това състояние съответства на най- стабилно подреждане на взаимодействащите молекули.

Като цяло резултантната сила е:

За r > r 0 привличането на молекулите надвишава отблъскването, за r< r 0 – отталкивание молекул превосходит их притяжение.

Зависимостта на силите на взаимодействие на молекулите от разстоянието между тях качествено обяснява молекулярния механизъм на появата на еластични сили в твърди тела.

При разтягане на твърдо тяло частиците се отдалечават една от друга на разстояния, по-големи от r 0 . В същото време се появяват притегателни сили на молекули, които връщат частиците в първоначалното им положение.

При компресиране на твърдо тяло частиците се приближават една към друга на разстояния, по-малки от разстоянието r 0 . Това води до увеличаване на отблъскващите сили, които връщат частиците в първоначалното им положение и предотвратяват по-нататъшното им компресиране.

Ако изместването на молекулите от равновесните позиции е малко, тогава силите на взаимодействие нарастват линейно с увеличаване на изместването. На диаграмата този сегмент е показан като удебелена светлозелена линия.

Следователно при малки деформации (милиони пъти по-големи от размера на молекулите) се изпълнява законът на Хук, според който еластичната сила е пропорционална на деформацията. За големи премествания законът на Хук не важи.

1. Експериментално обосноваване на основните положения на молекулярно-кинетичната теория за структурата на материята. Маса и размер на молекулите.

Молекулярно-кинетичната теория е клон на физиката, който изучава свойствата на различните състояния на материята, основан на концепцията за съществуването на молекули и атоми като най-малките частици на материята. ИКТ се основава на три основни принципа:

1. Всички вещества се състоят от най-малките частици: молекули, атоми или йони.

2. Тези частици са в непрекъснато хаотично движение, чиято скорост определя температурата на веществото.

3. Между частиците съществуват сили на привличане и отблъскване, чийто характер зависи от разстоянието между тях.

Основните разпоредби на MKT се потвърждават от много експериментални факти. Съществуването на молекули, атоми и йони е доказано експериментално, молекулите са достатъчно проучени и дори фотографирани с помощта на електронни микроскопи. Способността на газовете да се разширяват неограничено и да заемат целия предоставен им обем се обяснява с непрекъснатото хаотично движение на молекулите. Еластичността на газовете, твърдите тела и течностите, способността на течностите да намокрят някои твърди тела, процесите на оцветяване, слепване, поддържане на формата на твърдите тела и много други показват съществуването на сили на привличане и отблъскване между молекулите. Феноменът на дифузия - способността на молекулите на едно вещество да проникнат в пролуките между молекулите на друго - също потвърждава основните положения на MKT. Феноменът на дифузията обяснява например разпространението на миризми, смесването на различни течности, процеса на разтваряне на твърди вещества в течности, заваряването на метали чрез стопяване или чрез натиск. Потвърждение за непрекъснатото хаотично движение на молекулите е и Брауновото движение - непрекъснатото хаотично движение на микроскопични частици, които са неразтворими в течност.

Движението на брауновите частици се обяснява с хаотичното движение на флуидни частици, които се сблъскват с микроскопични частици и ги привеждат в движение. Експериментално е доказано, че скоростта на брауновите частици зависи от температурата на течността. Теорията за брауновото движение е разработена от А. Айнщайн. Законите за движение на частиците имат статистически, вероятностен характер. Има само един известен начин за намаляване на интензивността на Брауновото движение - намаляване на температурата. Наличието на Брауново движение убедително потвърждава движението на молекулите.

Всяко вещество се състои от частици, следователно количеството вещество v се счита за пропорционално на броя на частиците, т.е. структурните елементи, съдържащи се в тялото.

Единицата за количество на веществото е молът. Един мол е количеството вещество, което съдържа толкова структурни елементи на всяко вещество, колкото има атоми в 12 g C12 въглерод. Съотношението на броя на молекулите на веществото към количеството на веществото се нарича константа на Авогадро:

Константата на Авогадро показва колко атоми и молекули се съдържат в един мол вещество. Моларна маса - масата на един мол вещество, равна на съотношението на масата на веществото към количеството на веществото:

Моларната маса се изразява в kg/mol. Познавайки моларната маса, можете да изчислите масата на една молекула:

Средната маса на молекулите обикновено се определя чрез химични методи, константата на Авогадро е определена с висока точност чрез няколко физични метода. Масите на молекулите и атомите се определят със значителна степен на точност с помощта на масспектрограф.

Масите на молекулите са много малки. Например масата на водната молекула:

Моларната маса е свързана с относителната молекулна маса Mg. Относителното молекулно тегло е стойност, равна на съотношението на масата на молекула на дадено вещество към 1/12 от масата на въглероден атом C12. Ако химическата формула на дадено вещество е известна, тогава неговата относителна маса може да се определи с помощта на периодичната таблица, която, изразена в килограми, показва големината на моларната маса на това вещество.

Молекулярно-кинетичната теория е клон на физиката, който изучава свойствата на различните състояния на материята, основан на концепцията за съществуването на молекули и атоми като най-малките частици на материята. ИКТ се основава на три основни принципа:

1. Всички вещества се състоят от най-малките частици: молекули, атоми или йони.

2. Тези частици са в непрекъснато хаотично движение, чиято скорост определя температурата на веществото.

3. Между частиците съществуват сили на привличане и отблъскване, чийто характер зависи от разстоянието между тях.

Основните разпоредби на MKT се потвърждават от много експериментални факти. Съществуването на молекули, атоми и йони е доказано експериментално, молекулите са достатъчно проучени и дори фотографирани с помощта на електронни микроскопи. Способността на газовете да се разширяват неограничено и да заемат целия предоставен им обем се обяснява с непрекъснатото хаотично движение на молекулите. Еластичността на газовете, твърдите тела и течностите, способността на течностите да намокрят някои твърди тела, процесите на оцветяване, слепване, поддържане на формата на твърдите тела и много други показват съществуването на сили на привличане и отблъскване между молекулите. Феноменът на дифузия - способността на молекулите на едно вещество да проникнат в пролуките между молекулите на друго - също потвърждава основните положения на MKT. Феноменът на дифузията обяснява например разпространението на миризми, смесването на различни течности, процеса на разтваряне на твърди вещества в течности, заваряването на метали чрез стопяване или чрез натиск. Потвърждение за непрекъснатото хаотично движение на молекулите е и Брауновото движение - непрекъснатото хаотично движение на микроскопични частици, които са неразтворими в течност.

Движението на брауновите частици се обяснява с хаотичното движение на флуидни частици, които се сблъскват с микроскопични частици и ги привеждат в движение. Експериментално е доказано, че скоростта на брауновите частици зависи от температурата на течността. Теорията за брауновото движение е разработена от А. Айнщайн. Законите за движение на частиците имат статистически, вероятностен характер. Има само един известен начин за намаляване на интензивността на Брауновото движение - намаляване на температурата. Наличието на Брауново движение убедително потвърждава движението на молекулите.

Всяко вещество се състои от частици, следователно количеството вещество v се счита за пропорционално на броя на частиците, т.е. структурните елементи, съдържащи се в тялото.

Единицата за количество на веществото е молът. Един мол е количеството вещество, което съдържа толкова структурни елементи на всяко вещество, колкото има атоми в 12 g C12 въглерод. Съотношението на броя на молекулите на веществото към количеството на веществото се нарича константа на Авогадро:

Константата на Авогадро показва колко атоми и молекули се съдържат в един мол вещество. Моларна маса - масата на един мол вещество, равна на съотношението на масата на веществото към количеството на веществото:

Моларната маса се изразява в kg/mol. Познавайки моларната маса, можете да изчислите масата на една молекула:

Средната маса на молекулите обикновено се определя чрез химични методи, константата на Авогадро е определена с висока точност чрез няколко физични метода. Масите на молекулите и атомите се определят със значителна степен на точност с помощта на масспектрограф.

Масите на молекулите са много малки. Например масата на водната молекула:

Моларната маса е свързана с относителната молекулна маса Mg. Относителното молекулно тегло е стойност, равна на съотношението на масата на молекула на дадено вещество към 1/12 от масата на въглероден атом C12. Ако химическата формула на дадено вещество е известна, тогава неговата относителна маса може да се определи с помощта на периодичната таблица, която, изразена в килограми, показва големината на моларната маса на това вещество.

Молекулярно-кинетичната теория е обоснована. Нека дадем някои от доказателствата за хаотичното хаотично движение на молекулите: желанието на газа да заеме целия предоставен му обем, разпространението на миризлив газ в цялата стая; b Брауновото движение е случайното движение на най-малките частици материя, видими в микроскоп, които са в суспензия и са неразтворими в нея. Дифузията се проявява във всички тела в газове, течности и твърди вещества, но в различна степен. Дифузия в газовете може да се наблюдава, ако съд с миризма ...

Ако тази работа не ви подхожда, има списък с подобни произведения в долната част на страницата. Можете също да използвате бутона за търсене

ЕКСПЕРИМЕНТАЛНО ОБОСНОВАВАНЕ НА МОЛЕКУЛАРНО-КИНЕТИЧНАТА ТЕОРИЯ

Според молекулярно-кинетичната теория всички вещества се състоят от най-малките частици - молекули. Молекулите са в постоянно движение и взаимодействат една с друга. Молекулата е най-малката частица от вещество, което има своите химични свойства. Молекулите се състоят от по-прости частици - атоми на химични елементи. Молекулите на различните вещества имат различен атомен състав.

Молекулите имат кинетична енергия E kin и в същото време потенциалната енергия на взаимодействие E пот . В газообразно състояние E kin > E пот . В течно и твърдо състояние кинетичната енергия на частиците е сравнима с енергията на тяхното взаимодействие.

Три основни положения Молекулярна кинетична теория:

1. Всички вещества са съставени от молекули, т.е. имат дискретна структура, молекулите са разделени от празнини.

2. Молекулите са в непрекъснато произволно (хаотично) движение.

3. Между молекулите на тялото съществуват сили на взаимодействие.

Обоснована е молекулярно-кинетичната теория

Ето някои от доказателствата за произволното (хаотично) движение на молекулите:

а) желанието газът да заема целия предоставен му обем (разпределение на миризлив газ в цялата стая);

б) Брауново движение - произволното движение на най-малките видими в микроскоп частици материя, които са в суспензия и неразтворими в нея. Това движение възниква под въздействието на хаотични удари на заобикалящите течността молекули, които са в постоянно хаотично движение;

в) дифузия - взаимно проникване на молекули на съседни вещества. По време на дифузия молекулите на едно тяло, които са в непрекъснато движение, проникват в пролуките между молекулите на друго тяло в контакт с него и се разпространяват между тях. Дифузията се проявява във всички тела - в газове, течности и твърди вещества - но в различна степен.

1. Дифузия.

Дифузия в газовете може да се наблюдава, ако съд с миризлив газ се отвори на закрито. След известно време газът ще се разпространи в цялата стая.

Дифузията в течности е много по-бавна, отколкото в газове. Например, нека излеем разтвор на меден сулфат в чаша и след това, много внимателно, добавете слой вода и оставете чашата в стая с постоянна температура и където не подлежи на разклащане. След известно време ще наблюдаваме изчезването на рязката граница между витриола и водата и след няколко дни течностите ще се смесят, въпреки факта, че плътността на витриола е по-голяма от плътността на водата. Той също така дифузира вода с алкохол и други течности.

Дифузията в твърди вещества е дори по-бавна, отколкото в течности (от няколко часа до няколко години). Може да се наблюдава само при добре смлени тела, когато разстоянията между повърхностите на смлените тела са близки до разстоянията между молекулите (10-8 см). В този случай скоростта на дифузия се увеличава с повишаване на температурата и налягането.

Доказателство за силовото взаимодействие на молекулите:

а) деформация на тела под въздействието на сила;

б) запазване на формата от твърди тела;

в) повърхностното напрежение на течностите и, като следствие, явлението намокряне и капилярност.

Между молекулите съществуват както сили на привличане, така и сили на отблъскване (фиг. 1). При малки разстояния между молекулите преобладават силите на отблъскване. С увеличаването на разстоянието r между молекулите както силите на привличане, така и силите на отблъскване намаляват, като силите на отблъскване намаляват по-бързо. Следователно, за някаква стойност на r 0 (разстояние между молекулите) силите на привличане и отблъскване са взаимно балансирани.

Ориз. един. Привличащи и отблъскващи сили.

Ако се съгласим да присвоим положителен знак на силите на отблъскване и отрицателен знак на силите на привличане и да извършим алгебрично събиране на силите на отблъскване и привличане, тогава ще получим графиката, показана на фигура 2.

Ориз. 2. Алгебрично събиране на отблъскващи и привличащи сили.

Ориз. 3. Зависимостта на потенциалната енергия на взаимодействието на молекулите от разстоянието между тях.

Фигура 3 показва графика на зависимостта на потенциалната енергия на взаимодействието на молекулите от разстоянието между тях. Разстояние r 0 между молекулите съответства на минимума на потенциалната им енергия (фиг. 3). За да се промени разстоянието между молекулите в една или друга посока, е необходимо да се изразходва работа срещу преобладаващите сили на привличане или отблъскване. При по-къси разстояния (фиг. 2) кривата се издига стръмно; тази област съответства на силно отблъскване на молекули (дължащо се главно на кулоновото отблъскване на приближаващите се ядра). Молекулите се привличат на големи разстояния.

Разстояние r0 съответства на стабилно равновесно взаимно положение на молекулите. Фигура 2 показва, че с увеличаване на разстоянието между молекулите, преобладаващите сили на привличане възстановяват равновесното положение, а когато разстоянието между тях намалява, балансът се възстановява от преобладаващите сили на отблъскване.

Съвременните експериментални методи на физиката (рентгенов дифракционен анализ, наблюдения с електронен микроскоп и др.) позволяват да се наблюдава микроструктурата на веществата.

2. Числото на Авогадро.

Броят грамове вещество, равен на молекулното тегло на това вещество, се нарича грам молекула или мол. Например, 2 g водород е грам молекула водород; 32 грама кислород съставляват грам-молекула кислород. Масата на един мол вещество се нарича моларна маса на това вещество.

Означава се см . За водород ; за кислород ; за азот и т.н.

Броят на молекулите, съдържащи се в един мол различни вещества, е еднакъв и се нарича числото на Авогадро (NА).

Броят на Авогадро е изключително голям. За да почувствате неговата колосалност, представете си, че в Черно море са изсипани глави на карфица (всяка с диаметър около 1 мм), равна на броя на Авогадро. В същото време ще се окаже, че в Черно море вече няма място за вода: то ще бъде не само пълно, но и с голям излишък от тези глави на карфици. Авогадрум брой глави на карфи може да покрие площ, равна например на територията на Франция, със слой с дебелина около 1 км. И такъв огромен брой отделни молекули се съдържа само в 18 g вода; в 2 g водород и др.

Установено е, че в 1см 3 всеки газ при нормални условия (т.е. при 0 0 C и налягане 760 mm. rt. чл.) съдържа 2710 19 молекули.

Ако вземем брой тухли, равен на това число, тогава, плътно опаковани, тези тухли ще покрият повърхността на цялата суша на Земята със слой с височина 120 м. Кинетичната теория на газовете ни позволява да изчислим само средната свободен път на газова молекула (т.е. средното разстояние, което изминава молекулата от сблъсък до сблъсък с други молекули) и диаметъра на молекулата.

Представяме някои резултати от тези изчисления.

Диаметрите на отделните молекули са малки величини. Когато се увеличат милион пъти, молекулите ще бъдат с размерите на точка в типографския шрифт на тази книга. Означаваме с m - масата на газа (всяко вещество). Тогава връзкатадава броя молове газ.

Броят на газовите молекули n може да бъде изразен:

(1).

Брой молекули в единица обем n 0 ще бъде равно на:

(2) , където: V е обемът на газа.

Масата на една молекула m 0 може да се определи по формулата:

(3) .

Относителната маса на молекулата mотн се нарича стойността, равна на отношението на абсолютната маса на молекулата m 0 до 1/12 от масата на въглероден атом mок.

(4), където m oc = 210 -26 kg.

3. Уравнение на идеалния газ и изопроцеси.

Използвайки уравнението на състоянието на идеалния газ, могат да се изследват процеси, при които масата на газа и един от трите параметъра - налягане, обем или температура - остават непроменени. Количествените зависимости между два газови параметъра при фиксирана стойност на третия параметър се наричат ​​газови закони.

Процесите, протичащи при постоянна стойност на един от параметрите, се наричат ​​изопроцеси (от гръцки "isos" - равен). Вярно е, че в действителност нито един процес не може да продължи със строго фиксирана стойност на който и да е параметър. Винаги има определени влияния, които нарушават постоянството на температура, налягане или обем. Само в лабораторни условия е възможно да се поддържа постоянството на един или друг параметър с добра точност, но в съществуващите технически устройства и в природата това е практически невъзможно.

Изопроцесът е идеализиран модел на реален процес, който само се доближава до реалността.

Процесът на промяна на състоянието на термодинамичната система на макроскопичните тела при постоянна температура се нарича изотермичен.

За да се поддържа температурата на газа постоянна, е необходимо той да може да обменя топлина с голяма система - термостат. В противен случай, по време на компресия или разширение, температурата на газа ще се промени. Атмосферният въздух може да служи като термостат, ако температурата му не се променя забележимо по време на процеса.

Съгласно уравнението на състоянието на идеален газ, във всяко състояние с постоянна температура произведението от налягането на газа и неговия обем остава постоянно: pV=const при T=const. За газ с дадена маса произведението от налягането на газа и неговия обем е постоянно, ако температурата на газа не се променя.

Този закон е експериментално открит от английския учен Р. Бойлер (1627 - 1691) и малко по-късно от френския учен Е Мариот (1620 -1684). Затова се нарича закон на Бойл-Мариот.

Законът на Бойл - Мариот е валиден за всякакви газове, както и техните смеси, например за въздух. Само при налягания, няколкостотин пъти по-големи от атмосферното, отклонението от този закон става значително.

Зависимостта на налягането на газа от обема при постоянна температура се представя графично чрез крива, наречена изотерма. Газовата изотерма изобразява обратната връзка между налягане и обем. Крива от този вид се нарича хипербола в математиката.

Различните постоянни температури съответстват на различни изотерми. С повишаване на температурата налягането според уравнението на състоянието нараства, ако V=const. Следователно, изотермата, съответстваща на по-висока температура T 2 , лежи над изотермата, съответстваща на по-ниската температура T 1 .

Изотермичен процес може приблизително да се счита за процес на бавно компресиране на въздуха по време на разширяването на газа под буталото на помпата при изпомпването му от съда. Наистина температурата на газа в този случай се променя, но в първо приближение тази промяна може да се пренебрегне.

Процесът на промяна на състоянието на термодинамична система при постоянно налягане се нарича изобарен (от гръцки "барос" - тегло, тежест).

Съгласно уравнението, във всяко състояние на газ с постоянно налягане съотношението на обема на газа към неговата температура остава постоянно: =const при p=const.

За газ с дадена маса отношението на обем към температура е постоянно, ако налягането на газа не се променя.

Този закон е установен експериментално през 1802 г. от френския учен Ж. Гей-Люсак (1778 - 1850) и се нарича закон на Гей-Люсак.

Съгласно уравнението обемът на газа зависи линейно от температурата при постоянно налягане: V=const T.

Тази зависимост се представя графично с права линия, която се нарича изобара. Различните налягания съответстват на различни изобари. С увеличаване на налягането обемът на газа при постоянна температура намалява според закона на Бойл-Мариот. Следователно изобарата, съответстваща на по-високото налягане p 2 , лежи под изобарата, съответстваща на по-ниското налягане p 1 .

При ниски температури всички изобари на идеален газ се събират в точката T=0. Но това не означава, че обемът на реалния газ наистина изчезва. Всички газове при силно охлаждане се превръщат в течност и уравнението на състоянието не е приложимо за течности.

Процесът на промяна на състоянието на термодинамична система при постоянен обем се нарича изохоричен (от гръцки "хорема" - капацитет).

От уравнението на състоянието следва, че във всяко състояние на газ с постоянен обем съотношението на налягането на газа към неговата температура остава непроменено: =const при V=const.

За газ с дадена маса съотношението на налягането към температурата е постоянно, ако обемът не се променя.

Този газов закон е установен през 1787 г. от френския физик Ж. Чарлз (1746 - 1823) и се нарича закон на Чарлз. Според уравнението:

Const при V=const налягането на газа зависи линейно от температурата при постоянен обем: p=const T.

Тази зависимост се представя с права линия, наречена изохора.

Различните обеми съответстват на различни изохори. С увеличаване на обема на газ при постоянна температура, налягането му, съгласно закона на Бойл-Мариот, намалява. Следователно изохора, съответстваща на по-голям обем V 2 , лежи под изохората, съответстваща на по-малкия обем V 1 .

Според уравнението всички изохори започват в точката T=0.

Така че налягането на идеален газ при абсолютна нула е нула.

Увеличаването на налягането на газа във всеки контейнер или в електрическа крушка при нагряване е изохорен процес. Изохорният процес се използва в газови термостати с постоянен обем.

4. Температура.

Всяко макроскопично тяло или група от макроскопични тела се нарича термодинамична система.

Термично или термодинамично равновесие е такова състояние на термодинамична система, при което всички нейни макроскопични параметри остават непроменени: обемът, налягането не се променят, не се извършва пренос на топлина, няма преходи от едно състояние на агрегиране в друго и др. При постоянни външни условия всяка термодинамична система спонтанно преминава в състояние на топлинно равновесие.

Температурата е физична величина, която характеризира състоянието на топлинно равновесие на система от тела: всички тела на системата, които са в топлинно равновесие помежду си, имат една и съща температура.

Абсолютна нулева температура - граничната температура, при която налягането на идеален газ при постоянен обем трябва да бъде нула или обемът на идеален газ при постоянно налягане трябва да бъде равен на нула.

Термометър - устройство за измерване на температурата. Обикновено термометрите се калибрират по скалата на Целзий: температурата на кристализация на водата (топене на лед) съответства на 0 ° C, точката на кипене е 100 ° C.

Келвин въвежда абсолютна температурна скала, според която нулевата температура съответства на абсолютната нула, температурната единица по скалата на Келвин е равна на градуси по Целзий: [T] = 1 K (Келвин).

Връзка между температурата в енергийни единици и температурата в градуси Келвин:

където k \u003d 1,38 * 10 -23 J/K - константата на Болцман.

Връзката между абсолютната скала и скалата на Целзий:

T = t + 273, където t е температурата в градуси по Целзий.

Средната кинетична енергия на произволното движение на газовите молекули е пропорционална на абсолютната температура:

Като се вземе предвид равенството (1), основното уравнение на молекулярно-кинетичната теория може да се напише по следния начин: p = nkT.

Основни уравнения на молекулярно-кинетичната теория на идеален газ за налягане.

Газът се нарича идеален, ако:

1) собственият обем на газовите молекули е незначителен в сравнение с обема на съда;

2) няма сили на взаимодействие между газовите молекули;

3) сблъсъците на газовите молекули със стените на съда са абсолютно еластични.

Реалните газове (например кислород и хелий) при условия, близки до нормалните, както и при ниско налягане и високи температури, са близки до идеалните газове. Частиците на идеален газ в интервалите между сблъсъци се движат равномерно и праволинейно. Налягането на газа върху стените на съда може да се разглежда като поредица от бързо следващи удари на газови молекули в стената. Нека да разгледаме как да изчислим налягането, причинено от отделни удари. Нека си представим, че поредица от отделни и чести удари се случват върху определена повърхност. Намерете такава средна постоянна сила , които, действайки през времето t, през което са възникнали отделните въздействия, ще произведат същия ефект като всички тези въздействия в тяхната съвкупност. В този случай импулсът на тази средна сила през времето t трябва да бъде равен на сумата от импулсите на всички онези удари, които повърхността е получила през това време, т.е.

Където t 1 , t 2 , t 3 ... t n - времето на взаимодействие на първата, втората, ..., n-тата молекула със стената (т.е. продължителността на удара); f 1, f 2, f 3 ... f n е силата на удара на молекулите върху стената. От тази формула следва:

(7).

Средната сила на натиск, причинена от серия от отделни удари върху определена повърхност, е числено равна на сумата от импулсите на всички удари, получени от тази повърхност за единица време, и се нарича изохора.

5. Скорости на газовите молекули.

Формула (12) може да се запише като:

(15), където (маса газ).

От израз (15) изчисляваме средната квадратична скорост на газовите молекули:

(16) .

Знаейки това (R е универсалната газова константа; R=8,31), получаваме нови изрази за определяне .

(17) .

Експериментално определяне на скоростите на движение на молекулите на сребърните пари е извършено за първи път през 1920 г. от Стърн.

Ориз. 5. Опит на Стърн.

Въздухът се изпомпва от стъкления цилиндър E (фиг. 5). Вътре в този цилиндър беше поставен втори цилиндър D, който имаше обща ос с него O. По протежение на образуващата цилиндър D имаше изрезка под формата на тесен процеп C. По оста беше опъната посребрена платинена тел , през които можеше да премине ток. В същото време телта се нагрява и среброто от повърхността й се превръща в пара. Молекулите на сребърната пара се разпръснаха в различни посоки, някои от тях преминаха през прорез С на цилиндър D, а на вътрешната повърхност на цилиндър Е се появи сребърен депозит под формата на тясна ивица. На фиг. 5 позицията на сребърната лента е отбелязана с буквата А.

Когато цялата система беше приведена в много бързо движение по такъв начин, че телта да беше оста на въртене, тогава лентата А на цилиндъра Е се оказа изместена настрани, т.е. например не в точка A, а в точка B. Това се случи, защото докато сребърните молекули летяха по пътя CA, точка A на цилиндър E имаше време да се завърти на разстояние AB и сребърните молекули паднаха не в точка A, а в точка Б.

Нека означим преместването на сребърната лента AB = d; радиуса на цилиндъра E до R, радиуса на цилиндъра D до r и броя на оборотите на цялата система за секунда презн.

За един оборот на системата точка А от повърхността на цилиндър Е ще измине път, равен на обиколката 2πR, а за 1 секунда ще измине път. Времето t, през което точка A се е преместила на разстояние AB = d, ще бъде равно на:. За времето t молекулите на сребърните пари прелетяха разстояние CA = R - r . Тяхната скорост v може да се намери като изминатото разстояние, разделено на времето:или замествайки t, получаваме:.

Сребърното покритие на стената на цилиндър D се оказа размазано, което потвърди наличието на различни скорости на молекулите.От опит беше възможно да се определи най-вероятната скорост v ver което съответстваше на най-голямата дебелина на сребърния депозит.

Най-вероятната скорост може да се изчисли по формулата, дадена от Максуел:(осемнадесет). Според изчисленията на Максуел средноаритметичната скорост на молекулите е: (19).

6. Уравнението на състоянието на идеален газ е уравнението на Менделеев-Клапейрон.

От основното уравнение на молекулярно-кинетичната теория (формула (14) следва закона на Авогадро: равни обеми различни газове при еднакви условия (еднаква температура и едно и също налягане) съдържат еднакъв брой молекули:(за един газ),(за друг газ).

Ако V 1 = V 2 ; T1 = T2; r 1 \u003d r 2, след това n 01 \u003d n 02.

Спомнете си, че единицата за количеството вещество в системата SI е мол (грам-молекула) масам един мол вещество се нарича моларна маса на това вещество. Броят на молекулите, съдържащи се в един мол различни вещества, е еднакъв и се нарича числото на Авогадро (N A = 6,0210 23 1/mol).

Записваме уравнението на състоянието на идеален газ за един мол:, където Vm - обемът на един мол газ;, където Vm - обемът на един мол газ; (универсална газова константа).

Накрая имаме: (26).

Уравнение (26) се нарича уравнение на Клапейрон (за един мол газ). При нормални условия (p = 1,01310 5 Pa и T = 273,15 0 K) моларният обем на всеки газ V m = 22,410 -3 . От формула (26) определяме; .

От уравнение (26) за мол газ може да се премине към уравнението на Менделеев-Клапейрон за всяка газова маса m.

Поведение дава броя молове газ. Умножаваме лявата и дясната част на неравенството (26) по.

Ние имаме където е обемът на газа.

Нека най-накрая да напишем: (27 ) . Уравнение (27) е уравнението на Менделеев-Клапейрон. Плътността на газа може да бъде въведена в това уравнениеи .

Във формула (27) заместваме V и получавамеили .

7. Опитни газови закони. Налягане на смес от идеални газове (закон на Далтон).

Емпирично, много преди появата на молекулярно-кинетичната теория, бяха открити редица закони, които описват равновесните изопроцеси в идеален газ. Изопроцесът е равновесен процес, при който един от параметрите на състоянието не се променя (е постоянен). Има изотермични (T = const), изобарни (p = const), изохорни (V = const) изопроцеси. Изотермичният процес се описва от закона на Бойл-Мариот: „ако по време на процеса масата и температурата на идеален газ не се променят, тогава произведението на налягането на газа и неговия обем е константа PV = конст (29). Графичното представяне на уравнението на състоянието се нарича диаграма на състоянието. В случай на изопроцеси, диаграмите на състоянието се изобразяват като двумерни (плоски) криви и се наричат ​​съответно изотерми, изобари и изохори.

Изотермите, съответстващи на две различни температури, са показани на фиг. 6.

Ориз. 6. Изотерми, съответстващи на две различни температури.

Изобарният процес се описва от закона на Гей-Лусак: „ако по време на процеса налягането и масата на идеален газ не се променят, тогава отношението на обема на газа към неговата абсолютна температура е константа:(30).

Изобари, съответстващи на две различни налягания, са показани на фиг.7.

Ориз. 7. Изобари, съответстващи на две различни налягания.

Уравнението на изобарния процес може да бъде написано по различен начин:31), където V 0 - обем на газа при 0 0°C; V t - обем газ при t 0 ° С; t е температурата на газа в градуси по Целзий;α - коефициент на обемно разширение. От формула (31) следва, че. Експериментите на френския физик Гей-Люсак (1802) показват, че коефициентите на обемно разширение на всички видове газове са еднакви и, т.е. при нагряване с 1 0 C газът увеличава своя обем с част от обема, който е заемал при 0 0 В. На фиг. 8 е показана графика на зависимостта на обема на газа V T температура t 0C.

Ориз. осем. Графика на обема на газа V T температура t 0C.

Изохорният процес се описва от закона на Чарлз: „ако по време на процеса обемът и масата на идеален газ не се променят, тогава отношението на налягането на газа към неговата абсолютна температура е константа:

(32).

Изохори, съответстващи на два различни обема, са показани на фиг. 9.

Ориз. 9. Изохори, съответстващи на два различни обема.

Уравнението на изохорния процес може да бъде написано по различен начин:(33), където - налягане на газа приОТ; - налягане на газа при t; t е температурата на газа в градуси по Целзий;- температурен коефициент на налягане. От формула (33) следва, че. За всички газове и . Ако газът се нагрее доC (при V=const), тогава налягането на газа ще се увеличи счаст от натиска, който е имал, когатоC. Фигура 10 показва графика на налягането на газа спрямо температурата t.

Ориз. десет. Графика на налягането на газа спрямо температурата t.

Ако продължим правата AB, докато тя пресече оста x (точка), тогава стойността на тази абциса се определя от формула (33), акоприравнявам към нула.

;

Следователно при температураналягането на газа трябва да стигне до нула, но при такова охлаждане газът няма да запази газообразното си състояние, а ще се превърне в течност и дори в твърдо вещество. температурасе нарича абсолютна нула.

В случай на механична смес от газове, които не влизат в химични реакции, налягането на сместа също се определя по формулата, където (концентрация на сместае равна на сумата от концентрациите на компонентите на сместа в общо n - компоненти).

Законът на Далтон гласи: Налягане на сместае равно на сумата от парциалните налягания на газовете, образуващи сместа.. налягане наречен частично. Парциалното налягане е налягането, което даден газ би създал, ако той сам заемаше съда, в който се намира сместа (в същото количество, в което се съдържа в сместа).

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Бричков Ю.А., Маричев О.И., Прудников А.П. Таблици на неопределените интеграли: Наръчник. - М.: Наука, 1986.

2. Коган М.Н. Динамика на разреден газ. М., Физматлит, 1999.

3. А. К. Кикоин, Молекулярна физика. М., Физматлит, 1976.

4. Сивухин Д.В. Общ курс по физика, т. 2. Термодинамика и молекулярна физика. М., Физматлит, 1989.

5. Кирянов А.П., Коршунов С.М. Термодинамика и молекулярна физика. Студентска помощ. Изд. проф. ПО дяволите. Гладун. - М., "Просвещение", 1977 г.

СТРАНИЦА \* MERGEFORMAT 3