Eksperimentalno utemeljenje osnovnih odredbi molekularno-kinetičke teorije (MKT) strukture materije. Masa i veličina molekula. Avogadrova konstanta. Odredbe molekularne kinetičke teorije Odredbe MKT i eksperimentalna potkrepljenja

Molekularno-kinetička teorija je grana fizike koja proučava svojstva različitih stanja materije, zasnovana na konceptu postojanja molekula i atoma kao najmanjih čestica materije. ICT se zasniva na tri glavna principa:

1. Sve supstance se sastoje od najmanjih čestica: molekula, atoma ili jona.

2. Ove čestice su u neprekidnom haotičnom kretanju, čija brzina određuje temperaturu supstance.

3. Između čestica postoje sile privlačenja i odbijanja, čija priroda zavisi od udaljenosti između njih.

Glavne odredbe MKT potvrđuju mnoge eksperimentalne činjenice. Eksperimentalno je dokazano postojanje molekula, atoma i jona, molekuli su dovoljno proučavani, pa čak i fotografisani pomoću elektronskih mikroskopa. Sposobnost plinova da se neograničeno šire i zauzimaju cjelokupni volumen koji im se pruža objašnjava se kontinuiranim haotičnim kretanjem molekula. Elastičnost gasova, čvrstih tela i tečnosti, sposobnost tečnosti da vlaže neke čvrste materije, procesi bojenja, lepljenja, održavanja oblika čvrstih tela i još mnogo toga ukazuju na postojanje sila privlačenja i odbijanja između molekula. Fenomen difuzije - sposobnost molekula jedne supstance da prodre u praznine između molekula druge - također potvrđuje osnovne odredbe MKT. Fenomen difuzije objašnjava, na primjer, širenje mirisa, miješanje različitih tekućina, proces rastvaranja čvrstih tvari u tekućinama, zavarivanje metala njihovim topljenjem ili pritiskom. Potvrda kontinuiranog haotičnog kretanja molekula je i Brownovo kretanje - kontinuirano haotično kretanje mikroskopskih čestica koje su nerastvorljive u tekućini.

Kretanje Brownovih čestica objašnjava se haotičnim kretanjem čestica fluida koje se sudaraju s mikroskopskim česticama i pokreću ih. Eksperimentalno je dokazano da brzina Brownovih čestica ovisi o temperaturi tekućine. Teoriju Brownovog kretanja razvio je A. Einstein. Zakoni kretanja čestica su statističke, vjerovatnoće. Postoji samo jedan poznat način da se smanji intenzitet Brownovog kretanja - smanjenje temperature. Postojanje Brownovog kretanja uvjerljivo potvrđuje kretanje molekula.

Svaka supstanca se sastoji od čestica, pa se količina supstance v smatra proporcionalnom broju čestica, odnosno strukturnih elemenata sadržanih u tijelu.

Jedinica za količinu supstance je mol. Mol je količina tvari koja sadrži onoliko strukturnih elemenata bilo koje tvari koliko ima atoma u 12 g C12 ugljika. Omjer broja molekula tvari i količine tvari naziva se Avogadrova konstanta:

Avogadrova konstanta pokazuje koliko atoma i molekula se nalazi u jednom molu supstance. Molarna masa - masa jednog mola tvari, jednaka omjeru mase tvari i količine tvari:

Molarna masa se izražava u kg/mol. Znajući molarnu masu, možete izračunati masu jednog molekula:

Molarna masa je povezana sa relativnom molekulskom masom Mg. Relativna molekulska težina je vrijednost jednaka omjeru mase molekula date supstance i 1/12 mase atoma C12 ugljika. Ako je poznata kemijska formula tvari, tada se njena relativna masa može odrediti pomoću periodične tablice, koja, izražena u kilogramima, pokazuje veličinu molarne mase ove tvari.

Teorija molekularne kinetike (MKT)- ovo je doktrina koja objašnjava termičke pojave u makroskopskim tijelima i unutrašnja svojstva ovih tijela kretanjem i interakcijom atoma, molekula i jona koji čine tijela. U srcu MCT strukture materije su tri odredbe:

1. Materija se sastoji od čestica - molekula, atoma i jona. Sastav ovih čestica uključuje manje elementarne čestice. Molekul je najmanja stabilna čestica date supstance. Molekul ima osnovna hemijska svojstva supstance. Molekul je granica podjele tvari, odnosno najmanji dio tvari koji je u stanju održati svojstva ove tvari. Atom je najmanja čestica nekog hemijskog elementa.
2. Čestice koje čine materiju su u neprekidnom haotičnom (nasumičnom) kretanju.
3. Čestice materije međusobno djeluju – privlače i odbijaju.

Ove osnovne odredbe su potvrđene eksperimentalno i teorijski.

Sastav supstance

Savremeni instrumenti omogućavaju posmatranje slika pojedinačnih atoma i molekula. Za snimanje pojedinačnih atoma i procjenu njihove veličine može se koristiti elektronski mikroskop ili ionski projektor (mikroskop). Prečnik bilo kog atoma je reda d = 10 -8 cm (10 -10 m). Molekule su veće od atoma. Budući da se molekule sastoje od nekoliko atoma, što je veći broj atoma u molekulu, to je veća njegova veličina. Veličine molekula kreću se od 10 -8 cm (10 -10 m) do 10 -5 cm (10 -7 m).

Haotično kretanje čestica

Kontinuirano haotično kretanje čestica potvrđeno je Brownovim kretanjem i difuzijom. Nasumično kretanje znači da molekuli nemaju željene putanje i da njihova kretanja imaju nasumične smjerove. To znači da su svi pravci podjednako vjerovatni.

Difuzija(od latinskog diffusion - širenje, širenje) - pojava kada, kao rezultat toplinskog kretanja tvari, dolazi do spontanog prodora jedne tvari u drugu (ako su te tvari u kontaktu).

Uzajamno miješanje supstanci nastaje zbog kontinuiranog i nasumičnog kretanja atoma ili molekula (ili drugih čestica) neke supstance. S vremenom se dubina prodiranja molekula jedne tvari u drugu povećava. Dubina prodiranja ovisi o temperaturi: što je temperatura viša, to je veća brzina kretanja čestica tvari i brža je difuzija.

Difuzija se opaža u svim agregatnim stanjima - u gasovima, tečnostima i čvrstim materijama. Primjer difuzije u plinovima je širenje mirisa u zraku u odsustvu direktnog miješanja. Difuzija u čvrstim materijama osigurava spajanje metala tokom zavarivanja, lemljenja, hromiranja itd. U gasovima i tečnostima, difuzija se dešava mnogo brže nego u čvrstim materijama.

Postojanje stabilnih tečnih i čvrstih tela objašnjava se prisustvom sila međumolekulske interakcije (sile međusobnog privlačenja i odbijanja). Isti razlozi objašnjavaju nisku stišljivost tekućina i sposobnost čvrstih tijela da se odupru tlačnim i vlačnim deformacijama.

Sile međumolekularne interakcije su elektromagnetne prirode - to su sile električnog porijekla. Razlog tome je što se molekule i atomi sastoje od nabijenih čestica suprotnih znakova naboja - elektrona i pozitivno nabijenih atomskih jezgara. Općenito, molekule su električno neutralne. Prema električnim svojstvima, molekul se može približno smatrati električnim dipolom.

Jačina interakcije između molekula ima određenu ovisnost o udaljenosti između molekula. Ova zavisnost je prikazana na sl. 1.1. Ovdje su prikazane projekcije sila interakcije na pravu liniju koja prolazi kroz centre molekula.

Rice. 1.1. Ovisnost međumolekulskih sila o udaljenosti između atoma u interakciji.

Kao što možete vidjeti, kako se udaljenost između molekula r smanjuje, privlačna sila F r pr raste (crvena linija na slici). Kao što je već spomenuto, sile privlačenja se smatraju negativnim, pa kako se udaljenost smanjuje, kriva se spušta, odnosno u negativnu zonu grafa.

Privlačne sile djeluju tako što se dva atoma ili molekula približavaju jedan drugom, dok je udaljenost r između centara molekula u području od 10 -9 m (2-3 molekulska prečnika). Kako se ova udaljenost povećava, sile privlačenja slabe. Privlačne sile su sile kratkog dometa.

gdje a je koeficijent koji ovisi o vrsti privlačnih sila i strukturi molekula u interakciji.

Daljnjim približavanjem atoma ili molekula na udaljenostima između centara molekula reda 10-10 m (ova udaljenost je uporediva sa linearnim dimenzijama anorganskih molekula), pojavljuju se odbojne sile F r od (plava linija na sl. 1.1) . Ove sile nastaju zbog međusobnog odbijanja pozitivno nabijenih atoma u molekuli i smanjuju se s povećanjem udaljenosti r čak i brže od privlačnih sila (kao što se može vidjeti na grafikonu - plava linija teži nuli „strmo“ od crvene ).

gdje b je koeficijent koji ovisi o vrsti odbojnih sila i strukturi molekula u interakciji.

Na udaljenosti r = r 0 (ova udaljenost je približno jednaka zbiru polumjera molekula), privlačne sile uravnotežuju sile odbijanja, a projekcija rezultirajuće sile F r = 0. Ovo stanje odgovara najviše stabilan raspored molekula u interakciji.

Generalno, rezultujuća sila je:

Za r > r 0, privlačenje molekula je veće od odbijanja, za r< r 0 – отталкивание молекул превосходит их притяжение.

Ovisnost interakcijskih sila molekula o udaljenosti između njih kvalitativno objašnjava molekularni mehanizam pojave elastičnih sila u čvrstim tijelima.

Kada se čvrsto tijelo rastegne, čestice se udaljavaju jedna od druge na udaljenosti većoj od r 0 . Istovremeno se pojavljuju privlačne sile molekula koje vraćaju čestice u prvobitni položaj.

Kada je čvrsto tijelo komprimirano, čestice se približavaju jedna drugoj na udaljenostima manjim od udaljenosti r 0 . To dovodi do povećanja odbojnih sila, koje vraćaju čestice u prvobitni položaj i sprječavaju daljnju kompresiju.

Ako je pomak molekula iz ravnotežnih položaja mali, tada sile interakcije rastu linearno sa povećanjem pomaka. Na grafikonu je ovaj segment prikazan kao zadebljana svijetlozelena linija.

Dakle, pri malim deformacijama (milionima puta većim od veličine molekula) je ispunjen Hookeov zakon prema kojem je elastična sila proporcionalna deformaciji. Za velike pomake, Hookeov zakon se ne primjenjuje.

1. Eksperimentalno potkrepljivanje osnovnih odredbi molekularno-kinetičke teorije strukture materije. Masa i veličina molekula.

Molekularno-kinetička teorija je grana fizike koja proučava svojstva različitih stanja materije, zasnovana na konceptu postojanja molekula i atoma kao najmanjih čestica materije. ICT se zasniva na tri glavna principa:

1. Sve supstance se sastoje od najmanjih čestica: molekula, atoma ili jona.

2. Ove čestice su u neprekidnom haotičnom kretanju, čija brzina određuje temperaturu supstance.

3. Između čestica postoje sile privlačenja i odbijanja, čija priroda zavisi od udaljenosti između njih.

Glavne odredbe MKT potvrđuju mnoge eksperimentalne činjenice. Eksperimentalno je dokazano postojanje molekula, atoma i jona, molekuli su dovoljno proučavani, pa čak i fotografisani pomoću elektronskih mikroskopa. Sposobnost plinova da se neograničeno šire i zauzimaju cjelokupni volumen koji im se pruža objašnjava se kontinuiranim haotičnim kretanjem molekula. Elastičnost gasova, čvrstih tela i tečnosti, sposobnost tečnosti da vlaže neke čvrste materije, procesi bojenja, lepljenja, održavanja oblika čvrstih tela i još mnogo toga ukazuju na postojanje sila privlačenja i odbijanja između molekula. Fenomen difuzije - sposobnost molekula jedne supstance da prodre u praznine između molekula druge - također potvrđuje osnovne odredbe MKT. Fenomen difuzije objašnjava, na primjer, širenje mirisa, miješanje različitih tekućina, proces rastvaranja čvrstih tvari u tekućinama, zavarivanje metala njihovim topljenjem ili pritiskom. Potvrda kontinuiranog haotičnog kretanja molekula je i Brownovo kretanje - kontinuirano haotično kretanje mikroskopskih čestica koje su nerastvorljive u tekućini.

Kretanje Brownovih čestica objašnjava se haotičnim kretanjem čestica fluida koje se sudaraju s mikroskopskim česticama i pokreću ih. Eksperimentalno je dokazano da brzina Brownovih čestica ovisi o temperaturi tekućine. Teoriju Brownovog kretanja razvio je A. Einstein. Zakoni kretanja čestica su statističke, vjerovatnoće. Postoji samo jedan poznat način da se smanji intenzitet Brownovog kretanja - smanjenje temperature. Postojanje Brownovog kretanja uvjerljivo potvrđuje kretanje molekula.

Svaka supstanca se sastoji od čestica, pa se količina supstance v smatra proporcionalnom broju čestica, odnosno strukturnih elemenata sadržanih u tijelu.

Jedinica za količinu supstance je mol. Mol je količina tvari koja sadrži onoliko strukturnih elemenata bilo koje tvari koliko ima atoma u 12 g C12 ugljika. Omjer broja molekula tvari i količine tvari naziva se Avogadrova konstanta:

Avogadrova konstanta pokazuje koliko atoma i molekula se nalazi u jednom molu supstance. Molarna masa - masa jednog mola tvari, jednaka omjeru mase tvari i količine tvari:

Molarna masa se izražava u kg/mol. Znajući molarnu masu, možete izračunati masu jednog molekula:

Prosječna masa molekula se obično određuje hemijskim metodama, a Avogadrova konstanta je određena sa velikom preciznošću nekoliko fizičkih metoda. Mase molekula i atoma se određuju sa značajnim stepenom tačnosti pomoću masenog spektrografa.

Mase molekula su veoma male. Na primjer, masa molekula vode:

Molarna masa je povezana sa relativnom molekulskom masom Mg. Relativna molekulska težina je vrijednost jednaka omjeru mase molekula date supstance i 1/12 mase atoma C12 ugljika. Ako je poznata kemijska formula tvari, tada se njena relativna masa može odrediti pomoću periodične tablice, koja, izražena u kilogramima, pokazuje veličinu molarne mase ove tvari.

Molekularno-kinetička teorija je grana fizike koja proučava svojstva različitih stanja materije, zasnovana na konceptu postojanja molekula i atoma kao najmanjih čestica materije. ICT se zasniva na tri glavna principa:

1. Sve supstance se sastoje od najmanjih čestica: molekula, atoma ili jona.

2. Ove čestice su u neprekidnom haotičnom kretanju, čija brzina određuje temperaturu supstance.

3. Između čestica postoje sile privlačenja i odbijanja, čija priroda zavisi od udaljenosti između njih.

Glavne odredbe MKT potvrđuju mnoge eksperimentalne činjenice. Eksperimentalno je dokazano postojanje molekula, atoma i jona, molekuli su dovoljno proučavani, pa čak i fotografisani pomoću elektronskih mikroskopa. Sposobnost plinova da se neograničeno šire i zauzimaju cjelokupni volumen koji im se pruža objašnjava se kontinuiranim haotičnim kretanjem molekula. Elastičnost gasova, čvrstih tela i tečnosti, sposobnost tečnosti da vlaže neke čvrste materije, procesi bojenja, lepljenja, održavanja oblika čvrstih tela i još mnogo toga ukazuju na postojanje sila privlačenja i odbijanja između molekula. Fenomen difuzije - sposobnost molekula jedne supstance da prodre u praznine između molekula druge - također potvrđuje osnovne odredbe MKT. Fenomen difuzije objašnjava, na primjer, širenje mirisa, miješanje različitih tekućina, proces rastvaranja čvrstih tvari u tekućinama, zavarivanje metala njihovim topljenjem ili pritiskom. Potvrda kontinuiranog haotičnog kretanja molekula je i Brownovo kretanje - kontinuirano haotično kretanje mikroskopskih čestica koje su nerastvorljive u tekućini.

Kretanje Brownovih čestica objašnjava se haotičnim kretanjem čestica fluida koje se sudaraju s mikroskopskim česticama i pokreću ih. Eksperimentalno je dokazano da brzina Brownovih čestica ovisi o temperaturi tekućine. Teoriju Brownovog kretanja razvio je A. Einstein. Zakoni kretanja čestica su statističke, vjerovatnoće. Postoji samo jedan poznat način da se smanji intenzitet Brownovog kretanja - smanjenje temperature. Postojanje Brownovog kretanja uvjerljivo potvrđuje kretanje molekula.

Svaka supstanca se sastoji od čestica, pa se količina supstance v smatra proporcionalnom broju čestica, odnosno strukturnih elemenata sadržanih u tijelu.

Jedinica za količinu supstance je mol. Mol je količina tvari koja sadrži onoliko strukturnih elemenata bilo koje tvari koliko ima atoma u 12 g C12 ugljika. Omjer broja molekula tvari i količine tvari naziva se Avogadrova konstanta:

Avogadrova konstanta pokazuje koliko atoma i molekula se nalazi u jednom molu supstance. Molarna masa - masa jednog mola tvari, jednaka omjeru mase tvari i količine tvari:

Molarna masa se izražava u kg/mol. Znajući molarnu masu, možete izračunati masu jednog molekula:

Prosječna masa molekula se obično određuje hemijskim metodama, a Avogadrova konstanta je određena sa velikom preciznošću nekoliko fizičkih metoda. Mase molekula i atoma se određuju sa značajnim stepenom tačnosti pomoću masenog spektrografa.

Mase molekula su veoma male. Na primjer, masa molekula vode:

Molarna masa je povezana sa relativnom molekulskom masom Mg. Relativna molekulska težina je vrijednost jednaka omjeru mase molekula date supstance i 1/12 mase atoma C12 ugljika. Ako je poznata kemijska formula tvari, tada se njena relativna masa može odrediti pomoću periodične tablice, koja, izražena u kilogramima, pokazuje veličinu molarne mase ove tvari.

Molekularno-kinetička teorija je potkrijepljena. Dajemo neke od dokaza haotičnog haotičnog kretanja molekula: a Želja plina da zauzme cijeli volumen koji mu se daje, širenje mirisnog plina po prostoriji; b Braunovo kretanje je nasumično kretanje najmanjih čestica materije vidljivih u mikroskopu koje su u suspenziji i nerastvorljive u njemu. Difuzija se manifestuje u svim telima u gasovima, tečnostima i čvrstim materijama, ali u različitom stepenu. Difuzija u plinovima može se uočiti ako posuda sa mirisnim ...

Ako vam ovaj rad ne odgovara, na dnu stranice nalazi se lista sličnih radova. Možete koristiti i dugme za pretragu

EKSPERIMENTALNA POTVRDA MOLEKULARNO-KINETIČKE TEORIJE

Prema molekularno-kinetičkoj teoriji, sve tvari se sastoje od najmanjih čestica - molekula. Molekuli su u stalnom kretanju i međusobno djeluju. Molekul je najmanja čestica supstance koja ima svoja hemijska svojstva. Molekule se sastoje od jednostavnijih čestica - atoma hemijskih elemenata. Molekuli različitih supstanci imaju različit atomski sastav.

Molekuli imaju kinetičku energiju E kin a istovremeno i potencijalnu energiju interakcije E znoj . U gasovitom stanju E kin > E znoj . U tekućem i čvrstom stanju, kinetička energija čestica je uporediva sa energijom njihove interakcije.

Tri glavne odredbe Teorija molekularne kinetike:

1. Sve supstance su sastavljene od molekula, tj. imaju diskretnu strukturu, molekuli su razdvojeni prazninama.

2. Molekuli su u kontinuiranom nasumičnom (haotičnom) kretanju.

3. Između molekula tijela postoje sile interakcije.

Molekularno-kinetička teorija je potkrijepljena

Evo nekih dokaza o nasumičnom (haotičnom) kretanju molekula:

a) želja da gas zauzme čitavu zapreminu koja mu se pruža (distribucija gasa sa mirisom po prostoriji);

b) Braunovo kretanje - nasumično kretanje najmanjih čestica materije vidljivih u mikroskopu, koje su u suspenziji i u njemu nerastvorljive. Ovo kretanje nastaje pod uticajem haotičnih udara molekula koji okružuju tečnost, a koji su u stalnom haotičnom kretanju;

c) difuzija - međusobno prodiranje molekula susednih supstanci. Tokom difuzije, molekuli jednog tijela, nalazeći se u neprekidnom kretanju, prodiru u praznine između molekula drugog tijela u kontaktu s njim i šire se između njih. Difuzija se manifestuje u svim tijelima - u plinovima, tekućinama i čvrstim tvarima - ali u različitom stepenu.

1. Difuzija.

Difuzija u plinovima može se uočiti ako se posuda s mirisnim plinom otvori u zatvorenom prostoru. Nakon nekog vremena, plin će se proširiti po prostoriji.

Difuzija u tečnostima je mnogo sporija nego u gasovima. Na primjer, ulijmo otopinu bakar sulfata u čašu, a zatim, vrlo pažljivo, dodamo sloj vode i ostavimo čašu u prostoriji sa konstantnom temperaturom i gdje se ne trese. Nakon nekog vremena uočit ćemo nestanak oštre granice između vitriola i vode, a nakon nekoliko dana tekućine će se pomiješati, uprkos činjenici da je gustoća vitriola veća od gustine vode. Takođe difunduje vodu sa alkoholom i drugim tečnostima.

Difuzija u čvrstim materijama je čak sporija nego u tečnostima (od nekoliko sati do nekoliko godina). Može se uočiti samo kod dobro prizemljenih tijela, kada su udaljenosti između površina prizemnih tijela bliske udaljenostima između molekula (10-8 cm). U ovom slučaju, brzina difuzije raste sa povećanjem temperature i pritiska.

Dokaz interakcije sila molekula:

a) deformacije tela pod dejstvom sile;

b) očuvanje forme čvrstim tijelima;

c) površinski napon tečnosti i, kao posledica, fenomen vlaženja i kapilarnosti.

Između molekula postoje i privlačne i odbojne sile (slika 1). Na malim udaljenostima između molekula prevladavaju odbojne sile. Kako se rastojanje r između molekula povećava, i privlačne i odbojne sile se smanjuju, pri čemu se sile odbijanja brže smanjuju. Stoga, za neku vrijednost r 0 (udaljenost između molekula) sile privlačenja i odbijanja su međusobno uravnotežene.

Rice. jedan. Privlačne i odbojne sile.

Ako se dogovorimo da odbojnim silama dodijelimo pozitivan predznak, a privlačnim silama negativan i da izvršimo algebarsko sabiranje odbojnih i privlačnih sila, onda ćemo dobiti graf prikazan na slici 2.

Rice. 2. Algebarsko sabiranje odbojnih i privlačnih sila.

Rice. 3. Ovisnost potencijalne energije interakcije molekula o udaljenosti između njih.

Na slici 3 prikazan je graf zavisnosti potencijalne energije interakcije molekula od udaljenosti između njih. Udaljenost r 0 između molekula odgovara minimumu njihove potencijalne energije (slika 3). Da bi se promijenila udaljenost između molekula u jednom ili drugom smjeru, potrebno je uložiti rad protiv preovlađujućih sila privlačenja ili odbijanja. Na manjim udaljenostima (slika 2) kriva se strmo diže; ovo područje odgovara jakom odbijanju molekula (uglavnom zbog Kulonove odbijanja jezgara koja se približavaju). Molekuli se privlače na velikim udaljenostima.

Udaljenost r0 odgovara stabilnom ravnotežnom međusobnom položaju molekula. Slika 2 pokazuje da kako se rastojanje između molekula povećava, preovlađujuće sile privlačenja vraćaju ravnotežni položaj, a kada se udaljenost između njih smanjuje, ravnotežu uspostavljaju preovlađujuće sile odbijanja.

Savremene eksperimentalne metode fizike (analiza difrakcije rendgenskih zraka, posmatranja elektronskim mikroskopom i dr.) omogućile su promatranje mikrostrukture tvari.

2. Avogadrov broj.

Broj grama tvari jednak molekulskoj težini te tvari naziva se gram molekula ili mol. Na primjer, 2 g vodonika je gram molekula vodonika; 32 grama kiseonika čini gram-molekul kiseonika. Masa jednog mola supstance naziva se molarna masa te supstance.

Označeno sa m . Za vodonik ; za kiseonik ; za azot itd.

Broj molekula sadržanih u jednom molu različitih supstanci je isti i naziva se Avogadrov broj (N A).

Avogadrov broj je izuzetno velik. Da biste osjetili njegovu kolosalnost, zamislite da se u Crno more izlio određeni broj glava igle (svaka prečnika oko 1 mm), jednak Avogadrovom broju. Istovremeno, ispostavilo bi se da u Crnom moru više nema mjesta za vodu: ono ne samo da bi bilo ispunjeno do vrha, već bi bilo i velikim viškom ovih vrhova igle. Broj avogadrumskih glava mogao bi pokriti površinu jednaku, na primjer, teritoriji Francuske, sa slojem debljine oko 1 km. A tako ogroman broj pojedinačnih molekula sadržan je u samo 18 g vode; u 2 g vodonika itd.

Utvrđeno je da u 1 cm 3 bilo koji gas u normalnim uslovima (tj. na 0 0 C i pritisak 760 mm. rt. čl.) sadrži 2.710 19 molekula.

Ako uzmemo broj cigli jednak ovom broju, onda bi te cigle, kao čvrsto zbijene, prekrile površinu čitavog kopna Zemlje slojem visokim 120 m. Kinetička teorija plinova nam omogućava da izračunamo samo srednju vrijednost slobodni put molekula plina (tj. prosječna udaljenost koja prolazi molekulom od sudara do sudara s drugim molekulima) i prečnik molekula.

Predstavljamo neke rezultate ovih proračuna.

Prečnici pojedinačnih molekula su male količine. Kada bi se uvećali milion puta, molekuli bi bili veličine tačke u tipografskom tipu ove knjige. Označite sa m - masa gasa (bilo koje supstance). Zatim odnosdaje broj molova gasa.

Broj molekula gasa n može se izraziti:

(1).

Broj molekula po jedinici zapremine n 0 će biti jednako:

(2) , gdje je: V zapremina gasa.

Masa jednog molekula m 0 može se odrediti formulom:

(3) .

Relativna masa molekula m rel naziva se vrijednost jednaka omjeru apsolutne mase molekula m 0 na 1/12 mase atoma ugljika m oc.

(4), gdje je m oc = 210 -26 kg.

3. Jednačina idealnog gasa i izoprocesi.

Koristeći jednadžbu stanja idealnog gasa, mogu se proučavati procesi u kojima masa gasa i jedan od tri parametra - pritisak, zapremina ili temperatura - ostaju nepromenjeni. Kvantitativni odnosi između dva parametra gasa za fiksnu vrednost trećeg parametra nazivaju se gasni zakoni.

Procesi koji se odvijaju pri konstantnoj vrijednosti jednog od parametara nazivaju se izoprocesi (od grčkog "isos" - jednak). Istina, u stvarnosti, nijedan proces ne može nastaviti sa strogo fiksnom vrijednošću bilo kojeg parametra. Uvijek postoje određeni utjecaji koji narušavaju konstantnost temperature, pritiska ili zapremine. Samo u laboratorijskim uslovima moguće je održavati konstantnost jednog ili drugog parametra sa dobrom tačnošću, ali u postojećim tehničkim uređajima i u prirodi to je praktično nemoguće.

Izoproces je idealizirani model stvarnog procesa koji samo aproksimira stvarnost.

Proces promjene stanja termodinamičkog sistema makroskopskih tijela pri konstantnoj temperaturi naziva se izotermnim.

Da bi se održala konstantna temperatura gasa, neophodno je da može da razmenjuje toplotu sa velikim sistemom - termostatom. U suprotnom, tokom kompresije ili ekspanzije, temperatura plina će se promijeniti. Atmosferski zrak može poslužiti kao termostat ako se njegova temperatura ne mijenja primjetno tokom procesa.

Prema jednačini stanja idealnog gasa, u bilo kom stanju sa konstantnom temperaturom, proizvod pritiska gasa i njegove zapremine ostaje konstantan: pV=const pri T=const. Za gas date mase, proizvod pritiska gasa i njegove zapremine je konstantan ako se temperatura gasa ne menja.

Ovaj zakon je eksperimentalno otkrio engleski naučnik R. Boiler (1627 - 1691) i nešto kasnije francuski naučnik E Mariotte (1620 -1684). Stoga se zove Boyle-Mariotteov zakon.

Boyleov zakon - Mariotte vrijedi za sve plinove, kao i njihove mješavine, na primjer, za zrak. Samo pri pritiscima nekoliko stotina puta većim od atmosferskog pritiska odstupanje od ovog zakona postaje značajno.

Zavisnost pritiska gasa o zapremini pri konstantnoj temperaturi grafički je predstavljena krivuljom koja se naziva izoterma. Izoterma gasa prikazuje inverzni odnos između pritiska i zapremine. Krivulja ove vrste se u matematici naziva hiperbola.

Različite konstantne temperature odgovaraju različitim izotermama. Kako temperatura raste, pritisak prema jednačini stanja raste ako je V=const. Dakle, izoterma koja odgovara višoj temperaturi T 2 , leži iznad izoterme koja odgovara nižoj temperaturi T 1 .

Izotermnim procesom se približno može smatrati proces sporog sabijanja zraka tijekom širenja plina ispod klipa pumpe prilikom ispumpavanja iz posude. Istina, temperatura plina se u ovom slučaju mijenja, ali se u prvoj aproksimaciji ta promjena može zanemariti.

Proces promjene stanja termodinamičkog sistema pri konstantnom pritisku naziva se izobarski (od grčkog "baros" - težina, težina).

Prema jednadžbi, u bilo kom stanju gasa sa konstantnim pritiskom, odnos zapremine gasa i njegove temperature ostaje konstantan: =const pri p=const.

Za gas date mase, odnos zapremine i temperature je konstantan ako se pritisak gasa ne menja.

Ovaj zakon je eksperimentalno ustanovio 1802. godine francuski naučnik J. Gay-Lussac (1778 - 1850) i naziva se Gay-Lussacov zakon.

Prema jednačini, zapremina gasa linearno zavisi od temperature pri konstantnom pritisku: V=const T.

Ova zavisnost je grafički predstavljena ravnom linijom, koja se naziva izobara. Različitim pritiscima odgovaraju različite izobare. Sa povećanjem pritiska, zapremina gasa na konstantnoj temperaturi opada prema Boyle-Mariotteovom zakonu. Dakle, izobara koja odgovara višem pritisku p 2 , leži ispod izobare koja odgovara donjem pritisku p 1 .

Na niskim temperaturama, sve izobare idealnog gasa konvergiraju u tački T=0. Ali to ne znači da zapremina stvarnog gasa zaista nestaje. Svi gasovi sa jakim hlađenjem prelaze u tečnost, a jednačina stanja nije primenljiva na tečnosti.

Proces promjene stanja termodinamičkog sistema pri konstantnoj zapremini naziva se izohoričan (od grčkog "horema" - kapacitet).

Iz jednačine stanja proizilazi da u bilo kom stanju gasa sa konstantnom zapreminom, odnos pritiska gasa i njegove temperature ostaje nepromenjen: =const pri V=const.

Za gas date mase, odnos pritiska i temperature je konstantan ako se zapremina ne menja.

Ovaj zakon o gasu ustanovio je 1787. godine francuski fizičar J. Charles (1746 - 1823) i naziva se Charlesov zakon. Prema jednačini:

Const pri V=const tlaku plina linearno ovisi o temperaturi pri konstantnoj zapremini: p=const T.

Ova zavisnost je predstavljena ravnom linijom koja se zove izohora.

Različiti volumeni odgovaraju različitim izohorama. Sa povećanjem zapremine gasa na konstantnoj temperaturi, njegov pritisak, prema Boyle-Mariotteovom zakonu, opada. Dakle, izohora koja odgovara većem volumenu V 2 , leži ispod izohore koja odgovara manjem volumenu V 1 .

Prema jednadžbi, sve izohore počinju u tački T=0.

Dakle, pritisak idealnog gasa na apsolutnoj nuli je nula.

Povećanje pritiska gasa u bilo kojoj posudi ili u sijalici kada se zagreje je izohoričan proces. Izohorni proces se koristi u plinskim termostatima konstantne zapremine.

4. Temperatura.

Svako makroskopsko tijelo ili grupa makroskopskih tijela naziva se termodinamički sistem.

Termička ili termodinamička ravnoteža je takvo stanje termodinamičkog sistema u kojem svi njegovi makroskopski parametri ostaju nepromijenjeni: volumen, tlak se ne mijenjaju, ne dolazi do prijenosa topline, nema prijelaza iz jednog agregatnog stanja u drugo itd. U stalnim vanjskim uvjetima, svaki termodinamički sistem spontano prelazi u stanje termičke ravnoteže.

Temperatura je fizička veličina koja karakteriše stanje toplotne ravnoteže sistema tela: sva tela sistema koja su međusobno u toplotnoj ravnoteži imaju istu temperaturu.

Apsolutna nulta temperatura - granična temperatura pri kojoj pritisak idealnog gasa pri konstantnoj zapremini mora biti nula ili zapremina idealnog gasa pri konstantnom pritisku mora biti jednaka nuli.

Termometar - uređaj za mjerenje temperature. Tipično, termometri se kalibriraju na Celzijusovoj skali: temperatura kristalizacije vode (otopljenja leda) odgovara 0 ° C, njegova tačka ključanja je 100 ° C.

Kelvin je uveo apsolutnu temperaturnu skalu, prema kojoj nulta temperatura odgovara apsolutnoj nuli, jedinica temperature na Kelvinovoj skali je jednaka stepenima Celzijusa: [T] = 1 K (Kelvin).

Odnos između temperature u energetskim jedinicama i temperature u stepenima Kelvina:

gdje je k \u003d 1,38 * 10 -23 J/K - Bolcmanova konstanta.

Odnos između apsolutne i Celzijusove skale:

T = t + 273, gdje je t je temperatura u stepenima Celzijusa.

Prosječna kinetička energija nasumičnog kretanja molekula plina proporcionalna je apsolutnoj temperaturi:

Uzimajući u obzir jednakost (1), osnovna jednadžba molekularne kinetičke teorije može se napisati na sljedeći način: p = nkT .

Osnovne jednadžbe molekularno-kinetičke teorije idealnog plina za pritisak.

Gas se naziva idealnim ako:

1) sopstvena zapremina molekula gasa je zanemarljiva u odnosu na zapreminu posude;

2) ne postoje sile interakcije između molekula gasa;

3) sudari molekula gasa sa zidovima posude su apsolutno elastični.

Pravi gasovi (na primer kiseonik i helijum) u uslovima bliskim normalnim, kao i pri niskim pritiscima i visokim temperaturama, bliski su idealnim gasovima. Čestice idealnog gasa u intervalima između sudara kreću se jednoliko i pravolinijski. Pritisak gasa na zidovima posude može se posmatrati kao niz brzo pratećih udara molekula gasa o zid. Pogledajmo kako izračunati pritisak uzrokovan pojedinačnim udarima. Zamislimo da se na određenoj površini javlja niz odvojenih i čestih udara. Pronađite takvu prosječnu konstantnu silu , koji će, djelujući za vrijeme t tokom kojeg su se desili pojedinačni udari, proizvesti isti efekat kao i svi ovi uticaji u njihovoj ukupnosti. U ovom slučaju, impuls ove prosječne sile za vrijeme t mora biti jednak zbiru impulsa svih onih udara koje je površina primila za to vrijeme, tj.

Gdje je t 1 , t 2 , t 3 ... t n - vrijeme interakcije prvog, drugog, ..., n-og molekula sa zidom (tj. trajanje udara); f 1 , f 2 , f 3 ... f n je sila udara molekula o zid. Iz ove formule slijedi:

(7).

Prosječna sila pritiska uzrokovana brojem pojedinačnih udara na određenu površinu numerički je jednaka zbroju impulsa svih udaraca koje ova površina primi u jedinici vremena naziva se izohora.

5. Brzine molekula plina.

Formula (12) se može napisati kao:

(15), gdje je (masa plina).

Iz izraza (15) izračunavamo srednju kvadratnu brzinu molekula gasa:

(16) .

Znajući to (R je univerzalna plinska konstanta; R=8,31), dobijamo nove izraze za određivanje .

(17) .

Eksperimentalno određivanje brzina kretanja molekula srebrne pare prvi je put izveo Stern 1920. godine.

Rice. 5. Sternov eksperiment.

Iz staklenog cilindra E ispumpan je zrak (slika 5). Unutar ovog cilindra postavljen je drugi cilindar D, koji ima zajedničku osu O. Duž generatrike cilindra D bio je rez u obliku uskog proreza C. Po osi je razvučena posrebrena platinska žica, kroz koje bi struja mogla proći. Istovremeno, žica se zagrijala, a srebro s njene površine pretvorilo se u paru. Molekuli srebrne pare su se raspršili u različitim smjerovima, neki od njih su prošli kroz prorez C cilindra D, a na unutrašnjoj površini cilindra E pojavio se naslag srebra u obliku uske trake. Na sl. 5 položaj srebrne trake označen je slovom A.

Kada se ceo sistem dovede u veoma brzo kretanje na način da je žica osa rotacije, tada se ispostavilo da je traka A na cilindru E pomerena u stranu, tj. na primjer, ne u tački A, već u tački B. To se dogodilo jer dok su molekuli srebra letjeli putanjom CA, tačka A cilindra E imala je vremena da se okrene za udaljenost AB i molekuli srebra nisu pali u tačku A, već u tačka B.

Označimo pomak srebrne trake AB = d; poluprečnik cilindra od E do R, poluprečnik cilindra od D do r, i broj obrtaja čitavog sistema u sekundi kroz n.

Za jednu revoluciju sistema, tačka A na površini cilindra E preći će put jednak opsegu 2πR, a za 1 sekundu preći će put. Vrijeme t tokom kojeg je tačka A prešla rastojanje AB = d biće jednako:. Za vrijeme t, molekuli srebrne pare preletjeli su razdaljinu CA = R - r . Njihova brzina v može se naći kao prijeđena udaljenost podijeljena s vremenom:ili, zamjenom t, dobivamo:.

Ispostavilo se da je srebrni premaz na zidu cilindra D mutan, što je potvrdilo prisustvo različitih brzina molekula.Iz iskustva je bilo moguće odrediti najvjerovatniju brzinu v ver što je odgovaralo najvećoj debljini naslaga srebra.

Najvjerovatnija brzina može se izračunati korištenjem formule koju je dao Maxwell:(osamnaest). Prema Maxwellovim proračunima, aritmetička srednja brzina molekula je: (19).

6. Jednačina stanja idealnog gasa je Mendeljejev-Klapejronova jednačina.

Iz osnovne jednadžbe molekularne kinetičke teorije (formula (14) slijedi Avogadrov zakon: jednake količine različitih plinova pod istim uvjetima (ista temperatura i isti pritisak)) sadrže isti broj molekula:(za jedan gas),(za drugi gas).

Ako je V 1 = V 2 ; T 1 = T 2; r 1 = r 2, zatim n 01 = n 02.

Podsjetimo da je jedinica količine tvari u SI sistemu molska (gram-molekulska) masa m jedan mol supstance naziva se molarna masa te supstance. Broj molekula sadržanih u jednom molu različitih supstanci je isti i naziva se Avogadrov broj (N A = 6,0210 23 1/mol).

Zapisujemo jednačinu stanja idealnog gasa za jedan mol:, gdje je Vm - zapremina jednog mola gasa;, gdje je Vm - zapremina jednog mola gasa; (univerzalna plinska konstanta).

Konačno imamo: (26).

Jednačina (26) se naziva Clapeyronova jednačina (za jedan mol gasa). U normalnim uslovima (p = 1,01310 5 Pa i T = 273,15 0 K) molarni volumen bilo kojeg plina V m = 22,410 -3 . Iz formule (26) određujemo; .

Iz jednačine (26) za mol gasa može se preći na Mendelejev-Klapejronovu jednačinu za bilo koju gasnu masu m.

Stav daje broj molova gasa. Lijevi i desni dio nejednakosti (26) množimo sa.

Imamo gde je zapremina gasa.

Hajde da napišemo konačno: (27 ) . Jednačina (27) je Mendeljejev-Klapejronova jednačina. Gustina gasa se može uvesti u ovu jednačinu i .

U formuli (27) zamjenjujemo V i dobijamo ili .

7. Iskusni zakoni o gasu. Pritisak mješavine idealnih plinova (Daltonov zakon).

Empirijski, mnogo prije pojave molekularno-kinetičke teorije, otkriven je niz zakona koji opisuju ravnotežne izoprocese u idealnom plinu. Izoproces je ravnotežni proces u kojem se jedan od parametara stanja ne mijenja (je konstantan). Postoje izotermni (T = const), izobarični (p = const), izohorični (V = const) izoprocesi. Izotermni proces je opisan Boyle-Mariotteovim zakonom: "ako se tokom procesa masa i temperatura idealnog plina ne mijenjaju, tada je proizvod tlaka plina i njegovog volumena konstantan PV = konst (29). Grafički prikaz jednačine stanja naziva se dijagram stanja. U slučaju izoprocesa, dijagrami stanja su prikazani kao dvodimenzionalne (ravne) krive i nazivaju se izotermama, izobarama i izohorama, respektivno.

Izoterme koje odgovaraju dvije različite temperature prikazane su na Sl. 6.

Rice. 6. Izoterme koje odgovaraju dvije različite temperature.

Izobarični proces je opisan Gay-Lussacovim zakonom: „ako se tokom procesa pritisak i masa idealnog gasa ne menjaju, tada je odnos zapremine gasa i njegove apsolutne temperature konstantan:(30).

Izobare koje odgovaraju dva različita pritiska prikazane su na Sl.7.

Rice. 7. Izobare koje odgovaraju dva različita pritiska.

Jednadžba izobarnog procesa može se napisati drugačije:31), gdje je V 0 - zapremina gasa na 0 0 C; V t - zapremina gasa na t 0 C; t je temperatura gasa u stepenima Celzijusa;α - koeficijent volumetrijskog širenja. Iz formule (31) slijedi da. Eksperimenti francuskog fizičara Gay-Lussaca (1802) pokazali su da su koeficijenti zapreminskog širenja svih vrsta gasova isti i, tj. kada se zagreje za 1 0 C gas povećava svoju zapreminu za delić zapremine koju je zauzimao na 0 0 C. Na sl. 8 prikazuje grafik zavisnosti zapremine gasa V t temperatura t 0C.

Rice. osam. Grafikon zapremine gasa V t temperatura t 0C.

Izohorični proces je opisan Charlesovim zakonom: "ako se tokom procesa volumen i masa idealnog plina ne mijenjaju, tada je omjer tlaka plina i njegove apsolutne temperature konstantan:

(32).

Izohore koje odgovaraju dva različita volumena prikazane su na sl. 9.

Rice. 9. Izohore koje odgovaraju dva različita volumena.

Jednačina izohornog procesa može se napisati drugačije:(33), gdje - pritisak gasa na IZ; - pritisak gasa na t; t je temperatura gasa u stepenima Celzijusa;- temperaturni koeficijent pritiska. Iz formule (33) slijedi da. Za sve gasove i . Ako se plin zagrije naC (pri V=const), tada će se pritisak gasa povećati zadeo pritiska koji je imao kadaC. Slika 10 prikazuje grafik pritiska gasa u odnosu na temperaturu t.

Rice. deset. Grafikon zavisnosti pritiska gasa od temperature t.

Ako nastavimo liniju AB sve dok ne presiječe x-osu (tačka), tada se vrijednost ove apscise određuje iz formule (33), akoizjednačiti sa nulom.

;

Dakle, na temperaturipritisak gasa bi morao da ide na nulu, međutim, takvim hlađenjem, gas neće zadržati gasovito stanje, već će se pretvoriti u tečnost, pa čak i u čvrstu. Temperaturanaziva se apsolutna nula.

U slučaju mehaničke mješavine plinova koji ne ulaze u kemijske reakcije, tlak smjese se također određuje formulom, gdje (koncentracija smjesejednak je zbiru koncentracija komponenti smjese u ukupnom n - komponenti).

Daltonov zakon kaže: Pritisak smjesejednak je zbiru parcijalnih pritisaka gasova koji formiraju smešu.. Pritisak naziva se parcijalni. Parcijalni pritisak je pritisak koji bi dati gas stvorio kada bi sam zauzeo posudu u kojoj se smjesa nalazi (u istoj količini u kojoj se nalazi u smjesi).

BIBLIOGRAFIJA

1. Brychkov Yu.A., Marichev O.I., Prudnikov A.P. Tabele neodređenih integrala: Priručnik. - M.: Nauka, 1986.

2. Kogan M.N. Dinamika razrijeđenog plina. M., Fizmatlit, 1999.

3. A.K. Kikoin, Molekularna fizika. M., Fizmatlit, 1976.

4. Sivukhin D.V. Opšti kurs fizike, v. 2. Termodinamika i molekularna fizika. M., Fizmatlit, 1989.

5. Kiryanov A.P., Korshunov S.M. Termodinamika i molekularna fizika. Studentska pomoć. Ed. prof. HELL. Gladun. - M., "Prosvjeta", 1977.

STRANA \* SPAJANJE FORMAT 3