Молекулярно-кинетическая теория

 

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) изучает физические (в частном случае тепловые) свойства макроскопических тел, исходя из представления об их молекулярном строении. В её основе лежат положения МКТ строения вещества:

1) все тела состоят из большого объёма мельчайших частиц (атомов или молекул), находящихся в непрерывном хаотическом движении – примером, подтверждающим это положение является опыт Броуна (броуновское движение);

2) между частицами существуют промежутки (частицы находятся на определённых расстояниях друг от друга) – подтверждением этого положения является диффузия (проникновение частиц одного вещества в промежутки между частицами другого вещества) которая наблюдается у тел в твёрдом, жидком и газообразном состоянии;

3) между частицами существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания, что можно представить графически:

Fсилы взаимодействия; r – расстояния между центрами масс частиц;

r0 – расстояние, соответствующее состоянию равновесия.

4) скорость V движения частиц определяет температуру Т тела, причём V ~.

В дальнейшем мы в основном будем говорить о газообразном состоянии вещества, основными частицами которого являются молекулы и атомы.

Описание молекулярных процессов требует знания размеров молекул, атомов и их масс. Так как размеры и массы их малы, то легче определить, измерив массу некоторого известного количества, а затем зная объём, занимаемый этим количеством определить размер молекулы. Для этих целей вводят следующие понятия:

а) киломоль (моль) μ вещества – такое количество химически однородного вещества, масса которого, выраженная в кг (г), численно равна его молекулярному весу М.

|μ| = |M|, в системе СИ .

 

б) число Авогадро – число молекул в моле вещества (для всех веществ одинаково):

Зная число Авогадро, можно найти массу молекулы и атома:

ma = 1,66·10-27 A(кг)

в) закон Авогадро – моли любых газов при одинаковых температурах и давлениях занимают одинаковые объёмы (при нормальных условиях объём моля равен ).

Зная объём моля вещества и число Авогадро NА можно определить линейные размеры молекул: , , , ; ().

Число частиц N в массе m газа (вещества) можно найти по уравнению:

,

где       – число молей вещества.

Число частиц N в единице объёма V называется концентрацией n:

Термодинамическое состояние тела (газа) или системы определяется совокупностью ряда величин, которые называются термодинамическими параметрами (параметрами состояния). Ими являются:

а) давление P – физическая величина, равная пределу отношения численного значения нормальной силы ΔFн, действующий на участок поверхности тела площадью ΔS к величине ΔS при ΔS ® 0:

б) объём V – внешний параметр для газа, зависит от положения внешних стенок сосуда.

Удельный объём:          ,

где       ρ – плотность газа.

Молярный объём (объём одного моля вещества) .

в) температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела.

Шкала температур:

1) по Кельвину – абсолютная температура Т;

2) по Цельсию – tоC

T = tо + 273

Если газ находится при нормальных условиях, то его параметры состояния имеют значения Ро = 1·105 Па; Т = 273 К = 0оС.

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) рассматривает модель идеального газа, удовлетворяющую следующим условиям:

1) размеры молекул пренебрежимо малы, их принимают за материальные точки;

2) не учитывается силы взаимодействия между молекулами;

3) столкновения молекул друг с другом и стенками сосуда считаются абсолютно упругими.

Этим условиям удовлетворяют обычные газы при невысоких давлениях и температурах. Связь между параметрами состояния для идеального газа даёт уравнение состояния:

P = n·k·T,

где       kпостоянная Больцмана, .

Из него следует уравнение Клапейрона – Менделеева:

,

где       R = kNA – универсальная (молярная) газовая постоянная.

Любое состояние газа можно представить графически, в виде точки с параметрами P,V и T, используя прямоугольную декартовую систему координат.

Переход газа из состояния 1 в состояние 2 называется процессом.

В средней школе рассматриваются следующие процессы:

а) изопроцессы – процессы, происходящие при постоянном значение одного из параметров состояния P,V или T (и постоянной массе газа):

1) если P = const – изобарический процесс (уравнение состояния );

2) если V = const – изохорный процесс (уравнение состояния );

3) если T = const – изотермический процесс (уравнение состояния PV = const).

Графически эти процессы можно представить в различных системах координат:

б) адиабатический процесс – процесс без теплообмена с окружающей средой, который в координатах PV можно изобразить графически:

Если в сосуде находится смесь идеальных газов, то каждый газ в отдельности оказывает своё давление, которое называется парциальным давлением Pi.

Для нахождения результирующего давления применяется закон Дальтона:

 – давление смеси газов равно алгебраической сумме парциальных давлений составляющих газов.

Следствие: так как газы идеальные, то объём занимаемый каждым газом Vi равен объёму сосуда, в котором находится смесь газов:

                                               Vсосуда = V1 = V2 = …Vi = …Vn.