Молекулярно кинетическая теория

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ 

 раздел молекулярной  физики, рассматривающий многие  свойства веществ исходя из  представлений о быстром хаотическом  движении огромного числа атомов  и молекул, из которых эти  вещества состоят. Молекулярно-кинетическая  теория концентрирует внимание  не на различиях между отдельными  типами атомов и молекул, а  на том общем, что имеется  в их поведении. Еще древнегреческие  философы, первыми высказывавшие  атомистические идеи, полагали, что  атомы находятся в непрерывном  движении. Количественный анализ  этого движения попытался дать  Д.Бернулли в 1738. Принципиальный  вклад в развитие молекулярно-кинетической  теории был сделан в период  с 1850 по 1900 Р.Клаузиусом в Германии, Л.Больцманом в Австрии и Дж.Максвеллом  в Англии. Эти же физики заложили  основы статистической механики - более абстрактной дисциплины, занимающейся изучением того  же предмета, что и молекулярно-кинетическая  теория, но без построения детальных,  а потому менее общих моделей.  Углубление статистического подхода  в начале 20 в. связано главным  образом с именем американского  физика Дж.Гиббса, который считается  одним из основоположников статистической  механики. Революционные идеи были  привнесены в эту науку также  М.Планком и А.Эйнштейном. В середине 1920-х годов классическая механика  окончательно уступила место  новой, квантовой, механике. Она  дала импульс развитию статистической  механики, не прекращающемуся до  сих пор.

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОТЫ

 Известно, что  нагретые тела, остывая, отдают  часть своей теплоты более  холодным телам. До 19 в. считалось,  что теплота - это некая жидкость (теплород), перетекающая от одного  тела к другому. Одним из  главных достижений физики 19 в.  стало то, что теплота стала  рассматриваться просто как одна  из форм энергии, а именно - кинетическая энергия атомов  и молекул. Такое представление  распространяется на все вещества - твердые, жидкие и газообразные. Частицы нагретого тела движутся  быстрее, чем холодного. Например, солнечные лучи, нагревая нашу  кожу, заставляют ее молекулы  колебаться быстрее, и мы ощущаем  эти колебания как тепло. На  холодном ветру молекулы воздуха,  сталкиваясь с молекулами поверхности  нашего тела, отбирают у них  энергию, и мы ощущаем холод.  Во всех случаях, когда тепло  передается от одного тела  к другому, движение частиц  в первом из них замедляется,  во втором ускоряется, а энергия  частиц второго тела увеличивается  ровно на столько, на сколько  уменьшается энергия частиц первого.  Многие знакомые нам тепловые  явления можно непосредственно  объяснить с помощью молекулярно-кинетической  теории. Поскольку теплота порождается  беспорядочным движением молекул,  можно повышать температуру тела (увеличивать запас теплоты в  нем) не за счет подвода тепла,  а, например, с помощью трения: молекулы трущихся поверхностей, соударяясь друг с другом, начинают  двигаться более интенсивно, и  температура поверхностей повышается. По той же причине нагревается  кусок железа, когда по нему  бьют молотом. Еще одно тепловое  явление - увеличение давления  газов при нагревании. С повышением  температуры скорость движения  молекул увеличивается, они чаще  и сильнее ударяются о стенки  сосуда, в котором газ находится,  что проявляется в повышении  давления. Постепенное испарение  жидкостей объясняется тем, что  их молекулы одна за другой  переходят в воздух, при этом  первыми улетучиваются самые  быстрые из них, а у тех,  которые остаются, энергия в среднем  оказывается меньше. Вот почему  при испарении жидкостей с  влажной поверхности она охлаждается.  Математический аппарат, построенный  на молекулярно-кинетической теории, позволяет анализировать эти и многие другие эффекты, исходя из уравнений движения молекул и общих положений теории вероятностей. Предположим, что мы подняли резиновый мяч на некоторую высоту, а затем выпустили его из рук. Мяч ударится об пол, а затем несколько раз подскочит, каждый раз на меньшую высоту, чем перед этим, поскольку при ударе часть его кинетической энергии превращается в теплоту. Такой удар называется частично упругим. Кусок свинца совсем не отскакивает от пола - при первом же ударе в теплоту превращается вся его кинетическая энергия, и температура куска свинца и пола слегка повышается. Такой удар называют абсолютно неупругим. Удар, при котором вся кинетическая энергия тела сохраняется, не превращаясь в тепло, называется абсолютно упругим. В газах при столкновении атомов и молекул друг с другом происходит лишь обмен их скоростями (мы не рассматриваем здесь случай, когда в результате столкновений частицы газа взаимодействуют - вступают в химические реакции); суммарная кинетическая энергия всей совокупности атомов и молекул не может при этом превратиться в теплоту, поскольку она уже ею является. Непрерывное движение атомов и молекул вещества называется тепловым движением. В жидкостях и твердых телах картина более сложная: помимо кинетической энергии необходимо учитывать и потенциальную энергию взаимодействия частиц.

Тепловое движение в воздухе. Если воздух охладить до очень низкой температуры, то он превратится  в жидкость, при этом объем образовавшейся жидкости будет очень мал. Например, при ожижении 1200 см3 атмосферного воздуха  получаются 2 см3 жидкого воздуха. Основное допущение атомной теории состоит  в том, что размеры атомов и  молекул при изменении агрегатного  состояния вещества почти не изменяются. Следовательно, в атмосферном воздухе  молекулы должны находиться друг от друга  на расстояниях, гораздо больших, чем  в жидкости. Действительно, из 1200 см3 атмосферного воздуха более 1198 см3 занимает пустое пространство. Молекулы воздуха  движутся хаотически в этом пространстве с очень высокими скоростями, постоянно  сталкиваясь друг с другом наподобие  бильярдных шаров.