Конспект урока: Молекулярная физика и термодинамика. Основные положения молекулярно-кинетической теории. Характер движения и взаимодействия молекул в газах, жидкостях и твёрдых телах. Масса молекул. Количество вещества

Основные положения молекулярно-кинетической теории

Гипотеза о том, что любое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов (с греческого языка «атомос» означает «неделимый»), была высказана примерно в V в. до н. э. древнегреческими философами Левкиппом и его учеником Демокритом. Молекулярно-кинетической теорией (сокращённо МКТ) называется учение о строении и физических свойствах вещества, использующее представления о том, что наименьшими частицами химического вещества являются молекулы и атомы. 

Способность газов занимать весь предоставленный им объём, упругость газов, жидкостей и твёрдых тел, явления диффузии и броуновского движения можно объяснить, если принять 3 основных положения молекулярно-кинетической теории.

Рис. 1. Сила взаимодействия

Атомы и молекулы, находясь в постоянном движении, обладают определённой кинетической энергией. Эта энергия связана с так называемой тепловой энергией, запасённой в теле. Кроме того, они постоянно взаимодействуют между собой, то есть обладают потенциальной энергией межмолекулярного взаимодействия. При сближении двух атомов или молекул сначала преобладают силы взаимного притяжения. На некотором расстоянии $r_0$ между их центрами, которое соответствует среднему размеру рассматриваемых молекул или атомов, силы взаимного отталкивания резко возрастают и становятся равными по модулю силам притяжения, такое состояние соответствует устойчивому положению системы. При дальнейшем сближении силы взаимного отталкивания превосходят силы взаимного притяжения (см. рис. 1). Силы притяжения между атомами и молекулами препятствуют растяжению твёрдого тела, а силы отталкивания препятствуют его сжатию. Для подтверждения данного утверждения достаточно представить, насколько сложно сжать или растянуть, например, кусочек металла.

Броуновское движение

Большое значение в обосновании молекулярно-кинетической теории имело открытие английского ботаника Роберта Броуна. В 1827 году он обнаружил беспорядочное движение видимых в микроскоп твёрдых частиц, находящихся в жидкости. Это явление, названное броуновским движением, смогла объяснить лишь молекулярно-кинетическая теория на основе использования представлений о существовании молекул.

Рис. 2. Броуновское движение

Беспорядочно движущиеся молекулы жидкости или газа сталкиваются с твёрдой частицей и изменяют направление и модуль скорости её движения. Число молекул, ударяющих частицу с различных сторон, и направление передаваемого ими импульса непостоянны. Чем меньше размеры и масса частицы, тем более заметными становятся изменения импульса во времени.

Эксперименты и теория показывают, что при нагревании темп броуновского движения увеличивается или, что то же самое, увеличивается темп хаотического движения. По этой причине хаотическое движение молекул часто называют тепловым .

Тепловое движение молекул в твёрдых телах, жидкости и газах

Вспомним, что одно и то же вещество в зависимости от внешних условий может находиться в разных агрегатных состояниях: газообразном, жидком или твёрдом. Существование разных агрегатных состояний объясняется различием в характере взаимодействия и движения молекул в веществе.

Молекулы и атомы в твёрдом теле совершают беспорядочные колебания относительно положений, в которых силы притяжения и отталкивания со стороны соседних атомов уравновешены.
 

В жидкостях молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседнее, эти перескоки молекул являются причиной текучести жидкости, её способности принимать форму сосуда.
 

В газах обычно расстояния между атомами и молекулами в среднем значительно больше размеров молекул. Силы отталкивания на больших расстояниях не действуют, поэтому газы легко сжимаются. С другой стороны, практически отсутствуют между молекулами газа и силы притяжения, поэтому газы обладают свойством неограниченно расширяться.

Диффузия

Рис. 3. Диффузия перманганата калия

Одним из основных и наглядных примеров того, что молекулы неподвижного в целом вещества совершают постоянное хаотическое движение, является диффузия.  Представьте, что вы, стоя в одном углу комнаты, попрыскали духами или дезодорантом. Через некоторое время запах будет ощущаться во всей комнате. Подобное явление можно также наблюдать в жидкостях, например, при заваривании чая: если его не перемешивать, то вода будет постепенно окрашиваться. Это и есть диффузия.

Диффузия наблюдается и в газах, и в жидкостях, и даже в твёрдых телах. В твёрдых телах диффузия происходит значительно медленнее, нежели в жидкостях или газах. На рисунке 3 показано, как в результате диффузии с течением времени выравнивается концентрация перманганата калия в воде. Поскольку при нагревании вещества увеличивается темп хаотического (теплового) движения молекул и атомов, то во всех агрегатных состояниях темп диффузии увеличивается при нагревании. Опять же, всеми любимый чай в холодной воде будет завариваться крайне долго.