Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

ОПЫТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

Молекулярно-кинетическая теория – учение о строении и свойствах вещества, использующее представление о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химического вещества.

В основе МКТ лежат три строго доказанных с помощью опытов утверждения:

-Вещество состоит из частиц – атомов и молекул, между которыми существуют промежутки;

-Эти частицы находятся в хаотическом движении, на скорость которого влияет температура;

-Частицы взаимодействуют друг с другом.

То, что вещество действительно состоит из молекул, можно доказать, определив их размеры. Капля масла расплывается по поверхности воды, образуя слой, толщина которого равна диаметру молекулы.

Существуют также другие способы доказательства существования молекул, но перечислять их нет необходимости: современные приборы (электронный микроскоп, ионный проектор) позволяют видеть отдельные атомы и молекулы.

Способ­ность газов неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объем объясняется непре­рывным хаотическим движением молекул.

Упругость газов, твердых и жидких тел, способность жидкостей смачивать некоторые твердые тела, процессы окра­шивания, склеивания, сохранения формы твердыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами.

Диффузия — способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекула­ми другого — тоже подтверждает основные положе­ния МКТ.

Явлением диффузии объясняется, напри­мер, распространение запахов, смешивание разно­родных жидкостей, процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавления или путем давления.

Подтверждением непре­рывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение — непрерывное хао­тическое движение микроскопических частиц, не­растворимых в жидкости.

Движение броуновских частиц объясняется хаотическим движением частиц жидкости, которые сталкиваются с микроскопическими частицами и приводят их в движение. Опытным путем было дока­зано, что скорость броуновских частиц зависит от температуры жидкости.

Законы движения час­тиц носят статистический, вероятностный характер. Известен только один способ уменьшения интенсив­ности броуновского движения — уменьшение темпе­ратуры. Существование броуновского движения убе­дительно подтверждает движение молекул.

Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорцио­нальным числу частиц, т. е. структурных элементов, содержащихся в теле.

Силы взаимодействия молекул

а) взаимодействие имеет электромагнитный характер;

б) силы короткодействующие, обнаруживаются на расстояниях, сопоставимых с размерами молекул;

в) существует такое расстояние, когда силы притяжения и отталкивания равны (R0), если R>R0, тогда преобладают силы притяжения, если R<R0 – силы отталкивания.

Действие сил молекулярного притяжения обнаруживается в опыте со свинцовыми цилиндрами, слипающимися после очистки их поверхностей.

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

В жидкости молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседнее, эти перескоки молекул являются причиной текучести жидкости, ее 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; практически отсутствуют между молекулами газа и силы притяжения, поэтому газы обладают свойством неограниченно расширяться.

Скорость молекул газа:

Зная абсолютную температуру, можно найти среднюю кинетическую энергию молекул газа, а , следовательно, и средний квадрат их скорости.

Квадратный корень из этой величины называется средней квадратичной скоростью:

=

Опыты по определению скоростей молекул доказали справедливость этой формулы.

Одни из опытов был предложен О. Штерном в 1920 году.

БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ

Броуновское движение – тепловое движение взвешенных в газе или жидкости частиц. Английский ботаник Роберт Броун (1773 – 1858) в 1827 году обнаружил беспорядочное движение видимых в микроскоп твердых частиц, находящихся в жидкости. Это явление было названо броуновским движением.

Это движение не прекращается; с увеличением температуры его интенсивность растет. Броуновское движение – результат флуктуации давления (заметного отклонения от средней величины).

Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга.

Объяснить броуновское движение можно только на основе МКТ. Молекулярно-кинетическая теория броуновского движения была создана Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Теория была подтверждена опытами французским физиком Ж.Перреном.

ДИФФУЗИЯ (уч.7кл.стр.20)

Диффузия — способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекула­ми другого.

Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называют диффузией.

Диффузия подтверждает основные положе­ния МКТ.

Явлением диффузии объясняется, напри­мер, распространение запахов, смешивание разно­родных жидкостей, процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавления или путем давления.

Пример: смешивание воды и медного купороса, налитых в один сосуд.

В твердых телах также происходит диффузия, то только гораздо медленнее.

Если гладко отполированные пластинки свинца и золота сжать между собой, то за 4-5 лет золото и свинец проникают друг в друга примерно на 1 мм.

Процесс диффузии ускоряется с повышением температуры, так как с увеличивается скорость движения молекул.

Диффузия играет большую роль в природе. Благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи Земли. Диффузия растворов различных солей обеспечивает питание растений. Диффузия играет огромную роль в клеточных процессах.

МАССА И РАЗМЕР МОЛЕКУЛ

См.ниже «Моль» и «Постоянная Авогадро»

Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Количество вещества характеризуется количеством молекул этого вещества.

Так как массы молекул очень малы (10-25 г), то удобней использовать в расчетах не абсолютные значения масс, а относительные. По международному соглашению 1961 года массы всех атомов и молекул сравнивают с 1/12 массы атома углерода. Так называемая углеродная шкала атомных масс

Множитель 1/12 введен, чтобы относительные массы атомов были близки к целым числам для удобства расчетов.

Относительной молекулярной (или атомной) массой вещества Мr называют отношение массы молекулы (или атома) данного вещества m0 к 1/12 массы атома углерода m0C:

Мr =

Относительные атомные массы всех химических элементов точно измерены.

Складывая относительные атомные массы элементов, входящих в состав молекулы, можно вычислить относительную молекулярную массу вещества.

Количество вещества наиболее естественно измерять числом атомов или молекул, но их число очень велико. В расчетах используют не абсолютное число атомов или молекул, а относительное.

В Международной системе единиц количество вещества выражают в молях.

Единицей количества вещества является моль.

Моль – количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равна относительной атомной массе.

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же частиц, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода.

Массу одного моля называют молярной массой и обозначают М

М= Мr * 1 г/моль

Единица молярной массы – кг/моль

Отношение числа молекул к количеству вещества называется постоянной Авогадро:

NA =

Постоянная Авогадро:

NA = 6.022*1023 моль-1

Она показывает, сколько атомов или молекул содержится в одном моле вещества.

Постоянная Авогадро одинакова для всех веществ, т.е. моль любого вещества содержит одинаковое число атомов (или молекул)

Постоянная Авогадро впервые была вычислена Перреном при опытах по изучению броуновского движения частиц.

Количество вещества можно найти как отношение числа атомов или молекул вещества к постоянной Авогадро:

υ =

Наряду с относительной молекулярной массой Mr в химии и физике широко используется понятие молярная масса вещества.

Молярной массой называется величина, равная отношению массы вещества к количеству вещества:

M =

Молярную массу можно выразить через массу молекулы:

M = m0NA

Масса вещества равна произведению массы одной молекулы на число молекул в теле:

m = m0N

Количество вещества равно отношению массы вещества к его молярной массе:

υ = = =

Для определения массы молекул нужно разделить массу вещества на число молекул в нем:

m0 =  =  =

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ МОЛЕКУЛ. ОПЫТ ШТЕРНА(уч.10кл.стр.236)

См. определение идеального газа (уч.10кл.стр.222,229- )

Статистические методы исследования идеального газа.

Распределение молекул идеального газа по скоростям

Опыт Штерна

Распределение молекул по скоростям в опыте Штерна (график и его объяснение)

Наиболее вероятная скорость молекул

Наиболее простой моделью является идеальный газ, состоящий из материальных точек, между которыми отсутствуют силы, действующие на расстоянии, и которые сталкиваются между собой как упругие шары.

Подобная модель одинакова для всех разряженных газов.

Свойства различных разряженных газов не зависят от взаимодействия между отдельными молекулами.

Информация об отдельной частице не представляет практического интереса для описания поведения газа как целого.

Статистическая закономерность в теории идеального газа – закон поведения совокупности большого числа частиц.

Микроскопические параметры – параметры малых масштабов (масса молекулы, ее скорость, импульс, кинетическая энергия), характеризуют движение отдельной молекулы.

Макроскопические параметры – параметры больших масштабов (масса газа, давление, объем, температура), характеризуют свойства газа как целого.

Молекулы идеального газа в отсутствии внешних сил равномерно распределены в пространстве.

Равномерное распределение в пространстве молекул идеального газа является его наиболее вероятным состоянием.

В результате хаотических столкновений молекулы идеального газа изменяют не только направление своего движения, но и скорость. Ответить сколько частиц обладают определенной скоростью невозможно.

Интерес представляет распределение молекул по скоростям.

В 1920 г. О.Штерн поставил опыт по определению скорости молекул газа или пара.

В нагревателе с поверхности серебряной проволоки, раскаленной электрическим током, испаряются атомы вещества. Попадая из нагревателя через отверстие в вакуумную камеру, молекулы пара с помощью системы щелей формируются в узкий пучок, направленный в сторону двух дисков, вращающихся с угловой скоростью ω. Диски используются для сортировки молекул по скоростям. Угол между прорезями в дисках α. Расстояние между дисками l в процессе эксперимента не изменяется.

Для того чтобы молекула пара (газа) попала на приемник детектора частиц, она должна пройти через прорези в дисках. Для этого время прохождения молекулы между дисками должно быть равно времени поворота прорези второго диска на угол α.

t =  t = Þ v = ω

Угол прорезей ∆α в дисках конечен, поэтому через них будут проходить молекулы, скорость которых лежит в интервале от v до v + ∆v, где ∆v = v

Анализ данных опыта Штерна позволяет найти распределение молекул по скоростям.

На графике изображена зависимость числа молекул, приходящихся на единичный интервал скоростей, от скорости, которой они обладают.

Максимум ∆N/∆v означает, что большинство молекул обладают такой скоростью.

Наиболее вероятная скорость – скорость, которой обладает максимальное число молекул.

Полученное распределение характерно для многих массовых процессов, характеризующихся внутренней неупорядоченностью, хаотичностью.

Выбирая определенный интервал скоростей ∆v, можно найти среднюю скорость молекул.

= =

Вычисления показывают, что средняя скорость молекул превышает наиболее вероятную.

> vн.в.

Скорость молекул газа:

Зная абсолютную температуру, можно найти среднюю кинетическую энергию молекул газа, а , следовательно, и средний квадрат их скорости.

Квадратный корень из этой величины называется средней квадратичной скоростью:

=

Опыты по определению скоростей молекул доказали справедливость этой формулы.

КОЛИЧЕСТВО ВЕЩЕСТВА(уч.10кл.стр.216-217)

См. ниже «Моль» и «Постоянная Авогадро»

МОЛЬ(уч.10кл.стр.216-217)

Моль. Определение

Молярная масса. Единицы измерения

Молярная масса и количество атомов вещества в моле.

Постоянная Авогадро

Количество вещества характеризуется количеством молекул этого вещества.

Моль – количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равна относительной атомной массе.

Массу одного моля называют молярной массой и обозначают М

М= Мr * 1 г/моль

Единица молярной массы – кг/моль

Молярная масса может быть выражена через число атомов (или молекул) в моле вещества NA и массу отдельного атома ma:

M = NAma

(ma = Mr а.е.м = Mr * 1.66*10-27 кг – масса атома)

Постоянная Авогадро – число атомов (или молекул), содержащееся в 1 моль вещества:

NA = 6.022*1023 моль-1

Постоянная Авогадро одинакова для всех веществ, т.е. моль любого вещества содержит одинаковое число атомов (или молекул)

ПОСТОЯННАЯ АВОГАДРО (уч.10кл.стр.216-217)

Моль. Определение

Молярная масса. Единицы измерения

Молярная масса и количество атомов вещества в моле.

Постоянная Авогадро

Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц.

Единицей количества вещества является моль.

Моль – количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равна относительной атомной массе.

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же частиц, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода.

Массу одного моля называют молярной массой и обозначают М

М= Мr * 1 г/моль

Единица молярной массы – кг/моль

Отношение числа молекул к количеству вещества называется постоянной Авогадро:

NA =

Постоянная Авогадро:

NA = 6.022*1023 моль-1

Она показывает, сколько атомов или молекул содержится в одном моле вещества.

Постоянная Авогадро одинакова для всех веществ, т.е. моль любого вещества содержит одинаковое число атомов (или молекул)

Постоянная Авогадро впервые была вычислена Перреном при опытах по изучению броуновского движения частиц.

Количество вещества можно найти как отношение числа атомов или молекул вещества к постоянной Авогадро:

υ =

Молярной массой называется величина, равная отношению массы вещества к количеству вещества:

M =

Молярную массу можно выразить через массу молекулы:

M = m0NA

Для определения массы молекул нужно разделить массу вещества на число молекул в нем:

m0 =  =  =

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОЛЕКУЛ

Молекула – сложная система, состоящая из большого числа отдельных заряженных частиц. Хотя в целом молекулы электрически нейтральны, на малых расстояниях действуют значительные электрические силы взаимного притяжения электронов и атомных ядер соседних молекул.

Силы между электрически нейтральными молекулами являются короткодействующими.

На очень малых расстояниях, когда электронные оболочки атомов начинают перекрываться, между молекулами возникают значительные силы отталкивания.

МОДЕЛИ ГАЗА, ЖИДКОСТИ И ТВЕРДОГО ТЕЛА(уч.10кл.стр.218-224)

Виды агрегатного состояния вещества

Агрегатные переходы

Твердое тело. Определение и свойства

Жидкое тело. Определение и свойства

Газообразное тело. Определение и свойства. Кинетическая энергия молекул (уч.10кл.стр.223)

Плазма. Определение и свойства (уч.10кл.стр.224)

Энергия молекул при переходах (см.ниже уч.10кл.)

Взаимное расположение, характер движений и взаимодействие молекул вещества, существенно зависящие от внешних условий, характеризуют его агрегатное состояние.

Различают четыре агрегатных состояния вещества:

- твердое

- жидкое

- газообразное

- плазменное

Фазовый переход – переход системы из одного агрегатного состояния в другое.

При фазовом переходе скачкообразно изменяется какая-либо физическая величина или симметрия системы.

Реализация того или иного агрегатного состояния вещества зависит от соотношения кинетической и потенциальной энергии молекул, входящих в его состав.

Твердое тело

Вещество находится в твердом состоянии, если средняя потенциальная энергия притяжения молекул много больше их средней кинетической энергии.

Молекулы в твердом теле располагаются упорядочено и плотно заполняют пространство.

Значительная потенциальная энергия взаимодействия препятствует изменению среднего расстояния между атомами (молекулами). Следствие – сохранение формы и объема.

При деформации в твердом теле возникают силы, стремящиеся восстановить его форму.

Жидкость

Вещество находится в жидком состоянии, если средняя кинетическая энергия молекул соизмерима со средней потенциальной энергией их притяжения.

Молекулы в жидкости расположены почти вплотную друг к другу и совершают колебания около положений равновесия, иногда перескакивая из одного положения в другое, сталкиваясь с соседними молекулами.

При повышении температуры время «оседлой» жизни молекул жидкости уменьшается.

Рост кинетической энергии молекул приводит к увеличению амплитуды их колебаний. Молекулы могут перескакивать из одного равновесного состояния в другое.

Относительные положения молекул в жидкости не фиксированы.

Жидкости текучи и не сохраняют своей формы.

Текучесть жидкости объясняется тем, что перескоки молекул из одного положения равновесия в другое происходят преимущественно в направлении действия внешней силы.

Сжимаемость жидкости не велика и мало отличается от сжимаемости твердых тел из-за малого расстояния между молекулами.

Газ

Вещество находится в газообразном состоянии, если средняя кинетическая энергия молекул превышает их среднюю потенциальную энергию.

Расстояние между атомами или молекулами в газе во много раз больше размеров самих молекул.

Газ может неограниченно расширяться в пространстве, так как силы притяжения между молекулами незначительны. Газы не сохраняют ни формы ни объема.

Высокая сжимаемость газа объясняется большим межмолекулярным расстоянием.

При сжатии газа его плотность возрастает, расстояния между молекулами уменьшаются.

Для описания свойств газа используют модель идеального газа.

Плазма

При нагревании газа скорость его молекул возрастает на столько, что столкновения перестают быть упругими. Кинетическая энергия оказывается достаточной не только для деформации электронных оболочек атомов, но и для выбивания валентных электронов.

X + X Þ X + X+ + e-

Ионизация – процесс образования ионов из атомов.

Ионизация возможна и при столкновении различных частиц.

В результате неупругих столкновений качественно меняется состав газа: наряду с электронейтральными атомами появляются заряженные частицы.

(Суммарный электрический заряд при этом остается постоянным)

Плазма – электронейтральная совокупность нейтральных и заряженных частиц.

Плазма, состоящая из нейтральных атомов, ионов и электронов, называется трехкомпонентной.

Реальная плазма – многокомпонентная.

Характерные свойства плазмы проявляются при наличии электрического или магнитного полей.

Плазма используется в газоразрядных лампах. Ее много в космосе (до 99%)

Солнечный ветер – поток плазмы, испускаемой Солнцем.

Модель теплового движения частиц в различных агрегатных состояниях вещества:

- твердое тело – частицы колеблются около положений равновесия, взаимодействуя с ближайшими соседями

- жидкость – частицы колеблются в большей области, положения равновесия подвижны

- газ – атомы (молекулы) движутся по прямолинейным траекториям, столкновения изменяют направления движения.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое сопровождается изменением его молекулярной структуры.

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ (уч.10кл.стр.284-285)

Теория тепловых процессов, в которой не учитывается молекулярное строение тел, называется термодинамикой.

Термодинамика – теория наиболее общих энергетических превращений макроскопических систем.

Внутренняя энергия тела – сумма кинетической энергии хаотического движения его частиц (атомов, молекул) и потенциальной энергией их взаимодействия

Внутренняя энергия идеального газа

U = RT = pV

Число степеней свободы i - число возможных независимых направлений движения молекулы.

Внутренняя энергия замкнутой теплоизолированной системы сохраняется.

Изменение внутренней энергии возможно в результате теплообмена и работы внешних сил.

Теплообмен – процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы

Количество теплоты, получаемое телом – энергия, передаваемая телу извне в результате теплообмена.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43