МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

1. Основные положения молекулярно-кинетической теории, строение вещества с точки зрения МКТ.

2. Что называют атомом? Молекулой?

3. Что называют количеством вещества? Какова его единица (дайте определение)?

4. Что называют молярной массой молярным объемом?

5. Каким образом можно определить массу молекул; размер молекул.Какова примерно масса молекул и их размеры?

6. Опишите опыты, подтверждающие основные положения МКТ.

7. Что называется идеальным газом? Каким условиям он должен удовлетворять? При каких условиях реальный газ по своим свойствам близок к нему?

8. Запишите формулы для средней арифметической скорости, средней квадратичной скорости.

9. Что доказывают опыты по диффузии? Броуновскому движению? Объясните их на основе МКТ

10. Что доказывает опыт Штерна? Объясните на основе МКТ.

11. Выведите и сформулируйте основное уравнение МКТ. Какие допущения используют при выводе основного уравнения МКТ.

12. Что характеризует температура тела?

13. Формулировка и математическая запись законов Дальтона, Бойля ­ Мариотта, Гей­ Люссака, Шарля.

14. Какова физическая сущность абсолютного нуля температуры? Запишите связь абсолютной температуры с температурой по шкале Цельсия. Достижим ли абсолютный нуль, почему?

15. Как объяснить давление газов с точки зрения МКТ? От чего оно зависит?

16. Что показывает постоянная Авогадро? Чему равно ее значение?

17. Чему равно значение универсальной газовой постоянной?

18. Чему равно значение постоянной Больцмана?

19. Написать уравнение Менделеева – Клапейрона. Какие величины входят в формулу?

20. Написать уравнение Клапейрона. Какие величины входят в формулу?

21. Что называется парциональным давлением газа?

22. Что называется изопроцессом, какие изопроцессы знаете.

23. Понятие, определение, внутренняя энергия идеального газа.

24. Параметры газа. Вывод объединенного газового закона.

25. Вывод уравнения Менделеева-Клапейрона.

26. Что называется: молярной массой вещества, количеством вещества, относительной атомной массой вещества, плотностью, концентрацией, абсолютной температурой тела? В каких единицах они измеряются?



27. Давление газа. Единицы измерения давления в СИ. Формула. Приборы для измерения давления.

28. Опишите и объясните две температурные шкалы: термодинамическую и практическую.

30. Сформулируйте законы, описывающие все виды изопроцессов?

31. Начертите график зависимости плотности идеального газа от термодинамической температуры для изохорного процесса.

32. Начертите график зависимости плотности идеального газа от термодинамической температуры для изобарного процесса.

33. Чем отличается уравнение Клапейрона-Менделеева от уравнения Клапейрона?

34. Запишите формулу средней кинетической энергии идеального газа.

35. Средняя квадратичная скорость теплового движения молекул.

36. Средняя скорость хаотического движения молекул.

2. Частицы, из которых состоят вещества, называют молекулами. Частицы, из которых состоят молекулы, называют атомами.

3. Величина, которая определяет количество молекул в данном образце вещества, называется количеством вещества. один моль - это количество вещества, которое содержит столько же молекул, сколько атомов углерода содержится в 12 г углерода.

4. Моля́рная ма́сса вещества - масса одного моля вещества (г/моль) Моля́рный объём - объём одного моль вещества, величина, получающаяся от деления молярной массы на плотность.

5. Зная молярную массу, можно вычислить массу одной мо­лекулы: m0 = m/N = m/vNA = М/NA Диаметром молекулы принято считать мини­мальное расстояние, на которое им позволяют сбли­зиться силы отталкивания. Однако понятие размера молекулы является условным. Средний размер моле­кул порядка 10-10 м.

7. Идеальный газ – это модель реального газа, которая обладает следующими свойствами:
Молекулы пренебрежимо малы по сравнению со средним расстоянием между ними
Молекулы ведут себя подобно маленьким твердым шарикам: они упруго сталкиваются между собой и со стенками сосуда, никаких других взаимодействий между ними нет.

Молекулы находятся в непрекращающемся хаотическом движении. Все газы при не слишком высоких давлениях и при не слишком низких температурах близки по своим свойствам к идеальному газу. При высоких давлениях молекулы газа настолько сближаются, что пренебрегать их собственными размерами нельзя. При понижении температуры кинетическая энергия молекул уменьшается и становится сравнимой с их потенциальной энергией, следовательно, при низких температурах пренебрегать потенциальной энергией нельзя.

При высоких давлениях и низких температурах газ не может считаться идеальным. Такой газ называют реальным. (Поведение реального газа описывается законами, отличающимися от законов идеального газа.)

Средняя квадратичная скорость молекул - среднее квадратическое значение модулей скоростей всех молекул рассматриваемого количества газа

А если расписать универсальную газовую постоянную, как , и за одно молярную массу , то у нас получится?

В Формуле мы использовали:

Средняя квадратичная скорость молекул

Постоянная Больцмана

Температура

Масса одной молекулы

Универсальная газовая постоянная

Молярная масса

Количество вещества

Средняя кинетическая энергия молекул

Число Авогадро

Средняя арифметическая скорость молекул опр­деляется по формуле

где М - молярная масса вещества.

9. Броуновское движение. Однажды в 1827 г. английский ученый Р. Броун, изучая растения при помощи микроскопа, обнаружил очень необычное явление. Плавающие на воде споры (мелкие семена некоторых растений) скачкообразно двигались без видимых на то причин. Броун наблюдал это движение (см. рисунок) несколько дней, однако так и не смог дождаться его прекращения. Броун понял, что имеет дело с неизвестным науке явлением, поэтому он очень подробно его описал. Впоследствии это явление учёные-физики назвали по имени первооткрывателя – броуновским движением.

Объяснить броуновское движение невозможно, если не предположить, что молекулы воды находятся в беспорядочном, никогда не прекращающемся движении. Они сталкиваются друг с другом и с другими частицами. Наталкиваясь на споры, молекулы вызывают их скачкообразные перемещения, что Броун и наблюдал в микроскоп. А поскольку молекулы в микроскоп не видны, то движение спор и казалось Броуну беспричинным.

Диффузия

Как же объяснить ускорение этих явлений? Объяснение одно: повышение температуры тела приводит к увеличению скорости движения составляющих его частиц.

Итак, каковы же выводы из опытов?Самостоятельное движение частиц веществ наблюдается при любой температуре. Однако при повышении температуры движение частиц ускоряется, что приводит к возрастанию ихкинетической энергии . В результате эти более «энергичные» частицы ускоряют протекание диффузии, броуновского движения и других явлений, например растворения или испарения.

10. Опыт Штерна – опыт, в котором была экспериментально измерена скорость молекул. Было доказано, что разные молекулы в газе обладают разной скоростью, а при заданной температуре можно говорить о распределении молекул по скоростям и о средней скорости молекул.

Запишем уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клайпейрона) в виде

где R - универсальная газовая постоянная R = 8,31×10 3 .

В одном киломоле любого вещества находится одно и то же количество молекул, равное числу Авогадро N A = 6,023×10 23 моль -1 .

Объем одного киломоля идеального газа при нормальных условиях

V км = 22,4 м 3 /кмоль.

Часто употребляется еще одна физическая константа - постоянная Больцмана k=R/N A =1.38×10 -23 Дж/К. Для одного киломоля идеального газа можно записать

и . (11.48)

Откуда следует

Или , , (11.49)

где - средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы газа. Абсолютная температура T лишь постоянным множителем отличается от .

С точки зрения молекулярно-кинетической теории , абсолютная температура есть величина, пропорциональная средней энергии поступательного движения молекулы.:

=3/2kT. (k –постоянная Больцмана k=R/N A =1.38×10 -23 Дж/К.)

Абсолютный нуль (-273,15 0С) - температура, при которой поступательное движение молекул идеального газа замирает.

Средняя квадратичная скорость молекул - среднее квадратическое значение модулей скоростей всех молекул рассматриваемого количества газа

, где - Масса одной молекулы, - Молярная масса (масса одного моля вещества).

Число степеней свободы. Принцип равнораспределения энергии по степеням свободы. Внутренняя энергия идеального газа.

Рис. 9.4

Числом степеней свободы называется число независимых координат, которыми описывается движение тела в пространстве. Материальная точка имеет три степени свободы, поскольку при ее движении в пространстве изменяются три координаты: x, y, z. Система из двух материальных точек, расстояние между которыми остается постоянным, имеет пять степеней свободы: три из них приходится на поступательное движение и две – на вращательное (рис. 9.4) вокруг осей x и z. Вращение вокруг оси y не дает дополнительной степени свободы, так как при этом положения материальных точек в пространстве не изменяется.

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы равна – формула (8.12) (к – постоянная Больцмана, Т - температура). Это движение можно рассматривать как движение с тремя степенями свободы, поскольку молекулы идеального газа можно принять как материальные точки. Все три степени свободы равноправны, поэтому можно считать, что на одну степень свободы приходится энергия

Подсчитаем теперь внутреннюю энергию (U) одного киломоля идеального газа. Эта энергия может быть найдена умножением средней энергии одной молекулы на их число, т.е. на число Авогадро:

Из (9.10) видно, что внутренняя энергия идеального газа полностью определяется его температурой. Из-за отсутствия взаимодействия между молекулами идеального газа внутренняя энергия его зависит от числа частиц, температуры и не зависит от объема (закон Джоуля).

Нас будет интересовать средний квадрат проекции скорости. Он находится так же, как квадрат модуля скорости (см. выражение (4.1.2)):

Скорости молекул принимают непрерывный ряд значений. Определить точные значения скоростей и вычислить среднее значение (статистическое среднее) с помощью формулы (4.3.2) практически невозможно. Определим несколько иначе, более реалистично. Обозначим черезп 1 число молекул в объеме 1 см 3 , имеющих проекции скоростей, близкие к v 1х ; через п 2 - число молекул в том же объеме, но со скоростями, близкими к v kx , и т. д.* Число молекул со скоростями, близкими к максимальной v kx , обозначим через n k (скорость v k x может быть сколь угодно велика). При этом должно выполняться условие: п 1 + п 2 + ... + n i + ... + n k = п, где п - концентрация молекул. Тогда для среднего значения квадрата проекции скорости вместо формулы (4.3.2) можно написать следующую эквивалентную формулу:

* О том, как эти числа могут быть определены, будет рассказано в §4.6.

Так как направление X ничем не отличается от направлений Y и Z (опять-таки из-за хаоса в движении молекул), справедливы равенства:

(4.3.4)

Для каждой молекулы квадрат скорости равен:

Значение среднего квадрата скорости, определяемое так же, как средний квадрат проекции скорости (см. формулы (4.3.2) и (4.3.3)), равно сумме средних квадратов ее проекций:

(4.3.5)

Из выражений (4.3.4) и (4.3.5) следует, что

(4.3.6)

т. е. средний квадрат проекции скорости равен среднего квадрата самой скорости. Множительпоявляется вследствие трехмерности пространства и, значит, существования трех проекций у любого вектора.

Скорости молекул беспорядочно меняются, но среднее значение проекций скорости на любое направление и средний квадрат скорости - вполне определенные величины.

§ 4.4. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории

Вычислим с помощью молекулярно-кинетической теории давление газа. На основе проделанных расчетов можно будет сделать очень важный вывод о связи температуры газа со средней кинетической энергией молекул.

Пусть газ находится в прямоугольном сосуде с твердыми стенками. Газ и сосуд имеют одинаковые температуры, т. е. находятся в состоянии теплового равновесия. Будем считать столкновения молекул со стенками абсолютно упругими. При этом условии кинетическая энергия молекул в результате столкновения не меняется.

Требование того, чтобы столкновения были абсолютно упругими, не является строго обязательным. В точности оно и не реализуется. Молекулы могут отражаться от стенки под разными углами и со скоростями, не равными по модулю скоростям до соударения. Но в среднем кинетическая энергия отраженных стенкой молекул будет равна кинетической энергии падающих молекул, если только существует тепловое равновесие. Результаты расчета не зависят от детальной картины столкновений молекул со стенкой. Поэтому вполне допустимо считать столкновения молекул подобными столкновениям упругих шаров с абсолютно гладкой твердой стенкой.

Вычислим давление газа на стенку сосуда CD , имеющую площадь S и расположенную перпендикулярно оси X (рис. 4.3).

Поставим перед собой задачу: пользуясь упрощенными представлениями о движении и взаимодействии газовых молекул, выразить давление газа через величины, характеризующие молекулу.

Рассмотрим газ, заключенный в сферическом объеме с радиусом и объемом Отвлекаясь от соударений газовых молекул, мы вправе принять следующую простую схему движения каждой молекулы.

Молекула движется прямолинейно и равномерно с некоторой скоростью ударяется о стенку сосуда и отскакивает от нее под углом, равным углу падения (рис. 83). Проходя все время хорды одинаковой длины молекула наносит стенке сосуда ударов за 1 с. При каждом ударе импульс молекулы меняется на (см. стр. 57). Изменение импульса за 1 с будет равно

Мы видим, что угол падения сократился. Если молекула падает на стенку под острым углом, то удары будут частые, но слабые; при падении под углом, близким к 90°, молекула будет наносить стенке удары реже, но зато сильнее.

Изменение импульса при каждом ударе молекулы о стенку дает свой вклад в общую силу давления газа. Можно принять в соответствии с основным законом механики, что сила давления есть не что

иное как изменение импульса всех молекул, происходящее за одну секунду: или, вынося постоянный член за скобки,

Пусть в газе содержится молекул, тогда можно ввести в рассмотрение средний квадрат скорости молекулы, который определяется формулой

Выражение для силы давления запишется теперь кратко:

Давление газа мы получим, разделив выражение силы на площадь сферы Получим

Заменяя на получим следующую интересную формулу:

Итак, давление газа пропорционально числу молекул газа и среднему значению кинетической энергии поступательного движения молекулы газа.

К важнейшему выводу мы приходим, сравнивая полученное уравнение с уравнением газового состояния. Сопоставление правых частей равенств показывает, что

т. е. средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул зависит только от абсолютной температуры и притом прямо пропорциональна ей.

Проделанный вывод показывает, что газы, подчиняющиеся закону газового состояния, являются идеальными в том смысле, что приближаются к идеальной модели собрания частиц, взаимодействие которых не существенно. Далее, этот вывод показывает, что введенное эмпирическим путем понятие абсолютной температуры как величины, пропорциональной давлению разреженного газа, имеет простой молекулярно-кинетический смысл. Абсолютная температура пропорциональна кинетической энергии поступательного движения молекул. есть число Авогадро - число молекул в одной грамм-молекуле, оно является универсальной постоянной: Обратная величина будет равна массе атома водорода:

Универсальной является также величина

Она называется постоянной Больцмана Тогда

Если представить квадрат скорости через сумму квадратов составляющих, очевидно, на любую составляющую придется в среднем энергия

Эту величину называют энергией, приходящейся на одну степень свободы.

Универсальная газовая постоянная хорошо известна из опытов с газами. Определение числа Авогадро или постоянной Больцмана (выражающихся друг через друга) является относительно сложной задачей, требующей проведения тонких измерений.

Проделанный вывод дает в наше распоряжение полезные формулы, позволяющие вычислять средние скорости молекул и число молекул в единице объема.

Так, для среднего квадрата скорости получим