Основні молекулярно-кінетичної теорії, рівняння і формули

Світ, в якому ми з вами живемо, неймовірно прекрасний і сповнений безлічі різних процесів, які задають протягом життя. Всі ці процеси вивчає всім знайома наука - фізика. Вона дає можливість отримати хоч якесь уявлення про походження Всесвіту. У даній статті ми розглянемо таке поняття, як молекулярно-кінетична теорія, її рівняння, види і формули. Однак, перш ніж перейти до більш глибокого вивчення цих питань, потрібно прояснити для себе сам сенс фізики і областей, нею вивчаються.

Що ж таке фізика?

що таке фізика?

Насправді, це дуже велика наука і, мабуть, одна з найбільш фундаментальних за всю історію людства. Наприклад, якщо та ж інформатика пов’язана практично з кожною областю людської діяльності, будь то розрахункове проектування або створення мультфільмів, то фізика - це саме життя, опис її складних процесів і течій. Давайте спробуємо розібрати її сенс, максимально спростивши розуміння.

Таким чином, фізика - це наука, яка займається вивченням енергії і матерії, зв’язків між ними, поясненням багатьох процесів, що відбуваються в нашій неосяжного Всесвіту. Молекулярно-кінетична теорія будови речовини - лише мала крапля в морі теорій і розділів фізики.

Енергію, яку докладно вивчає дана наука, можна уявити в самих різних формах. Наприклад, у вигляді світла, руху, гравітації, випромінювання, електрики і в багатьох інших видах. Нами буде порушена в даній статті молекулярна кінетична теорія будови цих форм.

Вивчення матерії дає нам уявлення про атомарний будову речовини. Воно, до речі, випливає з молекулярно-кінетичної теорії. Наука про будову матерії дозволяє зрозуміти і знайти сенс нашого існування, причини виникнення життя і самого Всесвіту. Давайте все-таки спробуємо вивчити молекулярно кінетичну теорію речовини.

Для початку необхідно деякий вступ для повного усвідомлення термінології і будь-яких висновків.

Розділи фізики

Відповідаючи на питання про те, що таке молекулярно-кінетична теорія, не можна не поговорити про розділи фізики. Кожен з цих них займається докладним вивченням і поясненням певній галузі людського життя. Вони класифікуються наступним чином:

  • Механіка, яка ділиться ще на два розділи: кінематика і динаміка.
  • Статика.
  • Термодинаміка.
  • Молекулярний розділ.
  • Електродинаміка.
  • Оптика.
  • Фізика квантів і атомного ядра.

Поговоримо конкретно про молекулярної фізики, адже саме в її основі лежить молекулярно-кінетична теорія.

Що таке термодинаміка?

молекулярна фізика

Взагалі, молекулярна частина і термодинаміка є тісно пов’язаними розділами фізики, які займаються вивченням виключно макроскопічної складової загального числа фізичних систем. Варто пам’ятати, що ці науки описують саме внутрішній стан тіл і речовин. Наприклад, їх стан при нагріванні, кристалізації, паротворенні і конденсації, на атомарному рівні. Іншими словами, молекулярна фізика - наука про системи, які складаються з величезної кількості частинок: атомів і молекул.

Саме цими науками були вивчені основні положення молекулярно-кінетичної теорії.

Ще в курсі сьомого класу ми познайомилися з поняттями мікро-і макросвіту, систем. Не буде зайвим нагадати ці терміни в пам’яті.

Мікросвіт, як ми можемо помітити з самого його назви, становлять елементарні частинки. Іншими словами, це світ малих частинок. Розміри їх вимірюються в межах від 10-18 м до 10-4 м, а час їх фактичного стану може досягти як нескінченності, так і незрівнянно малих проміжків, наприклад, 10-20 с.

Макросвіт розглядає тіла і системи стійких форм, що складаються з безлічі елементарних частинок. Такі системи співмірні з нашими, людськими розмірами.

Крім того, існує і таке поняття, як мегамир. Його складають величезних масштабів планети, космічні галактики і комплекси.

Основні положення теорії

Тепер, коли ми трохи повторили і згадали основні терміни фізики, можемо перейти безпосередньо до розгляду головної теми цієї статті.

Молекулярно-кінетична теорія з’явилася і була сформульована вперше ще в дев’ятнадцятому столітті. Суть її полягає в тому, що вона детально описує будову певної речовини (частіше будова газів, ніж твердих і рідких тіл), грунтуючись на трьох фундаментальних положеннях, які були зібрані з припущень таких видних наукових діячів, як Роберт Гук, Ісаак Ньютон, Данило Бернуллі, Михайло Ломоносов та багатьох інших.

Положення основні молекулярно-кінетичної теорії звучать так:

  1. Абсолютно всі речовини (незалежно від того, рідкі вони, тверді або газоподібні) мають складну будову, що складається з більш дрібних частинок: молекул і атомів. Атоми іноді називають "елементарними молекулами".
  2. Всі ці елементарні частинки завжди знаходяться в стані безперервного і хаотичного переміщення. Кожен з нас стикався з прямим доказом цього положення, але, найімовірніше, не надавав цьому особливого значення. Наприклад, всі ми бачили на тлі сонячних променів, що пилинки безперервно рухаються в хаотичному напрямку. Це пов'язано з тим, що атоми виробляють взаємні поштовхи один з одним, постійно повідомляючи кінетичну енергію один одному. Вперше це явище було вивчено в 1827 році, а названо воно на честь відкривача - "броунівським рухом".
  3. Всі елементарні частинки знаходяться в процесі безперервного взаємодії один з одним з певними силами, які мають електричну породу.

Варто відзначити, що іншим прикладом, що описує стан під номером два, яке може ставитися також, наприклад, до молекулярно кінетичної теорії газів, служить дифузія. З нею ми стикаємося і в повсякденному житті, і в багаторазових тестах і контрольних, тому важливо мати про неї уявлення.

Для початку розглянемо такі приклади:

Лікар випадково пролив на стіл спирт з колби. Або ж ви упустили флакон з парфумами, а вони розтеклися по підлозі.

Чому в цих двох випадках і запах спирту, і запах парфумів через якийсь час наповнить всю кімнату, а не тільки ту область, куди пролилося вміст цих речовин?

Відповідь проста: дифузія.

Дифузія - що це? Як вона протікає?

що таке дифузія?

Це процес, при якому частинки, що входять до складу якогось одного певного речовини (частіше газу), проникають в міжмолекулярні порожнечі іншого. У наших прикладах, наведених вище, сталося ось що: за рахунок теплового, тобто безперервного і роз’єднаного руху, молекули спирту і / або духів потрапляли в проміжки між молекулами повітря. Поступово, під дією зіткнення з атомами і молекулами повітря, вони поширювалися по кімнаті. До слова, інтенсивність дифузії, тобто швидкість її протікання, залежить від щільності речовин, що беруть участь в дифузії, а також від енергії руху їх атомів і молекул, що іменується кінетичної. Чим більше кінетична енергія, тим вище швидкість цих молекул, відповідно, і інтенсивність.

Найбільш швидким процесом дифузії можна назвати дифузію в газах. Це пов’язано з тим, що газ не є однорідним за своїм складом, а це означає, що міжмолекулярні порожнечі в газах займають значний обсяг простору, відповідно, і процес потрапляння атомів і молекул стороннього речовини в них протікає простіше і швидше.

Трохи повільніше цей процес проходить в рідинах. Розчинення кубиків цукру в гуртку з чаєм - якраз приклад дифузії твердого тіла в рідині.

Але найтривалішою за часом є дифузія в тілах з твердої кристалічної структурою. Це саме так, тому що структура твердих тіл однорідна і має міцну кристалічну решітку, в осередках якої атоми твердого речовини коливаються. Наприклад, якщо поверхні двох металевих брусків добре очистити, а потім змусити їх контактувати один з одним, то через досить тривалий час ми зможемо виявити шматочки одного металу в іншому, і навпаки.

Як і будь-який інший фундаментальний розділ, основна теорія фізики підрозділяється на окремі частини: класифікацію, види, формули, рівняння і так далі. Таким чином, ми вивчили основи молекулярно-кінетичної теорії. Це означає, що можна спокійно перейти до розгляду окремих теоретичних блоків.

Молекулярно-кінетична теорія газів

теорія газів

З’являється потреба у розумінні положень газової теорії. Як ми говорили раніше, нами будуть розглянуті макроскопічні характеристики газів, наприклад, тиск і температура. Це знадобиться в подальшому для того, щоб вивести рівняння молекулярно-кінетичної теорії газів. Але математика - потім, а зараз займемося теорією і, відповідно, фізикою.

Вченими були сформульовані п’ять положень молекулярної теорії газів, які служать для осмислення кінетичної моделі газів. Вони звучать так:

  1. Всі гази складаються з елементарних частинок, які не мають якогось певного розміру, але мають певну масу. Іншими словами, обсяг цих частинок мінімальний в порівнянні з величиною довжини між ними.
  2. Атоми і молекули газів практично не мають потенційної енергії, відповідно, за законом вся енергія дорівнює кінетичної.
  3. З цим положенням ми вже знайомилися раніше - броунівський рух. Тобто, газові частинки завжди роблять в безперервне і сумбурне рух.
  4. Абсолютно всі взаємні зіткнення газових частинок, що супроводжуються повідомленням швидкості і енергії, є повністю еластичними. Це означає, що втрати енергії або різкі скачки їх кінетичної енергії при зіткненні відсутні.
  5. При нормальних умовах і постійній температурі усереднена енергія руху частинок практично всіх газів однакова.

П’яте положення ми з вами можемо переписати через такий вид рівняння молекулярно-кінетичної теорії газів:

Е = 12 * m * v ^ 2 = 32 * k * T,

Де k - це постійна Больцмана; Т - температура в Кельвіна.

Це рівняння дає нам зрозуміти зв’язок між швидкістю елементарних частинок газу і їх абсолютної температурою. Відповідно, чим вище їх абсолютна температура, тим більше їх швидкість і кінетична енергія.

Тиск газів

тиск газу

Такі макроскопічні складові характеристики, як, наприклад, тиск газів, також можна пояснити за допомогою кінетичної теорії. Для цього представимо такий приклад.

Припустимо, що молекула якогось газу знаходиться в ящику, довжина якого L. Скористаємося вищеописаними положеннями газової теорії і врахуємо той факт, що молекулярна сфера рухається тільки по іксів осі. Таким чином, ми зможемо спостерігати процес пружного зіткнення з однієї зі стінок посудини (ящика).

розгляд прикладу з газами

Імпульс, що відбувається зіткнення, як нам відомо, визначається формулою: p = m * v, але в даному випадку ця формула набуде проекційний вигляд: p = m * v (х).

Так як нами розглядається тільки розмірність осі абсцис, тобто осі х, то загальна зміна імпульсу буде виражено формулою: m * v (х) - m * (- v (х)) = 2 * m * v (х).

Далі розглянемо силу, яку вони надають нашим об’єктом за допомогою другого закону Ньютона: F = m * a = P / t.

З цих формул висловимо тиск з боку газу: P = F / a;

Тепер підставимо в отриману формулу вираження сили і отримаємо: P = m * v (х) ^ 2 / L ^ 3.

Після цього нашу готову формулу тиску можна записати для N-го числа молекул газу. Іншими словами, вона придбає такий вигляд:

P = N * m * v (х) ^ 2 / V, де v - швидкість, а V - об’єм.

Тепер постараємося виділити кілька основних положень щодо тиску газу:

  • Воно проявляється завдяки зіткнень молекул з молекулами стінок об'єкта, в якому він знаходиться.
  • Величина тиску прямо пропорційна силі і швидкості наголоси молекул об стінки посудини.

Трохи коротких висновків з теорії

Перш ніж піти далі і розглянути основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії, ми пропонуємо вам кілька коротких висновків з вищеописаних пунктів і теорії:

  • Мірою середньої енергії руху її атомів і молекул є абсолютна температура.
  • У тому випадку, коли два різних газу знаходяться при тотожною температурі, їх молекули мають рівну середню кінетичну енергію.
  • Енергія газових частинок прямо пропорційна середньоквадратичної швидкості: Е = 1/2 * m * v ^ 2.
  • Хоча молекули газу і мають середню кінетичну енергію, відповідно, і середню швидкість, окремі частинки рухаються з різною швидкістю: якісь швидко, якісь повільно.
  • Чим вище температура, тим вище і швидкість молекул.
  • У скільки разів ми збільшуємо температуру газу (наприклад, подвоюємо), у стільки разів збільшується і енергія руху його частинок (відповідно, подвоюється).

Основне рівняння і формули

формули фізики

Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії дозволяє встановити взаємозв’язок між величинами мікросвіту і, відповідно, макроскопическими, тобто вимірюваними, величинами.

Однією з найпростіших моделей, які може розглядати молекулярна теорія, вважається модель ідеального газу.

Можна сказати, що це своєрідна уявна модель, яка вивчалася молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу, в якій:

  • Найпростіші частинки газу розглядаються в якості ідеально пружних куль, які виявляють взаємодія як один з одним, так і з молекулами стінок якого б то не було посудини тільки в одному випадку - абсолютно пружного зіткнення;
  • Сили тяжіння всередині газу відсутні, або можна ними фактично знехтувати;
  • Елементи внутрішньої будови газу можуть прийматися в якості матеріальних точок, тобто їх обсягом можна також знехтувати.

Розглядаючи таку модель, фізик Рудольф Клаузіус німецького походження написав формулу тиску газу через зв’язок мікро - і макроскопічних параметрів. Вона має вигляд:

Р = 13 * m (0) * n * v ^ 2.

Пізніше цю формулу назвуть як основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу. Її можна буде представити в кількох різних видах. Наш обов’язок зараз полягає в тому, щоб показати розділи, такі як молекулярна фізика, молекулярно-кінетична теорія, а значить і їх повні рівняння і види. Тому є сенс в розгляді інших варіацій основної формули.

Нам відомо, що середню енергію, що характеризує рух молекул газу, можна знайти за допомогою формули: Е = m (0) * v ^ 22.

У такому випадку ми можемо замінити вираз m (0) * v ^ 2 у вихідній формулі тиску на середню кінетичну енергію. В результаті цього ми матимемо можливість скласти основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії газів в такій формі: р = 23 * n * E.

Крім того, ми з вами знаємо, що вираз m (0) * n можна розписати у вигляді добутку двох приватних:

M / N * N / V = ​​m / V = ​​ρ.

Після цих маніпуляцій ми можемо переписати нашу формулу рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу вже в третьому, відмінному від інших, вигляді:

Р = 13 * ρ * v ^ 2.

Ну що, мабуть, це все, що потрібно знати по даній темі. Залишилося тільки систематизувати отримані знання у формі коротких (і не дуже) висновків.

Всі загальні висновки і формули по темі "Молекулярно-кінетична теорія"

Отже, приступимо.

По перше:

Фізика - фундаментальна наука, яка входить в курс природознавства, яка займається тим, що вивчає властивості матерії і енергії, їх будови, закономірностей неорганічної природи.

До її складу входять такі розділи:

  • Механіка (кінематика і динаміка);
  • Статика;
  • Термодинаміка;
  • Електродинаміка;
  • Молекулярний розділ;
  • Оптика;
  • Фізика квантів і атомного ядра.

По-друге:

Фізика елементарних частинок і термодинаміка є тісно пов’язаними розділами, які займаються вивченням виключно макроскопічної складової загального числа фізичних систем, тобто систем, що складаються з величезного числа елементарних частинок.

В їх основі лежить молекулярно-кінетична теорія.

По-третє:

Суть питання полягає в наступному. Молекулярно-кінетична теорія докладно описує будову певної речовини (частіше будова газів, ніж твердих і рідких тіл), грунтуючись на трьох фундаментальних положеннях, які були зібрані з припущень видних наукових діячів. Серед них: Роберт Гук, Ісаак Ньютон, Данило Бернуллі, Михайло Ломоносов та багато інших.

По-четверте:

Три основних положення молекулярно-кінетичної теорії:

  1. Всі речовини (незалежно від того, рідкі вони, тверді або газоподібні) мають складну будову, що складається з більш дрібних частинок: молекул і атомів.
  2. Всі ці прості частинки знаходяться в безперервному сумбурному русі. Приклад: броунівський рух і дифузія.
  3. Всі молекули при будь-яких умовах взаємодіють один з одним з певними силами, які мають електричну породу.

Кожне це положення молекулярно-кінетичної теорії є міцним фундаментом у вивченні будови матерії.

У п’ятих:

Кілька головних положень молекулярної теорії для моделі газу:

  • Всі гази складаються з елементарних частинок, які не мають якогось певного розміру, але мають певну масу. Іншими словами, обсяг цих частинок мінімальний в порівнянні з відстанями між ними.
  • Атоми і молекули газів практично не мають потенційної енергії, відповідно, їх повна енергія дорівнює кінетичної.
  • З цим положенням ми вже знайомилися раніше - броунівський рух. Тобто, газові частинки завжди знаходяться в безперервному і безладному русі.
  • Абсолютно всі взаємні зіткнення атомів і молекул газів, що супроводжуються повідомленням швидкості і енергії, є повністю еластичними. Це означає, що втрати енергії або різкі скачки їх кінетичної енергії при зіткненні відсутні.
  • При нормальних умовах і постійній температурі середня кінетична енергія практично всіх газів однакова.

По-шосте:

Висновки з теорії по газам:

  • Абсолютна температура є мірою середньої кінетичної енергії її атомів і молекул.
  • У тому випадку, коли два різних газу знаходяться при однаковій температурі, їх молекули мають однакову середню кінетичну енергію.
  • Середня кінетична енергія частинок газу прямо пропорційна середньоквадратичної швидкості: Е = 1/2 * m * v ^ 2.
  • Хоча молекули газу і мають середню кінетичну енергію, відповідно, і середню швидкість, окремі частинки рухаються з різною швидкістю: якісь швидко, якісь повільно.
  • Чим вище температура, тим вище і швидкість молекул.
  • У скільки разів ми збільшуємо температуру газу (наприклад, подвоюємо), у стільки разів збільшується і середня кінетична енергія його частинок (відповідно, подвоюється).
  • Взаємозв'язок між тиском газу на стінки посудини, в якому він розташовується, і інтенсивністю ударів молекул об ці стінки прямо пропорційна: чим більше ударів, тим вище тиск, і навпаки.

По-сьоме:

Модель ідеального газу - така модель, в якій повинні виконуватися наступні умови:

  • Молекули газу можуть і розглядаються в якості ідеально пружних куль.
  • Ці кулі можуть взаємодіяти один з одним і зі стінками якого б то не було посудини тільки в одному випадку - абсолютно пружного зіткнення.
  • Ті сили, які описують взаємну тягу між атомами і молекулами газу, відсутні або можна ними фактично знехтувати.
  • Атоми і молекули розглядаються як матеріальних точок, тобто їх обсягом можна також знехтувати.

По-восьме:

Наведемо всі основні рівняння і покажемо в темі “Молекулярно-кінетична теорія” формули:

Р = 13 * m (0) * n * v ^ 2 - основне рівняння для моделі ідеального газу, виведена німецьким фізиком Рудольфом Клаузиусом.

Р = 23 * n * E - основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу. Виводиться через середню кінетичну енергію молекул.

Р = 13 * ρ * v ^ 2 - це ж рівняння, але розглянуте через щільність і середню квадратичну швидкість молекул ідеального газу.

M (0) = M / N (a) - формула для знаходження маси однієї молекули через число Авогадро.

V ^ 2 = (v (1) + v (2) + v (3) + …) / N - формула для знаходження середньої квадратичної швидкості молекул, де v (1), v (2), v (3) і так далі - швидкості першої молекули, другий, третій і так далі до n-ної молекули.

N = N / V - формула для знаходження концентрації молекул, де N - кількість молекул в об’ємі газу до даного обсягу V.

Е = m * v ^ 22 = 32 * k * Т - формули для знаходження середньої кінетичної енергії молекул, де v ^ 2 - середня квадратична швидкість молекул, k - постійна величина, названа на честь австрійського фізика Людвіга Больцмана, а Т - це температура газу.

P = nkT - формула тиску через концентрацію, постійну Больцмана і абсолютну температуру Т. З неї випливає інша фундаментальна формула, відкрита російським ученим Менделєєвим і французьким фізиком-інженером Клайперона:

PV = m / M * R * T, де R = k * N (a) - універсальна стала для газів.

Тепер покажемо константи для різних з-процесів: ізобарного, ізохорного, ізотермічного та адиабатного.

Р * V / Т = const - виконується в тому випадку, коли маса і склад газу є величинами незмінними.

Р * V = const - якщо при цьому постійна і температура.

V / T = const - якщо постійно тиск газу.

P / T = const - якщо обсяг постійний.

Мабуть, ось і все, що потрібно було б знати по цій темі.

Сьогодні ми з вами поринули в таку наукову область, як теоретична фізика, її множинні розділи і блоки. Більш детально нами була порушена така область фізики, як фундаментальна молекулярна фізика і термодинаміка, а саме молекулярно-кінетична теорія, яка, здавалося б, не представляє ніяких складнощів при первинному вивченні, але насправді має безліч підводних каменів. Вона розширює наше уявлення про модель ідеального газу, яку ми також детально вивчили. Крім того, варто відзначити, що ми познайомилися і з основними рівняннями молекулярної теорії в різних їх варіаціях, а також розглянули всі найнеобхідніші формули для знаходження тих чи інших невідомих величин по цій темі Це буде особливо корисно при підготовці до написання будь-яких тестів, екзаменаційних і контрольних робіт, або для розширення загального кругозору та знань з фізики.

Сподіваємося, що дана стаття була вам корисна, і ви витягли з неї тільки найнеобхіднішу інформацію, зміцнивши свої знання в таких стовпах термодинаміки, як основні положення молекулярно-кінетичної теорії.



ЩЕ ПОЧИТАТИ