Основные положения молекулярно-кинетической теории. Размеры молекул

Известно, что частицы в газах в отличие от жидкостей и твердых тел располагаются друг относительно друга на расстояниях, существенно превышающих их собственные размеры. В этом случае взаимодействие между молекулами пренебрежимо мало и кинетическая энергия молекул много больше энергии межмолекулярного взаимодействия. Для выяснения наиболее общих свойств, присущих всем газам, используют упрощенную модель реальных газов – идеальный газ. Основные отличия идеального газа от реального газа:

1. Частицы идеального газа – сферические тела очень малых размеров, практически материальные точки.
2. Между частицами отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия.
3. Соударения частиц являются абсолютно упругими.

Реальные разреженные газы действительно ведут себя подобно идеальному газу. Воспользуемся моделью идеального газа для объяснения происхождения давления газа. Вследствие теплового движения частицы газа время от времени ударяются о стенки сосуда. При каждом ударе молекулы действуют на стенку сосуда с некоторой силой. Складываясь друг с другом, силы ударов отдельных частиц образуют некоторую силу давления, постоянно действующую на стенку. Понятно, что чем больше частиц содержится в сосуде, тем чаще они будут ударяться о стенку сосуда, тем большей будет сила давления, а значит, и давление. Чем быстрее движутся частицы, тем сильнее они ударяют в стенку сосуда. Мысленно представим себе простейший опыт: катящийся мяч ударяется о стенку. Если мяч катится медленно, то он при ударе подействует на стенку с меньшей силой, чем если бы он двигался быстро. Чем больше масса частицы, тем больше сила удара. Чем быстрее движутся частицы, тем чаще они ударяются о стенки сосуда. Итак, сила, с которой молекулы действуют на стенку сосуда, прямо пропорциональна числу молекул, содержащихся в единице объема (это число называется концентрацией молекул и обозначается n), массе молекулы m0, среднему квадрату их скоростей и площади стенки сосуда. В результате получаем: давление газа прямо пропорционально концентрации частиц, массе частицы и квадрату скорости частицы (или их кинетической энергии). Зависимость давления идеального газа от концентрации и от средней кинетической энергии частиц выражается основным уравнением молекулярно-кинетической теории идеального газа. Мы получили основное уравнение МКТ идеального газа из общих соображений, но его можно строго вывести, опираясь на законы классической механики.
Приведем одну из форм записи основного уравнения МКТ: p = (1/3) · n · m o · v 2 .

«Физика - 10 класс»

Какие физические объекты (системы) изучает молекулярная физика?
Как различить механические и тепловые явления?

В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат три утверждения:

1) вещество состоит из частиц;
2) эти частицы беспорядочно движутся;
3) частицы взаимодействуют друг с другом.

Каждое утверждение строго доказано с помощью опытов.

Свойства и поведение всех без исключения тел определяются движением взаимодействующих друг с другом частиц: молекул, атомов или ещё более малых образований - элементарных частиц.

Оценка размеров молекул. Для полной уверенности в существовании молекул надо определить их размеры. Проще всего это сделать, наблюдая расплывание капельки масла, например оливкового, по поверхности воды. Масло никогда не займёт всю поверхность, если мы возьмём достаточно широкий сосуд (рис. 8.1). Нельзя заставить капельку объёмом 1 мм 2 расплыться так, чтобы она заняла площадь поверхности более 0,6 м 2 . Предположим, что при растекании масла по максимальной площади оно образует слой толщиной всего лишь в одну молекулу - «мономолекулярный слой». Толщину этого слоя нетрудно определить и тем самым оценить размеры молекулы оливкового масла.

Объём V слоя масла равен произведению его площади поверхности S на толщину d слоя, т. е. V = Sd. Следовательно, линейный размер молекулы оливкового масла равен:

Современные приборы позволяют увидеть и даже измерить отдельные атомы и молекулы. На рисунке 8.2 показана микрофотография поверхности кремниевой пластины, где бугорки - это отдельные атомы кремния. Подобные изображения впервые научились получать в 1981 г. с помощью сложных туннельных микроскопов.

Размеры молекул, в том числе и оливкового масла, больше размеров атомов. Диаметр любого атома примерно равен 10 -8 см. Эти размеры так малы, что их трудно себе представить. В таких случаях прибегают к помощи сравнений.

Вот одно из них. Если пальцы сжать в кулак и увеличить его до размеров земного шара, то атом при том же увеличении станет размером с кулак.

Число молекул.

При очень малых размерах молекул число их в любом макроскопическом теле огромно. Подсчитаем примерное число молекул в капле воды массой 1 г и, следовательно, объёмом 1 см 3 .

Диаметр молекулы воды равен примерно 3 10 -8 см. Считая, что каждая молекула воды при плотной упаковке молекул занимает объём (3 10 -8 см) 3 , можно найти число молекул в капле, разделив объём капли (1 см 3) на объём, приходящийся на одну молекулу:

Масса молекул.

Массы отдельных молекул и атомов очень малы. Мы вычислили что в 1 г воды содержится 3,7 10 22 молекул. Следовательно, масса одной молекулы воды (Н 2 0) равна:

Массу такого же порядка имеют молекулы других веществ, исключая огромные молекулы органических веществ; например, белки имеют массу, в сотни тысяч раз большую, чем масса отдельных атомов. Но всё равно их массы в макроскопических масштабах (граммах и килограммах) чрезвычайно малы.

Относительная молекулярная масса.

Так как массы молекул очень малы, удобно использовать в расчётах не абсолютные значения масс, а относительные.

По международному соглашению массы всех атомов и молекул сравнивают с массы атома углерода (так называемая углеродная шкала атомных масс).

Относительной молекулярной (или атомной) массой М r вещества называют отношение массы m 0 молекулы (или атома) данного вещества к массы атома углерода:

Относительные атомные массы всех химических элементов точ- но измерены. Складывая относительные атомные массы элементов, входящих в состав молекулы вещества, можно вычислить относительную молекулярную массу вещества. Например, относительная молекулярная масса углекислого газа СO 2 приближённо равна 44, так как относительная атомная масса углерода практически равна 12, а кислорода примерно 16: 12 + 2 16 = 44.

Сравнение атомов и молекул с массы атома углерода было принято в 1961 г. Главная причина такого выбора состоит в том, что углерод входит в огромное число различных химических соединений. Множитель введён для того, чтобы относительные массы атомов были близки к целым числам.

Данный видеоурок посвящен теме «Основные положения МКТ. Строение вещества. Молекула». Здесь вы узнаете, что изучает молекулярно-кинетическая теория (МКТ) в физике. Познакомитесь с тремя основными положениями, на которых базируется МКТ. Узнаете, чем определяются физические свойства вещества и что представляют собой атом и молекула.

Для начала давайте вспомним все предыдущие разделы физики, которые мы изучали, и поймём, что всё это время мы рассматривали процессы, происходящие с макроскопическими телами (или объектами макромира). Теперь же мы будем изучать их строение и процессы, протекающие внутри них.

Определение. Макроскопическое тело - тело, состоящее из большого числа частиц. Например: машина, человек, планета, бильярдный шар…

Микроскопическое тело - тело, состоящее из одной или нескольких частиц. Например: атом, молекула, электрон… (рис. 1)

Рис. 1. Примеры микро- и макрообъектов соответственно

Определив таким образом предмет изучения курса МКТ, следует теперь поговорить об основных целях, которые ставит перед собой курс МКТ, а именно:

1. Изучение процессов, происходящих внутри макроскопического тела (движение и взаимодействие частиц)
2. Свойства тел (плотность, масса, давление (для газов)…)
3. Изучение тепловых явлений (нагревание-охлаждение, изменения агрегатных состояний тела)

Изучение этих вопросов, которое будет проходить на протяжении всей темы, начнётся сейчас с того, что мы сформулируем так называемые основные положения МКТ, то есть некоторые утверждения, истинность которых уже давно не подвергается сомнениям, и, отталкиваясь от которых, будет строиться весь дальнейший курс.

Разберём их по очереди:

Все вещества состоят из большого количества частиц - молекул и атомов.

Определение. Атом - мельчайшая частица химического элемента. Размеры атомов (их диаметр) имеет порядок см. Стоит отметить, что различных типов атомов, в отличие от молекул, относительно немного. Все их разновидности, которые на сегодняшний день известны человеку, собраны в так называемой таблице Менделеева (см. рис. 2)

Рис. 2. Периодическая таблица химических элементов (по сути разновидностей атомов) Д. И. Менделеева

Молекула - структурная единица вещества, состоящая из атомов. В отличие от атомов, они больше и тяжелее последних, а главное, они обладают огромным разнообразием.

Вещество, молекулы которого состоят из одного атома, называются атомарными , из большего количества - молекулярными . Например: кислород, вода, поваренная соль () - молекулярные; гелий серебро (He, Ag) - атомарные.

Причём следует понимать, что свойства макроскопических тел будут зависеть не только от количественной характеристики их микроскопического состава, но и от качественной.

Если в строении атомов вещество имеет какую-то определённую геометрию (кристаллическую решётку ), или же, наоборот, не имеет, то этим телам будут присущи различные свойства. Например, аморфные тела не имеют строгой температуры плавления. Самый известный пример - это аморфный графит и кристаллический алмаз. Оба вещества состоят из атомов углерода.

Рис. 3. Графит и алмаз соответственно

Таким образом «из скольких, в каком взаимном расположении и каких атомов и молекул состоит вещество?» - первый вопрос, ответ на который приблизит нас к пониманию свойств тел.

Все упомянутые выше частицы находятся в непрерывном тепловом хаотическом движении.

Так же, как и в рассматриваемых выше примерах, важно понимание не только количественных аспектов этого движения, но и качественных для различных веществ.

Молекулы и атомы твёрдых тел совершают лишь небольшие колебания относительно своего постоянного положения; жидких - также совершают колебания, но из-за больших размеров межмолекулярного пространства иногда меняются местами друг с другом; частички газа, в свою очередь, практически не сталкиваясь, свободно перемещаются в пространстве.

Частицы взаимодействуют друг с другом.

Взаимодействие это носит электромагнитный характер (взаимодействия ядер и электронов атома) и действует в обе стороны (как притягивание, так и отталкивание).

Здесь: d - расстояние между частицами; a - размеры частиц (диаметр).

Впервые понятие «атом» было введено древнегреческим философом и естествоведом Демокритом (рис. 4). В более поздний период активно задался вопросом о структуре микромира русский учёный Ломоносов (рис. 5).

Рис. 4. Демокрит

Рис. 5. Ломоносов

На следующем занятии мы введём методы качественного обоснования основным положениям МКТ.

Список литературы

1. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Молекулярная физика. Термодинамика. - М.: Дрофа, 2010.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
3. Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа, 2010.

1. Elementy.ru ().
   
2. Samlib.ru ().
3. Youtube ().

Домашнее задание

1. *Благодаря какой силе возможно сделать эксперимент по измерению размеров молекулы масла, показанный в видеоуроке?
2. Почему молекулярно-кинетическая теория не рассматривает органические соединения?
3. Почему даже очень маленькая песчинка песка является объектом макромира?
4. Силы преимущественно какой природы действуют на частицы со стороны других частиц?
5. Как определить, является ли некая химическая структура химическим элементом?

Основы молекулярно-кинетической теории к

Основным положением молекулярно-кинетической теории является утверждение, что все тела состоят из мельчайших частиц (молекул, атомов и т.д.), которые движутся и взаимодействуют между собой. Доказательствами молекулярного строения вещества являются дробление тел, плавление, испарение, диффузия, броуновское движение и т.д.

Молярной массой M вещества называется масса такого количества молекул данного вещества, которое содержится в углероде 12 C массой 12 г. Молярную массу вещества можно узнать по таблице Менделеева, сложив атомные массы всех атомов, входящих в молекулу этого вещества. При этом молярная масса будет измеряться в г/моль. Для перевода в систему СИ это значение следует умножить на 10 -3 . При этом молярная масса измеряется в кг/моль. Так, например, молярная масса водорода H 2 равна 2 г/моль=2⋅10 3 кг/моль.

В одном моле любого вещества содержится N A = 6,022⋅10 23 моль -1 молекул. Число N A называется постоянной Авогадро. Масса одной молекулы m0 выражается формулой

Количеством вещества v называется отношение числа молекул N к числу Авогадро N A:

Если m - масса вещества, то

Идеальным газом называется газ, в котором молекулы движутся свободно и взаимодействуют между собой и со стенками сосуда только при столкновениях. Модель идеального газа удовлетворительно описывает достаточно разреженные газы.

Среднеквадратичной скоростью молекул

называется следующая физическая величин

где v 1 , v 2 , v 3 ,... - скорости молекул: первой, второй, третьей, и так далее до N. Отметим, что средняя скорость молекул равна нулю и не равна

Концентрацией молекул n называется отношение числа молекул N в объеме V к этому объему V:

Давление p можно выразить следующей формулой

Это уравнение носит название основного уравнения молекулярно кинетической теории (МКТ) газов. Это уравнение можно переписать в виде

где ρ - плотность газа,

Средняя кинетическая энергия молекулы газа. Средняя кинетическая энергия

связана с температурой T газа формулой

где k-постоянная Больцмана. Она численно равна

Можно доказать следующую формулу:

Из нее следует уравнение Менделеева-Клапейрона

Универсальная газовая постоянная.

При неизменной массе и составе газа

Если же постоянна еще и температура, то

(изотермический процесс), если давление постоянно, то

(изобарический процесс), если объем постоянен, то

(изохорический процесс).

Водяной пар всегда присутствует в атмосфере Земли, как малая примесь, но он во многом определяет погоду. Влажность воздуха можно характеризовать парциальным давлением пара p или плотностью пара ρ (абсолютная влажность). Насыщенным паром называется пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. При определенной температуре существует такое давление, при котором водяной пар становится насыщенным. Такое давление р нас называется давлением насыщенного пара. Это давление можно найти по таблице в задачнике. Относительной влажностью φ называется отношение парциального давления пара p к давлению насыщенного пара

Если ρ нас - плотность насыщенного пара, то

В жидкостях имеет место явление поверхностного натяжения. Оно состоит в том, что жидкость стремится уменьшить свою энергию, минимизировав поверхность. Как известно, из всех тел заданного объема минимальной поверхностью обладает шар. Именно поэтому жидкость в невесомости приобретает шарообразную форму. Сила поверхностного натяжения F, действующая на тело длины l, выражается формулой

где σ - коэффициент поверхностного натяжения.

Пусть имеется твердое тело длинной l с площадью поперечного сечения S, которое под действием силы F удлинилось на Δl. Тогда имеет место формула

напряжение в теле, Е - константа, которая называется

модулем Юнга,

Относительное удлинение.

To prepare for the Unified State Exam, the most basic theory that is best taken in a familiar school textbook is sure to come in handy. I propose a Gendenshten textbook - one of the best basic level textbooks in physics. In our library - a selection of their 4 books by Gendensten and Dick - textbooks for grades 10 and 11 and the corresponding problem books

The textbook outlines the basics of mechanics, molecular physics and electrostatics. The clear structure of the textbook facilitates the understanding of the educational material. Many examples of the manifestation and application of physical laws in the surrounding life, information from the history of physical discoveries are given, an illustrated description of physical experiments is given. Examples of solving key tasks are given.

CONTENTS
To teacher and student
Physics and scientific method of knowledge
1. What and how does physics study?
2. The scientific method of knowledge
3. Where are physical knowledge and methods used?
MECHANICS
Chapter 1. KINEMATICS
§ 1. The reference system. Trajectory, path and movement
1. Reference system
2. The material point
3. Trajectory, path and movement
§ 2. Speed
1. Instant speed
2. Vector values and their projections
3. Rectilinear uniform motion
§ 3. Acceleration. Rectilinear uniformly accelerated motion
1. Acceleration
2. Rectilinear uniformly accelerated motion
§ 4. Curvilinear motion
1. Movement of a body thrown at an angle to the horizon
2. Uniform circular motion
§ 5. Examples of solving problems in kinematics
1. Transfer to another reference system
2. Movement in a straight-line uniformly accelerated motion
3. Movement in a circle
Chapter 2. SPEAKERS
§ 6. The Law of Inertia - Newton"s First Law
1. Early ideas about the causes of body motion
2. The law of inertia and the phenomenon of inertia
3. Inertial reference systems and Newton"s first law
§ 7. The place of man in the universe
1. Earth-related reference system
2. Heliocentric system of the world
§ 8. Forces in mechanics. Elastic force
1. Interactions and Strengths
2. The strength of elasticity
3. Hooke"s law. Force measurement by elastic force
§ 9. Force, acceleration, mass. Newton"s Second Law
1. The ratio between force and acceleration
2. Examples of the application of Newton"s second law
§ 10. The interaction of two bodies. Newton"s Third Law
1. The interaction of two bodies
2. Examples of the application of the third law of Newton
§ 11. Worldwide
1. On the way to discovery
2. The law of world wideness
§ 12. Movement under the influence of the forces of the world wide.
1. Movement of bodies near the surface of the Earth
2. The movement of satellites and spacecraft
§ 13. Weight and weightlessness
1. Weight
2. Weightlessness
§ 14. Friction forces
1. Sliding friction force
2. Resisting friction force
3. The rolling friction force
4. Resistance force in liquids and gases
§ 15. Examples of solving problems by dynamics
1. Movement under the action of the forces of aggression
2. Movement under the action of several forces
Chapter 3. LAWS OF PRESERVATION IN MECHANICS
§ 16. Impulse. The law of conservation of momentum
1. Impulse and the law of conservation of momentum
2. Examples of the application of the law of conservation of momentum
§ 17- Reactive movement. Space exploration
1. Jet Propulsion
2. The development of rocket science and space exploration
§ 18. Mechanical work. Power
1. Mechanical work
2. Power
§ 19. Energy. The law of conservation of mechanical energy
1. Work and energy
2. Mechanical energy
3. The law of conservation of energy
8 20. Examples of solving problems on conservation laws
1. Collisions
2. Uneven Circular Movement
Chapter 4. MECHANICAL VIBRATIONS AND WAVES
§ 21. Mechanical oscillations
1. Examples and characteristics of mechanical vibrations
2. Free vibrations
§ 22. Transformations of energy with fluctuations. Resonance
1. Transformations of energy with fluctuations
2. Forced vibrations
§ 23. Mechanical waves. Sound
1. Mechanical waves
2. Sound
MOLECULAR PHYSICS AND THERMODYNAMICS
Chapter 5. MOLECULAR PHYSICS
§ 24. Molecular-Kinetic Theory
1. The main provisions of the molecular kinetic theory
2. The main task of the molecular kinetic theory
§ 25. The amount of substance. Permanent Avogadro
1. Relative molecular (atomic) mass
2. Amount of substance
§ 26. Temperature
1. Temperature and its measurement
2. Absolute Temperature Scale
§ 27. Gas laws
1. Isoprocessing
2. The equation of state of gas
§ 28. Temperature and average kinetic energy of molecules
1. The basic equation of molecular kinetic theory
2. Absolute Temperature and Average Kinetic
energy