Teori kinetik molekul(disingkat MKT) ialah teori yang timbul pada abad ke-19 dan mempertimbangkan struktur jirim, terutamanya gas, dari sudut pandangan tiga peruntukan utama yang kira-kira betul:
Semua jasad diperbuat daripada zarah: atom, molekul Dan ion;
zarah berada dalam berterusan huru hara pergerakan (terma);
zarah berinteraksi antara satu sama lain melalui perlanggaran anjal sempurna.
MCT telah menjadi salah satu teori fizikal yang paling berjaya dan telah disahkan oleh beberapa fakta eksperimen. Bukti utama bagi peruntukan ICT ialah:
Penyebaran
Gerakan Brownian
Ubah keadaan pengagregatan bahan-bahan
Beberapa cabang fizik moden telah dibangunkan berdasarkan MCT, khususnya, kinetik fizikal Dan mekanik statistik. Dalam cabang fizik ini, bukan sahaja sistem molekul (atom atau ionik) dikaji, yang bukan sahaja dalam gerakan "terma", dan berinteraksi bukan sahaja melalui perlanggaran elastik mutlak. Istilah teori kinetik molekul secara praktikalnya tidak lagi digunakan dalam fizik teori moden, walaupun ia terdapat dalam buku teks kursus fizik am.
Gas ideal - model matematik gas, yang menganggap bahawa: 1) tenaga keupayaan interaksi molekul boleh diabaikan berbanding dengan mereka tenaga kinetik; 2) jumlah isipadu molekul gas boleh diabaikan. Tiada daya tarikan atau tolakan antara molekul, tiada perlanggaran zarah antara satu sama lain atau dengan dinding kapal. benar-benar elastik, dan masa interaksi antara molekul boleh diabaikan berbanding dengan purata masa antara perlanggaran. Dalam model lanjutan gas ideal, zarah yang terdiri daripadanya juga mempunyai bentuk elastik sfera atau ellipsoid, yang memungkinkan untuk mengambil kira tenaga bukan sahaja translasi, tetapi juga gerakan putaran-getaran, serta bukan sahaja perlanggaran pusat, tetapi juga bukan pusat zarah, dsb.
Terdapat gas ideal klasik (sifatnya diperoleh daripada undang-undang mekanik klasik dan diterangkan statistik Boltzmann) dan gas ideal kuantum (sifat ditentukan oleh undang-undang mekanik kuantum dan diterangkan oleh ahli statistik Fermi - Dirac atau Bose - Einstein)
Gas ideal klasik
Isipadu gas ideal bergantung secara linear pada suhu pada tekanan malar
Sifat-sifat gas ideal berdasarkan konsep kinetik molekul ditentukan berdasarkan model fizikal gas ideal, di mana andaian berikut dibuat:
Dalam kes ini, zarah gas bergerak secara bebas antara satu sama lain, tekanan gas pada dinding adalah sama dengan jumlah momentum yang dipindahkan semasa perlanggaran zarah dengan dinding per unit masa, tenaga dalaman- jumlah tenaga zarah gas.
Menurut rumusan setara, gas ideal ialah gas yang patuh pada masa yang sama Undang-undang Boyle-Mariotte Dan Lussac Gay , itu dia:
di mana ialah tekanan dan ialah suhu mutlak. Sifat-sifat gas ideal diterangkan Mendeleev - persamaan Clapeyron
,
di mana - , - berat,- jisim molar.
di mana - kepekatan zarah, -Pemalar Boltzmann.
Untuk mana-mana gas ideal ini adalah benar Nisbah Mayer:
di mana - pemalar gas sejagat, - geraham kapasiti haba pada tekanan malar, ialah kapasiti haba molar pada isipadu malar.
Pengiraan statistik taburan halaju molekul telah dilakukan oleh Maxwell.
Mari kita pertimbangkan hasil yang diperoleh oleh Maxwell dalam bentuk graf.
Molekul gas sentiasa berlanggar semasa ia bergerak. Kelajuan setiap molekul apabila perlanggaran berubah. Ia boleh bertambah dan berkurang. Walau bagaimanapun, kelajuan RMS kekal tidak berubah. Ini dijelaskan oleh fakta bahawa dalam gas pada suhu tertentu, taburan halaju pegun tertentu molekul yang tidak berubah dari masa ke masa ditubuhkan, yang mematuhi undang-undang statistik tertentu. Kelajuan molekul individu mungkin berubah dari semasa ke semasa, tetapi perkadaran molekul dengan kelajuan dalam julat kelajuan tertentu kekal tidak berubah.
Soalan tidak boleh ditanya: berapa banyak molekul mempunyai kelajuan tertentu. Hakikatnya, walaupun bilangan molekul sangat besar dalam mana-mana isipadu walaupun kecil, bilangan nilai kelajuan adalah besar sewenang-wenangnya (seperti nombor dalam siri berurutan), dan ia mungkin berlaku bahawa tidak ada satu molekul pun yang mempunyai nilai tertentu. kelajuan.
|
|
? Ini adalah masalah statistik. Berdasarkan eksperimen Stern, kita boleh menjangkakan bahawa bilangan terbesar molekul akan mempunyai beberapa jenis, dan perkadaran molekul cepat dan perlahan tidak begitu besar. Pengukuran yang diperlukan menunjukkan bahawa pecahan molekul berkaitan dengan selang kelajuan Δ molekul. Dari manakah pecahan molekul mempunyai kelajuan, iaitu , mempunyai bentuk yang ditunjukkan dalam Rajah. 3.3. Maxwell pada tahun 1859 secara teorinya mendefinisikan fungsi ini berdasarkan teori kebarangkalian. Sejak itu ia telah dipanggil fungsi taburan halaju molekul atau hukum Maxwell.
Mari kita terbitkan fungsi taburan halaju bagi molekul gas ideal 
- selang kelajuan berhampiran kelajuan 
.
- bilangan molekul yang halajunya terletak dalam selang 
.
- bilangan molekul dalam isipadu yang sedang dipertimbangkan.
- sudut molekul yang halajunya tergolong dalam selang 
.
- pecahan molekul dalam selang kelajuan unit berhampiran kelajuan 
.
- Formula Maxwell.
Dengan menggunakan kaedah statistik Maxwell, kami memperoleh formula berikut:
.
- jisim satu molekul, 
- Pemalar Boltzmann.
Kelajuan yang paling berkemungkinan ditentukan daripada keadaan 
.
Penyelesaian kita dapat 
;
.
Mari kita nyatakan h/z 
.
Kemudian 
.
Mari kita hitung pecahan molekul dalam julat kelajuan tertentu berhampiran kelajuan tertentu dalam arah tertentu.
.
.
- pecahan molekul yang mempunyai halaju dalam julat 
,
,
.
Membangunkan idea Maxwell, Boltzmann mengira taburan halaju molekul dalam medan daya. Tidak seperti taburan Maxwell, dalam taburan Boltzmann, bukannya tenaga kinetik molekul, jumlah tenaga kinetik dan potensi muncul.
Dalam pengedaran Maxwell: 
.
Dalam pengedaran Boltzmann: 
.
Dalam medan graviti 
.
Formula untuk kepekatan molekul gas ideal ialah:
Dan 
masing-masing.
- Pengagihan Boltzmann.
- kepekatan molekul di permukaan bumi.
- kepekatan molekul pada ketinggian 
.
Kapasiti haba.
Muatan haba badan ialah kuantiti fizik yang sama dengan nisbah
,
.
Kapasiti haba satu mol - kapasiti haba molar
.
Kerana 
- fungsi proses 
, Itu 
.
mempertimbangkan 
;
;
.
- Formula Mayer.
Itu. masalah mengira kapasiti haba datang kepada mencari 
.
.
Untuk satu tahi lalat: 
, dari sini 
.
Gas diatomik (O 2, N 2, Cl 2, CO, dll.).
(model dumbbell keras).
Jumlah bilangan darjah kebebasan:
.
Kemudian 
, Itu 
;
.
Ini bermakna kapasiti haba mestilah malar. Pada masa yang sama, pengalaman menunjukkan bahawa kapasiti haba bergantung pada suhu.
Apabila suhu menurun, mula-mula darjah kebebasan getaran adalah "beku", dan kemudian darjah kebebasan putaran.
Mengikut undang-undang mekanik kuantum tenaga pengayun harmonik dengan frekuensi klasik hanya boleh mengambil set nilai yang diskret
Gas poliatomik (H 2 O, CH 4, C 4 H 10 O, dll.).
;
;
;
Mari bandingkan data teori dengan data eksperimen.
Ia adalah jelas bahawa 
2 gas atom sama 
, tetapi berubah dengan suhu rendah bertentangan dengan teori muatan haba.
Sebegitu rupa keluk 
daripada 
menunjukkan "pembekuan" darjah kebebasan. Sebaliknya, pada suhu tinggi darjah kebebasan tambahan diaktifkan data ini menimbulkan keraguan pada teorem taburan seragam. Fizik moden memungkinkan untuk menjelaskan pergantungan 
daripada 
menggunakan konsep kuantum.
Statistik kuantum telah menghapuskan kesukaran dalam menerangkan pergantungan kapasiti haba gas (khususnya gas diatomik) pada suhu. Menurut prinsip mekanik kuantum, tenaga gerakan putaran molekul dan tenaga getaran atom hanya boleh mengambil nilai diskret. Jika tenaga pergerakan haba adalah jauh lebih kecil daripada perbezaan dalam tenaga tahap tenaga jiran (), maka apabila molekul berlanggar, darjah kebebasan putaran dan getaran boleh dikatakan tidak teruja. Oleh itu, pada suhu rendah, kelakuan gas diatomik adalah serupa dengan kelakuan gas monatomik. Oleh kerana perbezaan antara aras tenaga putaran bersebelahan adalah jauh lebih kecil daripada antara aras getaran bersebelahan ( 
), maka dengan peningkatan suhu, darjah kebebasan putaran mula-mula teruja. Akibatnya, kapasiti haba meningkat. Dengan peningkatan selanjutnya dalam suhu, darjah kebebasan getaran juga teruja, dan peningkatan selanjutnya dalam kapasiti haba berlaku. A. Einstein kira-kira percaya bahawa getaran atom dalam kekisi kristal adalah bebas. Menggunakan model kristal sebagai satu set pengayun harmonik berayun bebas pada frekuensi yang sama, dia mencipta kualiti tinggi teori kuantum kapasiti haba kekisi kristal. Teori ini kemudiannya dibangunkan oleh Debye, yang mengambil kira bahawa getaran atom dalam kekisi kristal tidak bebas. Setelah mempertimbangkan spektrum frekuensi berterusan pengayun, Debye menunjukkan bahawa sumbangan utama kepada tenaga purata pengayun kuantum dibuat oleh ayunan pada frekuensi rendah yang sepadan dengan gelombang anjal. Pengujaan terma pepejal boleh digambarkan dalam bentuk gelombang elastik yang merambat dalam kristal. Menurut dualiti gelombang-zarah sifat jirim, gelombang elastik dalam kristal dibandingkan dengan kuasipartikel–fonon mempunyai tenaga. Fonon ialah kuantum tenaga gelombang elastik, yang merupakan pengujaan asas yang berkelakuan seperti mikrozarah. Sama seperti kuantisasi sinaran elektromagnet membawa kepada idea foton, maka kuantisasi gelombang elastik (akibat daripada getaran haba molekul badan pepejal) membawa kepada idea fonon. Tenaga kekisi kristal terdiri daripada tenaga gas fonon. Kuasipartikel (khususnya fonon) sangat berbeza daripada mikrozarah biasa (elektron, proton, neutron, dll.), kerana ia dikaitkan dengan gerakan kolektif banyak zarah sistem.
Fonon tidak boleh muncul dalam vakum; ia hanya wujud dalam kristal.
Momentum fonon mempunyai sifat yang tersendiri: apabila fonon berlanggar dalam kristal, momentumnya boleh dipindahkan dalam bahagian diskret ke kekisi kristal - momentum tidak dipelihara. Oleh itu, dalam kes fonon kita bercakap tentang momentum kuasi.
Fonon mempunyai putaran sifar dan boson, dan oleh itu gas fonon mematuhi statistik Bose–Einstein.
Fonon boleh dipancarkan dan diserap, tetapi bilangannya tidak dikekalkan tetap.
Penggunaan statistik Bose–Einstein pada gas fonon (gas zarah Bose bebas) membawa Debye kepada kesimpulan kuantitatif berikut. Pada suhu tinggi, yang jauh lebih tinggi daripada suhu Debye ciri (wilayah klasik), kapasiti haba pepejal diterangkan oleh undang-undang Dulong dan Petit, mengikut mana kapasiti haba molar badan mudah kimia dalam keadaan kristal adalah sama 
dan tidak bergantung pada suhu. Pada suhu rendah, apabila (rantau kuantum), kapasiti haba adalah berkadar dengan kuasa ketiga suhu termodinamik: Suhu Debye ciri adalah sama dengan: , di mana adalah kekerapan mengehadkan getaran elastik kekisi kristal.
Konsep utama topik ini ialah konsep molekul; kesukaran asimilasi oleh pelajar sekolah adalah disebabkan oleh fakta bahawa molekul adalah objek yang tidak dapat diperhatikan secara langsung. Oleh itu, guru mesti meyakinkan pelajar darjah sepuluh tentang realiti dunia mikro, tentang kemungkinan mengetahuinya. Dalam hal ini, banyak perhatian diberikan kepada pertimbangan eksperimen yang membuktikan kewujudan dan pergerakan molekul dan memungkinkan untuk mengira ciri utamanya (eksperimen klasik Perrin, Rayleigh dan Stern). Di samping itu, adalah dinasihatkan untuk membiasakan pelajar dengan kaedah pengiraan untuk menentukan ciri-ciri molekul. Apabila mempertimbangkan bukti kewujudan dan pergerakan molekul, pelajar diberitahu tentang pemerhatian Brown terhadap pergerakan rawak zarah terampai kecil, yang tidak berhenti sepanjang tempoh pemerhatian. Pada masa itu, tiada penjelasan yang betul diberikan untuk punca pergerakan ini, dan hanya hampir 80 tahun kemudian A. Einstein dan M. Smoluchowski membina dan J. Perrin secara eksperimen mengesahkan teori gerakan Brown. Daripada mempertimbangkan eksperimen Brown, adalah perlu untuk membuat kesimpulan berikut: a) pergerakan zarah Brown disebabkan oleh kesan molekul bahan di mana zarah ini terampai; b) Pergerakan Brown adalah berterusan dan rawak, ia bergantung kepada sifat bahan di mana zarah-zarah terampai; c) pergerakan zarah Brown memungkinkan untuk menilai pergerakan molekul medium di mana zarah ini terletak; d) Gerakan Brownian membuktikan kewujudan molekul, pergerakannya dan sifat pergerakan ini yang berterusan dan huru-hara. Pengesahan sifat pergerakan molekul ini diperolehi dalam eksperimen ahli fizik Perancis Dunoyer (1911), yang menunjukkan bahawa molekul gas bergerak ke arah yang berbeza dan jika tiada perlanggaran pergerakan mereka adalah rectilinear. Pada masa ini, tiada siapa yang meragui kewujudan molekul. Kemajuan dalam teknologi telah memungkinkan untuk memerhatikan molekul besar secara langsung. Adalah dinasihatkan untuk mengiringi cerita tentang gerakan Brown dengan demonstrasi model gerakan Brown dalam unjuran menegak menggunakan lampu unjuran atau projektor atas, serta dengan tayangan serpihan filem "Brownian motion" dari filem "Molecules". dan Gerakan Molekul." Di samping itu, adalah berguna untuk memerhatikan gerakan Brownian dalam cecair menggunakan mikroskop. Ubat ini dibuat daripada campuran bahagian yang sama dua larutan: larutan 1% asid sulfurik dan larutan akueus 2% hiposulfit. Hasil daripada tindak balas, zarah sulfur terbentuk, yang terampai dalam larutan. Dua titik campuran ini diletakkan pada slaid kaca dan tingkah laku zarah sulfur diperhatikan. Penyediaan boleh dibuat daripada larutan susu yang sangat cair dalam air atau daripada larutan cat cat air di dalam air. Apabila membincangkan isu saiz molekul, intipati eksperimen R. Rayleigh dipertimbangkan, yang terdiri daripada yang berikut: setitik minyak zaitun diletakkan di atas permukaan air yang dituangkan ke dalam bekas besar. Titisan itu merebak ke atas permukaan air dan membentuk filem bulat. Rayleigh mencadangkan bahawa apabila titisan berhenti merebak, ketebalannya menjadi sama dengan diameter satu molekul. Eksperimen menunjukkan bahawa molekul bahan yang berbeza mempunyai saiz yang berbeza, tetapi untuk menganggar saiz molekul mereka mengambil nilai yang sama dengan 10 -10 m Satu eksperimen yang serupa boleh dilakukan di dalam kelas. Untuk menunjukkan kaedah pengiraan bagi menentukan saiz molekul, satu contoh diberikan untuk mengira diameter molekul pelbagai bahan daripada ketumpatannya dan pemalar Avogadro. Adalah sukar untuk kanak-kanak sekolah membayangkan saiz molekul yang kecil, jadi adalah berguna untuk memberikan beberapa contoh perbandingan. Sebagai contoh, jika semua dimensi dinaikkan berkali-kali sehingga molekul itu kelihatan (iaitu, sehingga 0.1 mm), maka sebutir pasir akan bertukar menjadi batu seratus meter, seekor semut akan meningkat kepada saiz kapal laut. , dan seseorang akan berketinggian 1,700 km. Bilangan molekul dalam 1 mol bahan boleh ditentukan daripada keputusan eksperimen dengan lapisan monomolekul. Mengetahui diameter molekul, anda boleh mencari isipadu dan isipadu jumlah bahan 1 mol, yang sama dengan di mana p ialah ketumpatan cecair. Daripada ini kita menentukan pemalar Avogadro. Kaedah pengiraan terdiri daripada menentukan bilangan molekul dalam jumlah 1 mol bahan berdasarkan nilai jisim molar dan jisim satu molekul bahan yang diketahui. Nilai pemalar Avogadro, mengikut data moden, ialah 6.022169*10 23 mol -1. Pelajar boleh diperkenalkan kepada kaedah pengiraan untuk menentukan pemalar Avogadro dengan meminta mereka mengiranya daripada nilai jisim molar bagi bahan yang berbeza. Kanak-kanak sekolah harus diperkenalkan dengan nombor Loschmidt, yang menunjukkan berapa banyak molekul yang terkandung dalam satu unit isipadu gas pada keadaan biasa(ia bersamaan dengan 2.68799*10 -25 m -3). Penggred kesepuluh secara bebas boleh menentukan nombor Loschmidt untuk beberapa gas dan menunjukkan bahawa ia adalah sama dalam semua kes. Dengan memberikan contoh, anda boleh memberi idea kepada kanak-kanak tentang berapa besar bilangan molekul per unit isipadu. Jika dalam getah belon udara panas Jika anda membuat tusukan sangat nipis sehingga 1,000,000 molekul akan keluar melaluinya setiap saat, ia akan mengambil masa kira-kira 30 bilion tahun untuk semua molekul keluar. Satu kaedah untuk menentukan jisim molekul adalah berdasarkan eksperimen Perrin, yang mengandaikan bahawa titisan resin dalam air berkelakuan dengan cara yang sama seperti molekul di atmosfera. Perrin mengira bilangan titisan dalam lapisan emulsi yang berbeza, menggunakan mikroskop untuk mengasingkan lapisan setebal 0.0001 cm Ketinggian di mana terdapat dua kali lebih sedikit titisan tersebut daripada di bahagian bawah adalah sama dengan h = 3 * 10 -5 m. Jisim satu titisan resin ternyata sama dengan M = 8.5*10 -18 kg. Jika atmosfera kita hanya terdiri daripada molekul oksigen, maka pada ketinggian H = 5 km ketumpatan oksigen adalah separuh daripada permukaan Bumi. Tuliskan bahagian m/M=h/H, dari mana jisim molekul oksigen m=5.1*10 -26 kg didapati. Pelajar diminta mengira secara bebas jisim molekul hidrogen, ketumpatannya separuh daripada permukaan Bumi, pada ketinggian H=80 km. Pada masa ini, jisim molekul telah ditapis. Sebagai contoh, untuk oksigen nilai ditetapkan kepada 5.31*10 -26 kg, dan untuk hidrogen - 0.33*10 -26 kg. Apabila membincangkan isu kelajuan pergerakan molekul, pelajar diperkenalkan kepada eksperimen klasik Stern. Apabila menerangkan eksperimen, adalah dinasihatkan untuk mencipta modelnya menggunakan peranti "Cakera berputar dengan aksesori". Beberapa padanan dipasang di tepi cakera dalam kedudukan menegak, dan tiub dengan alur diletakkan di tengah cakera. Apabila cakera tidak bergerak, bola yang diturunkan ke dalam tiub, melancarkan pelongsor ke bawah, menjatuhkan salah satu mancis. Kemudian cakera diputar pada kelajuan tertentu, direkodkan oleh tachometer. Bola yang baru dilancarkan akan menyimpang dari arah pergerakan asal (berbanding dengan cakera) dan menumbangkan perlawanan yang terletak agak jauh dari yang pertama. Mengetahui jarak ini, jejari cakera dan kelajuan bola pada rim cakera, anda boleh menentukan kelajuan bola sepanjang jejari. Selepas ini, adalah dinasihatkan untuk mempertimbangkan intipati eksperimen Stern dan reka bentuk pemasangannya, menggunakan serpihan filem "The Stern Experience" untuk ilustrasi. Membincangkan hasil eksperimen Stern, perhatian diberikan kepada fakta bahawa terdapat pengedaran molekul tertentu mengikut kelajuan, seperti yang dibuktikan dengan kehadiran jalur atom termendap dengan lebar tertentu, dan ketebalan jalur ini berbeza. Di samping itu, adalah penting untuk ambil perhatian bahawa molekul yang bergerak pada kelajuan tinggi mendap lebih dekat ke lokasi bertentangan dengan celah. Bilangan molekul terbanyak mempunyai kelajuan yang paling mungkin. Adalah perlu untuk memaklumkan kepada pelajar bahawa secara teorinya, hukum taburan halaju molekul telah ditemui oleh J. K. Maxwell. Pengagihan halaju molekul boleh dimodelkan pada papan Galton. Kanak-kanak sekolah telah mengkaji isu interaksi molekul dalam gred ke-7, pengetahuan mengenai isu ini diperdalam dan diperluaskan. Adalah perlu untuk menekankan perkara berikut: a) interaksi antara molekul adalah bersifat elektromagnet; b) interaksi antara molekul dicirikan oleh daya tarikan dan tolakan; c) daya interaksi antara molekul bertindak pada jarak tidak lebih daripada 2-3 diameter molekul, dan pada jarak ini hanya daya tarikan yang ketara, daya tolakan boleh dikatakan sifar; d) apabila jarak antara molekul berkurangan, daya interaksi meningkat, dan daya tolakan tumbuh lebih cepat (berkadar dengan r -9) daripada daya tarikan (berkadar dengan r -7 ). Oleh itu, apabila jarak antara molekul berkurangan, daya tarikan mula-mula berlaku, kemudian pada jarak tertentu r o daya tarikan adalah sama dengan daya tolakan, dan dengan pendekatan selanjutnya daya tolakan mendominasi. Adalah dinasihatkan untuk menggambarkan semua perkara di atas dengan graf pergantungan pertama daya tarikan, daya tolakan, dan kemudian daya paduan pada jarak. Ia berguna untuk membina graf tenaga potensi interaksi, yang kemudiannya boleh digunakan apabila mempertimbangkan keadaan pengagregatan bahan-bahan. Perhatian pelajar gred kesepuluh ditarik kepada fakta bahawa keadaan keseimbangan stabil zarah berinteraksi sepadan dengan kesamaan daya paduan interaksi kepada sifar dan nilai terkecil tenaga potensi bersama mereka. Dalam jasad pepejal, tenaga interaksi zarah (tenaga pengikat) adalah jauh lebih besar daripada tenaga kinetik pergerakan haba mereka, oleh itu pergerakan zarah badan pepejal mewakili getaran berbanding nod kekisi kristal. Jika tenaga kinetik pergerakan terma molekul jauh lebih besar daripada tenaga potensi interaksi mereka, maka pergerakan molekul adalah rawak sepenuhnya dan bahan itu wujud dalam keadaan gas. Jika tenaga kinetik terma pergerakan zarah adalah setanding dengan tenaga keupayaan interaksi mereka, maka bahan berada dalam keadaan cair.
Pelajaran video ini ditumpukan kepada topik “Peruntukan asas ICT. Struktur jirim. Molekul". Di sini anda akan mempelajari apa yang dipelajari oleh teori kinetik molekul (MKT) dalam fizik. Kenali tiga peruntukan utama yang menjadi asas ICT. Ketahui apa yang menentukan ciri-ciri fizikal bahan dan apa itu atom dan molekul.
Mula-mula, mari kita ingat semua bahagian fizik sebelumnya yang kita pelajari, dan fahami bahawa selama ini kita sedang mempertimbangkan proses yang berlaku dengan badan makroskopik (atau objek makrokosmos). Sekarang kita akan mengkaji struktur mereka dan proses yang berlaku di dalamnya.
Definisi. Badan makroskopik- jasad yang terdiri daripada sejumlah besar zarah. Contohnya: kereta, seseorang, planet, bola biliard...
Badan mikroskopik - jasad yang terdiri daripada satu atau lebih zarah. Contohnya: atom, molekul, elektron... (Gamb. 1)
nasi. 1. Contoh objek mikro dan makro masing-masing
Setelah mentakrifkan subjek pengajian kursus MCT, kita kini harus bercakap tentang matlamat utama yang ditetapkan oleh kursus MCT untuk dirinya sendiri, iaitu:
Kajian tentang isu-isu ini, yang akan berlaku sepanjang keseluruhan topik, kini akan bermula dengan fakta bahawa kita akan merumuskan apa yang dipanggil peruntukan asas ICT, iaitu beberapa kenyataan yang kebenarannya telah lama tidak diragui, dan, bermula dari mana, keseluruhan kursus selanjutnya akan dibina .
Mari kita lihat satu persatu:
Semua bahan terdiri daripada Kuantiti yang besar zarah - molekul dan atom.
Definisi. Atom- zarah terkecil unsur kimia. Dimensi atom (diameternya) adalah mengikut susunan cm Perlu diperhatikan bahawa, tidak seperti molekul, terdapat beberapa jenis atom yang berbeza. Semua jenis mereka, yang kini diketahui oleh manusia, dikumpulkan dalam apa yang dipanggil jadual berkala (lihat Rajah 2)
nasi. 2. Jadual berkala unsur kimia(pada asasnya jenis atom) D. I. Mendeleev
Molekul- unit struktur jirim yang terdiri daripada atom. Tidak seperti atom, ia lebih besar dan lebih berat, dan yang paling penting, ia mempunyai pelbagai jenis.
Bahan yang molekulnya terdiri daripada satu atom dipanggil atom, daripada bilangan yang lebih besar - molekul. Contohnya: oksigen, air, garam meja () - molekul; helium perak (He, Ag) - atom.
Lebih-lebih lagi, perlu difahami bahawa sifat-sifat badan makroskopik akan bergantung bukan sahaja pada ciri kuantitatif komposisi mikroskopiknya, tetapi juga pada sifat kualitatif.
Jika dalam struktur atom sesuatu bahan mempunyai geometri tertentu ( kekisi kristal), atau, sebaliknya, tidak, maka badan-badan ini akan mempunyai sifat yang berbeza. Sebagai contoh, jasad amorfus tidak mempunyai takat lebur yang ketat. Paling contoh terkenal- grafit amorfus dan berlian kristal. Kedua-dua bahan diperbuat daripada atom karbon.
nasi. 3. Grafit dan berlian masing-masing
Oleh itu, "berapa banyak atom dan molekul yang terdiri daripada jirim, dalam susunan relatif apa, dan jenis atom dan molekul apa?" - soalan pertama, jawapan yang akan membawa kita lebih dekat untuk memahami sifat-sifat badan.
Semua zarah yang dinyatakan di atas berada dalam gerakan huru-hara haba berterusan.
Sama seperti dalam contoh yang dibincangkan di atas, adalah penting untuk memahami bukan sahaja aspek kuantitatif pergerakan ini, tetapi juga aspek kualitatif untuk pelbagai bahan.
Molekul dan atom pepejal hanya mengalami sedikit getaran berbanding kedudukan tetapnya; cecair - juga bergetar, tetapi disebabkan saiz ruang antara molekul yang besar, mereka kadang-kadang bertukar tempat antara satu sama lain; Zarah gas pula bergerak bebas di angkasa tanpa berlanggar secara praktikal.
Zarah berinteraksi antara satu sama lain.
Interaksi ini bersifat elektromagnet (interaksi antara nukleus dan elektron atom) dan bertindak dalam kedua-dua arah (kedua-dua tarikan dan tolakan).
di sini: d- jarak antara zarah; a- saiz zarah (diameter).
Konsep "atom" pertama kali diperkenalkan oleh ahli falsafah Yunani kuno dan saintis semula jadi Democritus (Rajah 4). Dalam tempoh kemudian, saintis Rusia Lomonosov secara aktif tertanya-tanya tentang struktur dunia mikro (Rajah 5).
nasi. 4. Democritus
nasi. 5. Lomonosov
Dalam pelajaran seterusnya kita akan memperkenalkan kaedah penegasan kualitatif peruntukan utama ICT.
Bibliografi
Kerja rumah
Teori kinetik molekul (MKT) ialah doktrin yang menerangkan fenomena terma dalam jasad makroskopik dan sifat dalaman jasad ini melalui pergerakan dan interaksi atom, molekul dan ion yang membentuk jasad tersebut. Struktur MCT jirim adalah berdasarkan tiga prinsip:
Peruntukan asas ini disahkan secara eksperimen dan teori.
Instrumen moden memungkinkan untuk melihat imej atom dan molekul individu. Menggunakan mikroskop elektron atau projektor ion (mikroskop), anda boleh imej atom individu dan menganggarkan saiznya. Diameter mana-mana atom adalah mengikut urutan d = 10 -8 cm (10 -10 m). Saiz molekul lebih besar daripada saiz atom. Oleh kerana molekul terdiri daripada beberapa atom, apakah lebih kuantiti atom dalam molekul, semakin besar saiznya. Saiz molekul berkisar antara 10 -8 cm (10 -10 m) hingga 10 -5 cm (10 -7 m).
Pergerakan zarah yang kacau berterusan disahkan oleh gerakan dan resapan Brownian. Pergerakan rawak bermakna molekul tidak mempunyai sebarang laluan pilihan dan pergerakannya mempunyai arah rawak. Ini bermakna semua arah berkemungkinan sama.
Penyebaran(dari resapan Latin - merebak, merebak) - fenomena apabila, akibat pergerakan haba bahan, penembusan spontan satu bahan ke bahan lain berlaku (jika bahan ini bersentuhan).
Percampuran bersama bahan berlaku disebabkan oleh pergerakan berterusan dan rawak atom atau molekul (atau zarah lain) bahan. Dari masa ke masa, kedalaman penembusan molekul satu bahan ke bahan lain meningkat. Kedalaman penembusan bergantung pada suhu: semakin tinggi suhu, semakin besar kelajuan pergerakan zarah bahan dan semakin cepat resapan berlaku.
Resapan diperhatikan dalam semua keadaan jirim - dalam gas, cecair dan pepejal. Contoh resapan dalam gas ialah penyebaran bau di udara tanpa adanya percampuran langsung. Resapan dalam pepejal memastikan sambungan logam semasa kimpalan, pematerian, penyaduran krom, dsb. Resapan berlaku lebih cepat dalam gas dan cecair berbanding pepejal.
Kewujudan badan cecair dan pepejal yang stabil dijelaskan oleh kehadiran daya interaksi antara molekul(daya tarikan dan penolakan bersama). Sebab yang sama menjelaskan kebolehmampatan rendah cecair dan keupayaan pepejal untuk menentang ubah bentuk mampatan dan tegangan.
Daya interaksi antara molekul adalah sifat elektromagnet - ini adalah daya asal elektrik. Sebabnya ialah molekul dan atom terdiri daripada zarah bercas dengan tanda cas yang bertentangan - elektron dan bercas positif nukleus atom. Secara umum, molekul adalah neutral elektrik. Dari segi sifat elektriknya, molekul boleh dianggap sebagai dipol elektrik.
Daya interaksi antara molekul mempunyai pergantungan tertentu pada jarak antara molekul. Pergantungan ini ditunjukkan dalam Rajah. 1.1. Ditunjukkan di sini adalah unjuran daya interaksi pada garis lurus yang melalui pusat molekul.
nasi. 1.1. Kebergantungan daya antara molekul pada jarak antara atom yang berinteraksi.
Seperti yang kita lihat, apabila jarak antara molekul r berkurang, daya tarikan F r pr meningkat (garis merah dalam rajah). Seperti yang telah disebutkan, daya tarikan dianggap negatif, oleh itu, apabila jarak berkurangan, lengkung turun, iaitu, ke zon negatif graf.
Daya tarikan bertindak apabila dua atom atau molekul mendekati satu sama lain, selagi jarak r antara pusat molekul berada dalam lingkungan 10 -9 m (2-3 diameter molekul). Apabila jarak ini bertambah, daya tarikan menjadi lemah. Daya tarikan ialah daya jarak dekat.
di mana a– pekali bergantung kepada jenis daya tarikan dan struktur molekul yang berinteraksi.
Dengan pendekatan selanjutnya bagi atom atau molekul pada jarak antara pusat molekul urutan 10 -10 m (jarak ini setanding dengan dimensi linear molekul tak organik), daya tolakan F r dari (garis biru dalam Rajah 1.1) muncul. Daya-daya ini muncul disebabkan oleh tolakan bersama atom-atom bercas positif dalam molekul dan berkurangan dengan peningkatan jarak r lebih cepat daripada daya tarikan (seperti yang boleh dilihat pada graf - garis biru cenderung kepada sifar lebih "curam" daripada yang merah ).
di mana b– pekali bergantung kepada jenis daya tolakan dan struktur molekul yang berinteraksi.
Pada jarak r = r 0 (jarak ini lebih kurang sama dengan jumlah jejari molekul), daya tarikan mengimbangi daya tolakan, dan unjuran daya terhasil F r = 0. Keadaan ini sepadan dengan yang paling susunan molekul yang berinteraksi yang stabil.
Secara umum, daya yang terhasil ialah:
Untuk r > r 0, daya tarikan molekul melebihi tolakan;< r 0 – отталкивание молекул превосходит их притяжение.
Kebergantungan daya interaksi antara molekul pada jarak antara mereka secara kualitatif menerangkan mekanisme molekul penampilan daya kenyal dalam pepejal.
Apabila jasad pepejal diregangkan, zarah-zarah bergerak menjauhi satu sama lain pada jarak melebihi r 0 . Dalam kes ini, daya tarikan molekul muncul, yang mengembalikan zarah ke kedudukan asalnya.
Apabila jasad pepejal dimampatkan, zarah-zarah itu menghampiri satu sama lain pada jarak yang lebih kecil daripada jarak r 0 . Ini membawa kepada peningkatan daya tolakan, yang mengembalikan zarah ke kedudukan asalnya dan menghalang pemampatan selanjutnya.
Jika anjakan molekul dari kedudukan keseimbangan adalah kecil, maka daya interaksi tumbuh secara linear dengan peningkatan anjakan. Pada graf, segmen ini ditunjukkan sebagai garis hijau muda yang tebal.
Oleh itu, pada ubah bentuk kecil (berjuta-juta kali lebih besar daripada saiz molekul), hukum Hooke dipenuhi, mengikut mana daya keanjalan adalah berkadar dengan ubah bentuk. Pada anjakan besar, undang-undang Hooke tidak terpakai.
Peruntukan asas ICT
Teori molekul-kinetik ialah doktrin struktur dan sifat jirim berdasarkan idea kewujudan atom dan molekul sebagai zarah terkecil bahan kimia.
Pada akar teori kinetik molekul terdapat tiga prinsip asas:
1. Semua bahan - cecair, pepejal dan gas - terbentuk daripada zarah terkecil - molekul, yang sendiri terdiri daripada atom ("molekul asas"). Molekul kimia boleh menjadi ringkas atau kompleks dan terdiri daripada satu atau lebih atom. Molekul dan atom adalah zarah neutral elektrik. Dalam keadaan tertentu, molekul dan atom boleh memperoleh tambahan cas elektrik dan bertukar menjadi ion positif atau negatif.
2. Atom dan molekul berada dalam gerakan huru-hara berterusan.
3. Zarah berinteraksi antara satu sama lain dengan daya yang bersifat elektrik. Interaksi graviti antara zarah boleh diabaikan.
 |
| Rajah 3.1.1. Trajektori zarah Brownian. |
Pengesahan eksperimen yang paling menarik tentang idea teori kinetik molekul mengenai pergerakan rawak atom dan molekul ialah Gerakan Brownian . Ini ialah pergerakan haba zarah mikroskopik kecil terampai dalam cecair atau gas. Ia ditemui oleh ahli botani Inggeris R. Brown (1827). Zarah Brownian bergerak di bawah pengaruh perlanggaran rawak molekul. Disebabkan oleh pergerakan terma molekul yang huru-hara, impak ini tidak pernah mengimbangi satu sama lain. Akibatnya, kelajuan zarah Brown berubah secara rawak dalam magnitud dan arah, dan trajektorinya ialah lengkung zigzag yang kompleks (Rajah 3.1.1). Teori gerakan Brown dicipta oleh A. Einstein (1905). Teori Einstein telah disahkan secara eksperimen dalam eksperimen ahli fizik Perancis J. Perrin (1908–1911).
Daya yang bertindak antara dua molekul bergantung pada jarak antara mereka. Molekul adalah kompleks struktur ruang, mengandungi kedua-dua positif dan caj negatif. Jika jarak antara molekul cukup besar, maka daya tarikan antara molekul mendominasi. Pada jarak yang dekat, kuasa tolakan mendominasi. Kebergantungan daya terhasil F dan tenaga berpotensi E interaksi p antara molekul bergantung pada jarak antara pusat mereka secara kualitatif digambarkan dalam Rajah. 3.1.2. Pada jarak tertentu r = r 0 daya interaksi menjadi sifar. Jarak ini boleh diambil secara konvensional sebagai diameter molekul. Tenaga potensi interaksi di r = r 0 adalah minimum. Untuk mengeluarkan dua molekul yang berada pada jarak antara satu sama lain r 0 , kita perlu memberi mereka tenaga tambahan E 0 . Magnitud E 0 biasanya dipanggil kedalaman telaga berpotensi atau tenaga pengikat .
Molekul sangat kecil saiznya. Molekul monoatomik ringkas mempunyai saiz tertib 10–10 m Molekul poliatomik kompleks boleh mempunyai saiz ratusan dan ribuan kali lebih besar.
Pergerakan huru-hara rawak molekul biasanya dipanggil pergerakan haba . Tenaga kinetik gerakan terma meningkat dengan peningkatan suhu. Pada suhu rendah, tenaga kinetik purata molekul mungkin kurang daripada kedalaman telaga berpotensi E 0 . Dalam kes ini, molekul terpeluwap menjadi cecair atau padu; dalam kes ini jarak purata antara molekul akan lebih kurang sama dengan r 0 . Apabila suhu meningkat, tenaga kinetik purata molekul menjadi lebih besar E 0, molekul terbang berasingan dan bahan gas terbentuk.
DALAM pepejal molekul mengalami getaran rawak di sekeliling pusat tetap (kedudukan keseimbangan). Pusat-pusat ini terletak di angkasa dengan cara yang tidak teratur ( jasad amorfus) atau membentuk struktur isipadu tersusun ( badan kristal) (lihat §3.6).
Dalam cecair, molekul mempunyai kebebasan yang lebih besar untuk pergerakan haba. Mereka tidak terikat pada pusat tertentu dan boleh bergerak ke seluruh isipadu cecair. Ini menerangkan kecairan cecair. Molekul cecair yang terletak berdekatan juga boleh membentuk struktur tersusun yang mengandungi beberapa molekul. Fenomena ini biasanya dipanggil tutup pesanan Tidak seperti pesanan jarak jauh, ciri badan kristal.
Dalam gas, jarak antara molekul biasanya lebih besar daripada saiznya. Daya interaksi antara molekul pada jarak yang begitu besar adalah kecil, dan setiap molekul bergerak sepanjang garis lurus sehingga perlanggaran seterusnya dengan molekul lain atau dengan dinding bekas. Jarak purata antara molekul udara di keadaan biasa kira-kira 10–8 m, iaitu, berpuluh kali lebih besar daripada saiz molekul. Interaksi yang lemah antara molekul menerangkan keupayaan gas untuk mengembang dan mengisi keseluruhan isipadu kapal. Dalam had, apabila interaksi cenderung kepada sifar, kita datang kepada idea gas ideal.
Dalam teori kinetik molekul jumlah bahan dianggap berkadar dengan bilangan zarah. Unit kuantiti bahan biasanya dipanggil berdoa(mol).
Mol - ϶ᴛᴏ jumlah bahan yang mengandungi bilangan zarah (molekul) yang sama seperti terdapat atom dalam 0.012 kg karbon 12 C. Molekul karbon terdiri daripada satu atom.
Walau bagaimanapun, satu mol sebarang bahan mengandungi bilangan zarah (molekul) yang sama. Nombor ini biasanya dipanggil Pemalar Avogadro N A:
Pemalar Avogadro ialah salah satu pemalar terpenting dalam teori kinetik molekul.
Jumlah bahan ν ditakrifkan sebagai nisbah nombor N zarah (molekul) jirim kepada pemalar Avogadro N A:
Jisim molar dinyatakan dalam kilogram setiap tahi lalat(kg/mol). Untuk bahan yang molekulnya terdiri daripada satu atom, istilah ini sering digunakan jisim atom.
Unit jisim atom dan molekul diambil sebagai 1/12 daripada jisim atom isotop karbon 12 C (dengan nombor jisim 12). Dia biasa dipanggil unit jisim atom (a.m.):
Nilai ini hampir bertepatan dengan jisim proton atau neutron. Nisbah jisim atom atau molekul bahan tertentu kepada 1/12 jisim atom karbon 12 C biasanya dipanggil jisim relatif .
Untuk menjelaskan formula tekanan gas pada dinding kapal, andaikan semua molekul yang terkandung dalam isipadu unit dibahagikan kepada kumpulan yang mengandungi Masalah taburan halaju molekul perlu dirumuskan seperti berikut. Biarkan per unit isipadu 1 , Masalah taburan halaju molekul perlu dirumuskan seperti berikut. Biarkan per unit isipadu 2 , Masalah taburan halaju molekul perlu dirumuskan seperti berikut. Biarkan per unit isipadu 3, dsb. molekul dengan unjuran halaju υ x1, υ x2, υ x3, dsb., masing-masing. Dalam kes ini, setiap kumpulan molekul menyumbang kepada tekanan gas. Akibat perlanggaran dengan dinding molekul dengan nilai unjuran yang berbeza υ xi halaju, jumlah tekanan timbul
Sekarang formula untuk tekanan gas boleh ditulis sebagai
Kesamaan terakhir berikut dari formula: 
Formula untuk tekanan gas purata pada dinding kapal akan ditulis dalam bentuk
|
Persamaan ini mewujudkan hubungan antara tekanan hlm gas ideal, jisim molekul m 0, kepekatan molekul Masalah taburan halaju molekul perlu dirumuskan seperti berikut. Biarkan per unit isipadu, nilai purata kuasa dua halaju dan purata tenaga kinetik pergerakan ke hadapan molekul. Dia dipanggil persamaan asas teori kinetik molekul gas.
Dalam erti kata lain, tekanan gas adalah sama dengan dua pertiga daripada tenaga kinetik purata gerakan translasi molekul yang terkandung dalam isipadu unit.
Persamaan asas teori kinetik molekul gas termasuk hasil darab kepekatan molekul Masalah taburan halaju molekul perlu dirumuskan seperti berikut. Biarkan per unit isipadu kepada tenaga kinetik purata gerakan translasi. Jika kita mengandaikan bahawa gas berada dalam bekas dengan isipadu tetap V, Itu ( N– bilangan molekul dalam kapal). Dalam kes ini, perubahan tekanan Δ hlm berkadar dengan perubahan tenaga kinetik purata.
Persoalan timbul: bagaimanakah seseorang secara eksperimen boleh mengubah tenaga kinetik purata pergerakan molekul dalam bekas isipadu tetap? Apakah kuantiti fizik yang perlu diubah supaya purata tenaga kinetik berubah? suhu .
Konsep suhu berkait rapat dengan konsep keseimbangan haba. Badan yang bersentuhan antara satu sama lain boleh bertukar tenaga. Tenaga yang dipindahkan dari satu badan ke badan yang lain semasa sentuhan haba biasanya dipanggil jumlah haba.
Keseimbangan haba- ϶ᴛᴏ ialah keadaan sistem jasad dalam sentuhan haba di mana tiada pemindahan haba dari satu jasad ke jasad yang lain, dan semua parameter makroskopik jasad kekal tidak berubah. Suhu ialah parameter fizikal yang sama untuk semua jasad dalam keseimbangan terma. Kemungkinan memperkenalkan konsep suhu berikutan dari pengalaman dan dipanggil hukum sifar termodinamik.
Alat fizikal digunakan untuk mengukur suhu - termometer , di mana nilai suhu dinilai oleh perubahan dalam mana-mana parameter fizikal. Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa untuk mencipta termometer adalah sangat penting untuk dipilih bahan termometrik(contohnya, merkuri, alkohol) dan nilai termometrik, mencirikan sifat bahan (contohnya, panjang lajur merkuri atau alkohol). DALAM pelbagai reka bentuk Termometer menggunakan pelbagai sifat fizikal sesuatu bahan (contohnya, perubahan dalam dimensi linear pepejal atau perubahan dalam rintangan elektrik konduktor apabila dipanaskan).
Termometer mesti ditentukur. Untuk melakukan ini, mereka dibawa ke dalam sentuhan terma dengan badan yang suhunya dianggap diberikan. Selalunya, sistem semula jadi mudah digunakan di mana suhu kekal tidak berubah walaupun pertukaran haba dengan persekitaran- ϶ᴛᴏ campuran ais dan air dan campuran air dan wap semasa mendidih pada keadaan biasa tekanan atmosfera. Mengikut suhu skala Celsius Takat lebur ais ditetapkan suhu 0 °C, dan takat didih air ditetapkan suhu 100 °C. Perubahan panjang lajur cecair dalam kapilari termometer dengan seperseratus panjang antara tanda 0 °C dan 100 °C diambil bersamaan dengan 1 °C. Digunakan secara meluas di beberapa negara (AS) Fahrenheit (T F), di mana suhu beku air diambil sebagai 32 °F dan takat didih air ialah 212 °F. Oleh itu,
Untuk menentukur termometer gas isipadu malar, anda boleh mengukur tekanan pada dua suhu (contohnya, 0 °C dan 100 °C), plot titik hlm 0 dan hlm 100 pada graf, dan kemudian lukis garis lurus di antara mereka (Rajah 3.2.5). Dengan menggunakan lengkung penentukuran yang diperolehi, suhu yang sepadan dengan nilai tekanan lain boleh ditentukan. Mengekstrapolasi graf ke kawasan tekanan rendah, adalah mungkin untuk menentukan beberapa suhu "hipotesis" di mana tekanan gas akan menjadi sifar. Pengalaman menunjukkan bahawa suhu ini ialah –273.15 °C dan tidak bergantung pada sifat gas. Adalah mustahil untuk secara eksperimen mendapatkan gas dalam keadaan dengan tekanan sifar dengan penyejukan, kerana pada suhu yang sangat rendah semua gas berubah menjadi keadaan cecair atau pepejal.
Ahli fizik Inggeris W. Kelvin (Thomson) pada tahun 1848. dicadangkan untuk menggunakan titik tekanan gas sifar untuk membina skala suhu baharu ( Skala Kelvin). Dalam skala ini, unit suhu adalah sama seperti dalam skala Celsius, tetapi titik sifar dialihkan:
| T K = T C + 273.15. |
Dalam sistem SI, unit suhu yang diukur pada skala Kelvin dipanggil Kelvin dan dilambangkan dengan huruf K. Contohnya, suhu bilik T C = 20 °C pada skala Kelvin adalah sama dengan T K = 293.15 K.
Skala suhu Kelvin biasanya dipanggil skala suhu mutlak . Ia ternyata paling mudah apabila membina teori fizikal.
Tidak begitu penting untuk mengikat skala Kelvin kepada dua titik tetap - takat lebur ais dan takat didih air pada tekanan atmosfera biasa, seperti yang biasa dalam skala Celsius.
Sebagai tambahan kepada titik tekanan gas sifar, yang biasanya dipanggil suhu sifar mutlak
, sudah cukup untuk mengambil satu lagi titik rujukan tetap. Dalam skala Kelvin, titik ini digunakan suhu tiga titik air(0.01 ° C), di mana ketiga-tiga fasa berada dalam keseimbangan terma - ais, air dan wap.
Disiarkan di ref.rf
Pada skala Kelvin, suhu titik tiga diambil sebagai 273.16 K.
Termometer gas adalah besar dan menyusahkan untuk digunakan. permohonan praktikal: Ia digunakan sebagai piawaian ketepatan untuk menentukur termometer lain.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, tekanan gas jarang dalam bekas isipadu tetap V berbeza-beza berkadar terus dengan suhu mutlaknya: hlm ~ T. Sebaliknya, pengalaman menunjukkan bahawa dengan volum tetap V dan suhu T tekanan gas berubah berkadar terus dengan nisbah jumlah bahan ν dalam bekas tertentu kepada isipadu V kapal
di mana k– beberapa nilai malar sejagat untuk semua gas. Mereka memanggilnya Pemalar Boltzmann , sebagai penghormatan kepada ahli fizik Austria L. Boltzmann (1844–1906), salah seorang pencipta teori kinetik molekul. Pemalar Boltzmann ialah salah satu pemalar fizikal asas. Nilai berangkanya dalam SI ialah:
Membandingkan nisbah hlm = nkT dengan persamaan asas teori molekul-kinetik gas, seseorang boleh memperoleh:
| |
Tenaga kinetik purata bagi pergerakan molekul gas yang huru-hara adalah berkadar terus dengan suhu mutlak.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, suhu ialah ukuran tenaga kinetik purata pergerakan translasi molekul.
Perlu diingatkan bahawa tenaga kinetik purata bagi gerakan translasi molekul tidak bergantung pada jisimnya. Zarah Brownian yang terampai dalam cecair atau gas mempunyai tenaga kinetik purata yang sama dengan molekul individu, yang jisimnya banyak tertib magnitud kurang daripada jisim zarah Brown. Kesimpulan ini juga terpakai kepada kes apabila kapal mengandungi campuran gas yang tidak berinteraksi secara kimia, yang molekulnya mempunyai jisim yang berbeza. Dalam keadaan keseimbangan, molekul gas yang berbeza akan mempunyai purata tenaga kinetik gerakan terma yang sama, hanya ditentukan oleh suhu campuran. Tekanan campuran gas pada dinding kapal akan terdiri daripada tekanan separa setiap gas:
|
Dalam nisbah ini Masalah taburan halaju molekul perlu dirumuskan seperti berikut. Biarkan per unit isipadu 1 , Masalah taburan halaju molekul perlu dirumuskan seperti berikut. Biarkan per unit isipadu 2 , Masalah taburan halaju molekul perlu dirumuskan seperti berikut. Biarkan per unit isipadu 3, ... – kepekatan molekul pelbagai gas dalam campuran. Hubungan ini dinyatakan dalam bahasa teori kinetik molekul, yang ditubuhkan secara eksperimen di awal XIX berabad-abad undang-undang Dalton :tekanan dalam campuran gas tidak berinteraksi secara kimia adalah sama dengan jumlah tekanan separanya.
Peruntukan utama ICT - konsep dan jenis. Klasifikasi dan ciri kategori "Peruntukan asas ICT" 2017, 2018.
Kandungan artikel
TEORI KINETIK MOLEKUL– satu cabang fizik molekul yang mengkaji sifat jirim berdasarkan idea tentang struktur molekulnya dan hukum interaksi tertentu antara atom (molekul) yang membentuk bahan itu. Adalah dipercayai bahawa zarah jirim berada dalam gerakan rawak yang berterusan dan pergerakan ini dianggap sebagai haba.
Sehingga abad ke-19 Asas yang sangat popular untuk doktrin haba ialah teori kalori atau bahan cecair yang mengalir dari satu badan ke badan yang lain. Pemanasan badan dijelaskan oleh peningkatan, dan penyejukan dengan penurunan kandungan kalori yang terkandung di dalamnya. Konsep atom untuk masa yang lama kelihatan tidak diperlukan untuk teori haba, tetapi ramai saintis walaupun kemudian secara intuitif menghubungkan haba dengan pergerakan molekul. Jadi, khususnya, fikir saintis Rusia M.V. Banyak masa berlalu sebelum teori kinetik molekul akhirnya menang dalam fikiran saintis dan menjadi harta penting fizik.
Banyak fenomena dalam gas, cecair dan pepejal ditemui dalam rangka molekul teori kinetik penerangan yang ringkas dan meyakinkan. Jadi tekanan, yang dikenakan oleh gas pada dinding kapal di mana ia tertutup, dianggap sebagai hasil jumlah banyak perlanggaran molekul yang bergerak pantas dengan dinding, akibatnya ia memindahkan momentumnya ke dinding. (Ingat bahawa perubahan dalam momentum per unit masa, mengikut undang-undang mekanik, membawa kepada kemunculan daya, dan daya per unit permukaan dinding ialah tekanan). Tenaga kinetik pergerakan zarah, dipuratakan ke atas bilangan besarnya, menentukan apa yang biasa dipanggil suhu bahan-bahan.
Asal-usul idea atomistik, i.e. Idea bahawa semua badan dalam alam semula jadi terdiri daripada zarah terkecil yang tidak boleh dibahagikan, atom, kembali kepada ahli falsafah Yunani kuno - Leucippus dan Democritus. Lebih daripada dua ribu tahun yang lalu, Democritus menulis: "... atom tidak terkira dalam saiz dan bilangan, tetapi mereka tergesa-gesa mengelilingi alam semesta, berputar dalam angin puyuh, dan dengan itu segala yang kompleks dilahirkan: api, air, udara, tanah." Sumbangan yang menentukan kepada pembangunan teori kinetik molekul telah dibuat pada separuh kedua abad ke-19. karya saintis yang luar biasa J.C. Maxwell dan L. Boltzmann, yang meletakkan asas untuk penerangan statistik (kebarangkalian) sifat-sifat bahan (terutamanya gas) yang terdiri daripada sejumlah besar molekul yang bergerak secara huru-hara. Pendekatan statistik telah digeneralisasikan (berkaitan dengan mana-mana keadaan jirim) pada awal abad ke-20. dalam karya saintis Amerika J. Gibbs, yang dianggap sebagai salah seorang pengasas mekanik statistik atau fizik statistik. Akhirnya, pada dekad pertama abad ke-20. ahli fizik menyedari bahawa kelakuan atom dan molekul mematuhi undang-undang bukan klasik, tetapi mekanik kuantum. Ini memberi dorongan yang kuat perkembangan fizik statistik dan memungkinkan untuk menerangkan beberapa fenomena fizikal yang sebelum ini tidak dapat dijelaskan dalam kerangka konsep biasa mekanik klasik.
Setiap molekul yang terbang ke arah dinding, apabila berlanggar dengannya, memindahkan momentumnya ke dinding. Oleh kerana kelajuan molekul semasa perlanggaran kenyal dengan dinding berbeza daripada nilai molekul. Dari manakah pecahan molekul mempunyai kelajuan sebelum - molekul. Dari manakah pecahan molekul mempunyai kelajuan, magnitud nadi yang dihantar ialah 2 mv. Daya yang bertindak ke atas permukaan dinding D S dalam masa D t, ditentukan oleh magnitud jumlah momentum yang dihantar oleh semua molekul yang mencapai dinding dalam tempoh masa ini, i.e. F= 2mv n c D S/D t, di mana n c ditakrifkan oleh ungkapan (1). Untuk nilai tekanan hlm = F/D S dalam kes ini kita dapati: p = (1/3)nmv 2.
Untuk mendapatkan hasil akhir, anda boleh meninggalkan andaian kelajuan molekul yang sama dengan mengenal pasti kumpulan molekul bebas, setiap satunya mempunyai kelajuan yang lebih kurang sama. Kemudian nilai tekanan purata didapati dengan purata kuasa dua halaju ke atas semua kumpulan molekul atau
Ungkapan ini juga boleh diwakili dalam bentuk
Adalah mudah untuk memberikan formula ini bentuk yang berbeza dengan mendarabkan pengangka dan penyebut di bawah tanda punca kuasa dua dengan nombor Avogadro
N a= 6.023·10 23.
Di sini M = mN A– jisim atom atau molekul, nilai R = kN A= 8.318·10 7 erg dipanggil pemalar gas.
Kelajuan purata molekul dalam gas, walaupun pada suhu sederhana, ternyata sangat tinggi. Jadi, untuk molekul hidrogen (H2) pada suhu bilik ( T= 293K) kelajuan ini adalah kira-kira 1900 m/s, untuk molekul nitrogen di udara - kira-kira 500 m/s. Kelajuan bunyi di udara dalam keadaan yang sama ialah 340 m/s.
Mempertimbangkan itu Masalah taburan halaju molekul perlu dirumuskan seperti berikut. Biarkan per unit isipadu = N/V, Di mana V- isipadu yang diduduki oleh gas, N ialah jumlah bilangan molekul dalam isipadu ini; ia adalah mudah untuk mendapatkan akibat daripada (5) dalam bentuk undang-undang gas yang terkenal. Untuk melakukan ini, jumlah bilangan molekul diwakili sebagai N = vN A, Di mana molekul. Dari manakah pecahan molekul mempunyai kelajuan ialah bilangan mol gas, dan persamaan (5) mengambil bentuk
(8) pV = vRT,
yang dipanggil persamaan Clapeyron–Mendeleev.
Memandangkan itu T= const tekanan gas berubah dalam perkadaran songsang kepada isipadu yang didudukinya (undang-undang Boyle–Mariotte).
Dalam bekas tertutup isipadu tetap V= tekanan const berubah berkadar terus dengan perubahan suhu gas mutlak T. Jika gas berada dalam keadaan tekanannya kekal malar hlm= const, tetapi suhu berubah (keadaan sedemikian boleh dicapai, contohnya, jika gas diletakkan di dalam silinder ditutup dengan omboh alih), maka isipadu yang diduduki oleh gas akan berubah mengikut perkadaran dengan perubahan suhunya (undang-undang Gay-Lussac).
Biarkan ada campuran gas di dalam kapal, i.e. terdapat beberapa pelbagai jenis molekul. Dalam kes ini, magnitud momentum yang dipindahkan ke dinding oleh molekul setiap jenis tidak bergantung pada kehadiran molekul jenis lain. Ia berikutan itu tekanan campuran gas ideal adalah sama dengan jumlah tekanan separa yang akan dihasilkan oleh setiap gas secara berasingan jika ia menduduki keseluruhan isipadu. Ini adalah satu lagi undang-undang gas - undang-undang Dalton yang terkenal.
Molekul bermakna laluan bebas . Salah seorang yang pertama, pada tahun 1850-an, memberikan anggaran yang munasabah tentang halaju terma purata molekul pelbagai gas ialah ahli fizik Austria Clausius. Yang dia terima adalah luar biasa nilai yang besar Kelajuan ini segera menimbulkan bantahan. Jika kelajuan molekul benar-benar sangat tinggi, maka bau apa-apa bahan berbau akan merebak hampir serta-merta dari satu hujung bilik tertutup ke hujung yang lain. Malah, penyebaran bau berlaku dengan sangat perlahan dan berlaku, seperti yang diketahui sekarang, melalui proses yang dipanggil penyebaran gas. Clausius, dan kemudian yang lain, dapat memberikan penjelasan yang meyakinkan untuk ini dan proses pengangkutan gas lain (seperti kekonduksian terma dan kelikatan) menggunakan konsep laluan bebas min molekul , mereka. jarak purata molekul bergerak dari satu perlanggaran ke yang lain.
Setiap molekul dalam gas mengalami sangat nombor besar perlanggaran dengan molekul lain. Dalam selang waktu antara perlanggaran, molekul bergerak hampir dalam garis lurus, mengalami perubahan mendadak dalam kelajuan hanya pada saat perlanggaran itu sendiri. Sememangnya, panjang bahagian lurus di sepanjang laluan molekul boleh berbeza, jadi masuk akal untuk bercakap hanya tentang laluan bebas purata molekul tertentu.
Dalam masa D t molekul itu melalui laluan zigzag kompleks yang sama dengan molekul. Dari manakah pecahan molekul mempunyai kelajuan D t. Terdapat banyak kekusutan dalam trajektori di sepanjang laluan ini kerana terdapat perlanggaran. biarlah Z bermakna bilangan perlanggaran yang dialami oleh molekul setiap unit masa Purata laluan bebas adalah sama dengan nisbah panjang laluan N 2, sebagai contoh, a» 2.0·10 –10 m Jadual 1 menunjukkan nilai l 0 dalam µm (1 µm = 10 –6 m) yang dikira menggunakan formula (10) untuk sesetengah gas dalam keadaan normal (. hlm= 1 atm, T=273K). Nilai-nilai ini ternyata lebih kurang 100-300 kali lebih besar daripada diameter intrinsik molekul.
nasi.
