Учебник по Физике.
Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ).
Фундаментом молекулярно-кинетической теории является гипотеза, что все тела в природе состоят из
мельчайших структурных единиц - атомов и молекул (комбинаций атомов). Атомистическая гипотеза зародилась
2500 лет назад в Древней Греции (Левкипп и Демокрит из Абдеры) и была окончательно сформулирована в
трудах европейских ученых XIX в. За сто лет до этого выдающийся русский ученый-энциклопедист М. В.
Ломоносов рассматривал тепловые явления как результат движения частиц, образующих тела.
Основные положения.
Вещество состоит из атомов (молекул). Размеры атомов (молекул) равны 10
-10 - 10
-9 м.
Число атомов (молекул) в единице объема вещества (твердого тела или жидкости) порядка 10
22 частиц в
1 см
3.
Атомы (молекулы) вещества находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении.
Наиболее яркое доказательство - броуновское движение (Р. Броун, 1827 г.) мелких частиц, взвешенных в жидкости,
происходящее из-за непрерывных беспорядочных соударений этих частиц с молекулами жидкости. Другой простой
экспериментальный факт, доказывающий тепловое движение атомов вещества, это диффузия.
Между атомами (молекулами) вещества действуют силы притяжения и отталкивания, зависящие от расстояния между
частицами. На далеких расстояниях (превышающих несколько радиусов молекулы) взаимодействие слабо
и носит характер притяжения, быстро убывающего с ростом расстояния (сила притяжения меняется как r
-7).
Физически это слабое притяжение обусловлено наличием электрического дипольного момента у электронейтральной в
целом молекулы. С уменьшением расстояния это притяжение сначала несколько возрастает, а затем стремится к нулю.
В момент соприкосновения электронных оболочек молекул возникают быстро растущие с уменьшением расстояния силы
электростатического отталкивания.
Характер теплового движения молекул зависит от того, в каком агрегатном состоянии (твердом, жидком или
газообразном) находится вещество. Расстояние между отдельными молекулами (атомами) в газах очень велико по
сравнению с размерами самих молекул. Поэтому силы притяжения между молекулами в газе пренебрежимо малы. Следовательно,
газы могут неограниченно расширяться, занимая любой предоставленный им объем. Молекулы в жидкости расположены
достаточно близко друг к другу, так что при попытке сжатия жидкости возникают большие силы отталкивания. Отсюда
малая сжимаемость жидкостей. С другой стороны, всякая внешняя сила заставляет молекулы жидкости перемещаться, что
объясняет текучесть жидкости. В твердом теле атомы или молекулы могут лишь колебаться вокруг определенных положений
равновесия. Поэтому твердые тела сохраняют и форму, и объем. У кристаллических твердых тел центры атомов (молекул)
образуют пространственную решетку, в узлах которой находятся атомы вещества. Аморфные твердые тела не обладают
жесткой структурой и скорее напоминают застывшие жидкости (в частности, под действием определенной силы аморфное
тело может течь как жидкость).
Характеристики числа и массы атомов (молекул).
Массы атомов (молекул) весьма малы в привычных единицах (порядка 10
-26 кг), поэтому для их
описания используют относительные единицы. По определению массу молекулы (атома) любого вещества
m0 относят к 1/12 массы атома углерода
m0C и называют
относительной
атомной массой Mотн:
(1.1)
Далее вводят понятие количества вещества. Если измерять его числом атомов (молекул), то получающиеся цифры
настолько велики, что ими неудобно оперировать. Поэтому вводят единицу количества вещества -
моль. По
определению
один моль равен количеству вещества, в котором содержится столько же атомов, сколько их
содержится в 0,012 кг чистого углерода. Таким образом, число атомов в одном моле всех веществ одинаково. Оно
называется числом Авогадро:
Количество вещества равно отношению числа атомов (молекул) этого вещества к числу Авогадро:
(1.2)
Размерность:
[n] = моль.
Молярная масса M равна массе вещества, взятого в количестве одного моля.
[M] = кг/моль. Из предыдущих определений следует, что молярная масса углерода равна ровно 0,012 кг.
Молярная масса равна
(1.3)
где
m0 - масса отдельного атома (молекулы). Масса
m любого количества вещества, содержащего
N атомов (молекул), равна
(1.4)
откуда количество вещества (в молях) равно
(1.5)