Основные положения молекулярно-кинетической теории идеальных газов, ее опытные обоснования

Согласно молекулярно-кинетической теории все вещества состоят из мельчайших частиц — молекул. Молекулы находятся в непрерывном движении и взаимодействуют между собой. Молекула — наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы состоят из более простых частиц — атомов химических элементов. Молекулы различных веществ имеют различный атомный состав.

Молекулы обладают кинетической энергией W_кин и одновременно потенциальной энергией взаимодействия W_пот. В газообразном состоянии W_кин > W_пот. В жидком и твердом состояниях кинетическая энергия частиц сравнима с энергией их взаимодействия (W_кин W_пот).

Поясним три основных положения молекулярно-кинетической теории.

• 1. Все вещества состоят из молекул, т. е. имеют дискретное строение, молекулы разделены промежутками.
• 2. Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении.
• 3. Между молекулами тела существуют силы взаимодействия.

Молекулярно-кинетическая теория обосновывается многочисленными опытами и огромным количеством физических явлений.

• 4. Идеальный газ — это физическая модель, в которой:
  • а) пренебрегают собственными размерами молекул;
  • б) пренебрегают энергией взаимодействия между молекулами;
  • в) в процессе столкновения между собой и со стенками сосуда молекулы ведут себя как абсолютно упругие тела.

Опыт показывает, что при давлениях, близких к атмосферному, и температурах, близких к комнатной, многие газы (азот, кислород, водород, пары воды и т. д.) можно считать идеальными. Энергией взаимодействия молекул между собой здесь можно пренебречь потому, что в этих условиях лишь небольшая доля молекул находится в каждый момент времени в состоянии соударения.

Молекулярно-кинетическая теория позволяет выразить макроскопические параметры термодинамической системы (давление, температуру и т. д.) через усредненные микроскопические величины.

Существование молекул блестяще подтверждается законом кратных отношений. Он гласит: «при образовании из двух элементов различных соединений (веществ) массы одного из элементов в разных соединениях относятся как целые числа, т. е. находятся в кратных отношениях «. Например, азот и кислород дают пять соединений: N₂O, N₂O₂, N₂O₃, N₂O₄, N₂O₅. В них с одним и тем же количеством азота кислород вступает в соединение в количествах, находящихся между собой в кратных отношениях 1:2:3:4:5. Закон кратных отношений легко объяснить. Всякое вещество состоит из одинаковых молекул, имеющих соответствующий атомный состав. Так как все молекулы данного вещества одинаковы, то отношение весовых количеств простых элементов, входящих в состав всего тела, такое же, как и в отдельной молекуле, и, значит, является кратным атомных весов, что и подтверждается опытом.

Наличие промежутков между молекулами следует, например, из опытов смещения различных жидкостей: объем смеси всегда меньше суммы объемов смешанных жидкостей.

Приведем некоторые из доказательств беспорядочного (хаотического) движения молекул:

• а) стремление газа занять весь предоставленный ему объем (распространение пахучего газа по всему помещению);
• б) броуновское движение — беспорядочное движение мельчайших видимых в микроскоп частиц вещества, находящихся во взвешенном состоянии и нерастворимых в ней. Это движение происходит под действием беспорядочных ударов молекул, окружающей жидкости, находящихся в постоянном хаотическом движении;
• в) диффузия — взаимное проникновение молекул соприкасающихся веществ. При диффузии молекулы одного тела, находясь в непрерывном движении, проникают в промежутки между молекулами другого соприкасающегося с ним тела и распространяются между ними. Диффузия проявляется во всех телах — в газах, жидкостях и твердых телах, — но в разной степени.

Диффузию в газах можно наблюдать если сосуд с пахучим газом открыть в помещении. Через некоторое время газ распространится по всему помещению.

Диффузия в жидкостях происходит значительно медленнее, чем в газах. Например, в стакан нальем раствор медного купороса, а затем, очень осторожно добавим слой воды и оставим стакан в помещении с постоянной температурой и где он не подвергается сотрясениям. Через некоторое время будем наблюдать исчезновение резкой границы между купоросом и водой, а через несколько дней жидкости перемешаются, несмотря на то, что плотность купороса больше плотности воды. Так же диффундирует вода со спиртом и прочие жидкости.

Диффузия в твердых телах происходит еще медленнее, чем в жидкостях (от нескольких часов до нескольких лет). Она может наблюдаться только в хорошо пришлифованных телах, когда расстояния между поверхностями пришлифованных тел близки к расстояниям между молекулами (10^-8 см). При этом скорость диффузии увеличивается при повышении температуры и давления.

Разновидностью диффузии является ОСМОС — проникновение жидкостей и растворов через пористую перегородку. Диффузия и осмос играют большую роль в природе и технике. В природе благодаря диффузии осуществляется питание растений из почвы. Организм человека и животных всасывает через стенки пищеварительного тракта питательные вещества. В технике с помощью диффузии поверхностный слой металлических изделий насыщается углеродом (цементация).

Доказательства силового взаимодействия молекул:

• а) деформация тел под влиянием силового воздействия;
• б) сохранение формы твердыми телами;
• в) поверхностное натяжение жидкостей и, как следствие, явление смачивания и капиллярности.

Между молекулами существуют одновременно силы притяжения и силы отталкивания (рис. 1). При малых расстояниях между молекулами преобладают силы отталкивания. По мере увеличения расстояния r между молекулами, как силы притяжения, так и силы отталкивания убывают, причем силы отталкивания убывают быстрее. Поэтому при некотором значении r₀ (расстояние между молекулами) силы притяжения и силы отталкивания взаимно уравновешиваются.

Рис. 1.

Если условиться отталкивающим силам приписывать положительный знак, а силам притяжения — отрицательный и произвести алгебраическое сложение сил отталкивания и притяжения, то получаем график, изображенный на рис. 2.

На рис. 3 дан график зависимости потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними. Расстояние r₀ между молекулами соответствует минимуму их потенциальной энергии (рис. 3).

Рис. 2.

Рис. 3.

Для изменения расстояния между молекулами в ту или другую сторону требуется затратить работу против преобладающих сил притяжения или отталкивания. На меньших расстояниях (рис. 2) кривая круто поднимается вверх; эта область соответствует сильному отталкиванию молекул (обусловленному главным образом кулоновским отталкиванием сближающихся ядер). На больших расстояниях молекулы притягиваются. Расстояние r₀ соответствует устойчивому равновесному взаимному положению молекул. Из рис. 2 видно, что при увеличении расстояния между молекулами, преобладающие силы притяжения восстанавливают равновесное положение, а при уменьшении расстояние между ними равновесие восстанавливается преобладающими силами отталкивания.

Современные экспериментальные методы физики (рентгеноструктурный анализ, наблюдения с помощью электронного микроскопа и др.) позволили наблюдать микроструктуру веществ.