Молекулярно-кинетическая теория

 Изопроцессы→

       Все тела состоят из молекул или атомов, а они находятся в тесном взаимодействии друг с другом. Одни и те же молекулы могут быть связаны по-разному, и тела, состоящие из этих молекул, тоже будут выглядеть по-разному. Вспомните: вода может быть не только водой, но и льдом или паром. И лед, и вода, и пар состоят из одних и тех же молекул  Н₂О, но физические свойства твердого тела, жидкости или газа(пар) совсем разные. Чтобы разобраться, почему это так, нам придется переместиться в микроуровень, рассмотреть эти вещества на уровне молекул. Теперь для нас молекулы — физические тела, а они, как известно из закона Ньютона, взаимодействуют, а именно, притягиваются друг к другу. Сила их взаимодействия тем больше, чем меньше расстояние между телами.

   

         Молекулы не стоят на месте, они движутся. В твердых телах они колеблются около точки. Расстояние между молекулами небольшое, и гравитационная сила удерживает их на месте. Когда они получают энергию извне, они разрывают жесткие связи и могут смещаться, но при этом все равно еще связаны друг с другом. Это состояние, когда все молекулы держатся друг за друга, но при этом могут «перетекать» из одного положения равновесия в другое, и есть жидкость. Получая еще энергию, молекулы отдаляются друг от друга еще больше и разрывают связи, и вещество превращается в газ.

        А что это за энергия, которая позволяет им, молекулам, двигаться активнее? Эта энергия — тепло. Мы нагреваем тело, то есть передаем ему энергию, эта энергия переходит в энергию движения молекул — кинетическую. Получается, что то, что мы ощущаем, как нагрев, есть не что иное, как наше восприятие увеличения скорости движения молекул. Или уменьшение скорости движения молекул, если тело остывает.

         Появляется понятие идеального газа, но нет идеальной жидкости или идеального твердого тела. Почему? Как мы выяснили, в газе молекулы в меньшей степени влияют друг на друга, т.к. расстояние между молекулами довольно большое.

         Идеальный газ предполагает, что  столкновения молекул у в нем абсолютно упругие, а силой взаимодействия молекул между собой в нем можно пренебречь.

        Уравнение состояния идеального газа

        Рассмотрим теперь  уравнение Менделеева-Клайперона:

PV = νRT

где  P — давление (Па);    V  —  объем газа (м ³);     ν  — количество вещества (моли);     R — газовая постоянная;   T — температура (абсолютная).

         «ν« :   Разберемся сначала с понятием количества вещества. Количество вещества измеряется молями. Что же такое моль? В общем-то 1 моль —  это   6,1 • 10²³  штук молекул   какого-то вещества. Грубо говоря, если нам сказано, что добавили один моль газа к смеси, то это значит, что туда запустили  6,1 • 10²³ штук молекул этого газа. Конечно же эти 6,1 • 10²³ молекул у разных газов имеют разную массу, но в данном случае масса обезличена, интересуют только количество молекул.
          «P» :   В отличие от механики, где давление определялось распределением силы давления по площади взаимодействия, в газах давление определяется кинетической энергией каждой молекулы и всех их вместе. И действительно, получаемая газом энергия не исчезает, а переходит в кинетическую энергию молекул, они увеличивают скорость и начинают больше воздействовать на стенки объема, в котором находятся, увеличивая тем самым давление на них.

      Связь между средней кинетической энергией молекул газа и давлением газа определяет ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ МКТ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА :

p = 2/3 n E_о ,

где      — концентрация газа, количество молекул в единице объема,  N — общее количество молекул,  а   E_о — средняя кинетическая энергия молекулы.

         Преобразуем формулу, подставив выражение для средней кинетической энергии молекулы :

   

Но если умножить количество молекул в единице объема на массу одной, получим массу газа на единицу объема , то есть плотность вещества. Двойки сократятся. Получается:

   

^{где  ρ — плотность вещества, v — скорость молекулы, которую называют средней квадратичной скоростью.}

         «T» :  Теперь температура. Когда тело получает энергию, оно нагревается. Но что значит,  нагревается?. Мы определяем температуру на ощупь, а на самом деле энергия, которую получает тело, передается его молекулам. И если они, как мы выяснили, находятся в постоянном движении, значит энергия переходит в кинетическую энергию молекул вещества. Следовательно, температура тоже пропорционально квадрату скорости молекул , то есть можно записать, что средняя кинетическая энергия молекулы

   

где k — постоянная величина, названная постоянной Больцмана.

 И раз температура связана с движением молекул, очевидно появление шкалы Кельвина, где 0°К — температура «покоя» молекул.  Естественно, что ниже температуры быть не может.

Получается, что   

р ∼  Т ∼  v²

 

 

Изопроцессы→