Основные положения МКТ. Идеальный газ. Основное уравнение МКТ. Масса и размер молекул. Количество вещества.

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

Все тела состоят из частиц (атомов, молекул, ионов и др.);

Частицы непрерывно хаотически движутся;

Частицы взаимодействуют друг с другом.

Первое положение подтверждают испарение жидкостей и твердых тел, получение фотографий отдельных крупных молекул и групп атомов, косвенные измерения масс и размеров молекул.

Относительной молекулярной (или атомной) массой вещества М_r называют отношение массы молекулы (или атома) m₀ данного вещества к 1/12 массы атома углерода Относительные атомные массы всех химических элементов точно определены. Складывая относительные атомные массы, можно вычислить относительную молекулярную массу:

Чем больше атомов и молекул содержится в макроскопическом теле, тем больше вещества содержится в нем. Число молекул в макроскопических телах огромно, поэтому удобно указывать не абсолютное число атомов или молекул, а относительное. Принято сравнивать число молекул или атомов в данном теле с числом атомов, содержащихся в углероде массой 12 г. Относительное число атомов или молекул в теле характеризует особая физическая величина - количество вещества.

Количеством вещества v называют отношение числа молекул N в данном теле, к числу атомов в 0,012 кг углерода:

Количество вещества измеряется в молях.

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде массой 0,012 кг.

Моль - основная единица Международной системы (СИ). Рекомендуемые кратные и дольные единицы: кмоль, ммоль, мкмоль.

Постоянная Авогадро - число атомов, молекул (структурных элементов) в одном Моле вещества:
N_A= 6,02 • 10²³ моль^-1 ~ 6 • 10²³ моль^-1.

Наряду с относительной молекулярной массой М_r в физике и химии широко используется понятие "молярная масса". Молярной массой вещества называют массу вещества, взятого в количестве 1 моля, m - масса вещества.

Второе положение МКТ о непрерывном движении частиц подтверждают такие явления, как броуновское движение и диффузия.

Броуновское движение - беспорядочное движение малых частиц в жидкости или газе, происходящее под действием молекул окружающей среды. Это движение в 1827 г. впервые наблюдал английский ботаник Р. Броун, рассматривая в микроскоп взвешенные в воде споры плауна. Интенсивность броуновского движения не зависит от времени, но возрастает с ростом температуры среды, с уменьшением вязкости и размеров частиц. Лишь в конце 70-х гг. XIX в. причину броуновского движения стали связывать с ударами молекул жидкости о поверхность взвешенной в ней частицы. Если бы частица была большой, то молекулы равномерно толкали бы ее со всех сторон, и она оставалась бы на месте. Но небольшая частица имеет маленькую поверхность, и толчки молекул не уравновешивают друг друга. Равнодействующая сил не равна нулю, и в течение времени меняется по величине и направлению. В результате частица блуждает случайным образом по жидкости: Причина броуновского движения - тепловое движение молекул среды и отсутствие точной компенсации ударов, испытываемых частицей со стороны окружающих ее молекул. Удары молекул среды приводят частицу в беспорядочное движение: скорость ее меняется по величине и направлению.

Диффузия имеет место в газах, жидкостях и твердых телах. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее - в жидкостях, еще медленнее - в твердых телах. Скорость диффузии определяется характером теплового движения частиц в этих средах.

Подтверждением третьего положения МКТ о взаимодействии частиц является возникновение упругих сил при деформациях тел, существование различных агрегатных состояний (твердого, жидкого, газообразного) одного и того же вещества.

Масса и размеры молекул.
Размер молекул является величиной условной. Его оценивают следующим образом. Между молекулами наряду с силами притяжения действуют и силы отталкивания, поэтому молекулы могут сближаться лишь до некоторого расстояния. Расстояние предельного сближения центров молекул называют эффективным диаметром молекулы. (При этом условно считают, что молекулы имеют сферическую форму.)
С помощью многочисленных методов определения масс и размеров молекул установлено, что за исключением молекул органических веществ, содержащих очень большое число атомов, большинство молекул по порядку величины имеют диаметр 1• 10 - 10 м и массу 1• 10 - 26 кг.
Относительная молекулярная масса.
Относительной молекулярной (или атомной) массой Мr (или Аr) называют величину, равную отношению массы молекулы (или атома) mо этого вещества к 1/12 массы атома углерода mоС
Относительная молекулярная (атомная) масса является величиной, не имеющей размерности.
Количество вещества. Молярная масса. Масса молекулы.
Количеством вещества ν называют величину, равную отношению числа молекул (или атомов) N в данном теле к числу атомов NA в 0,012 кг углерода, т.е. ν = N/ NA (NA - число Авогадро).
Молярной массой М какого-либо вещества называют массу 1 моль этого вещества

Идеальный газ - система большого числа частиц не взаимодействующих с собой на расстоянии и размеры которых пренебрежимо равны. Частицы взаимодействуют с собой только в результате столкновения. n=

n= KT, pV=NKT, N= V.

 

, где k является постоянной Больцмана (отношение универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро N_A), i — число степеней свободы молекул ( в большинстве задач про идеальные газы, где молекулы предполагаются сферами малого радиуса, физическим аналогом которых могут служить инертные газы), а T - абсолютная температура.Основное уравнение МКТ связывает макроскопические параметры (давление, объём, температура) газовой системы с микроскопическими (масса молекул, средняя скорость их движения).

 

19. Термодинамическая система. Макропараметры системы. Процесс. Виды процессов.

Термодинамическая система — это некая физическая система, состоящая из большого количества частиц, способная обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Также обычно полагается, что такая система подчиняется статистическим закономерностям. Для термодинамических систем справедливы законы термодинамики.Термодинамические системы подразделяются на однородные по составу (например, газ в сосуде) и неоднородные (вода и пар или смесь газов в сосуде).

Выделяют также изолированные системы, то есть системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом, и закрытые системы, которые обмениваются со средой только энергией, но не обмениваются веществом. Если же в системе происходят обменные процессы с окружающей средой, то её называют открытой.

Макропараметры — это параметры, характеризующие систему в целом. Например, объем V, давление p, средняя скорость молекул , температура T, концентрация n и т.д. Значения этих параметров могут быть установлены с помощью измерительных приборов.

Объем газа V — это объем сосуда, в котором газ находится. В Си измеряется в м³. Часто используется несистемная единица измерения 1 литр: 1 л = 10^-3 м³.

Давление р — скалярная физическая величина, равная отношению силы F к значению площади S площадки, на которую эта сила действует: . Газ оказывает давление вследствие столкновений молекул со стенками сосуда. В Си единица давления 1 Н/м² = 1 Па (Паскаль). Внесистемные единицы измерения — 1 мм.рт.ст и 1 атмосфера. Нормальное давление равно одной физической атмосфере. 1 физическая атмосфера = 1 атм = 760 мм.рт.ст, 1 техническая атмосфера = 1 ат = 736 мм.рт.ст. 1 мм.рт.ст. = 133Па.

Более строгое определение давления: давление р — скалярная физическая величина, равная отношению проекции силы на направление нормали к площадке, на которую сила действует, к значению площади этой площади.

Концентрация молекул n — это число молекул N в единице объема, т.е. . Измеряется в 1/м³ = м^–3.

Температура — скалярная физическая величина, характеризующий степень нагретости тела.

По шкале Цельсия температура обозначается буквой t, измеряется в градусах Цельсия (ºС). За 1 ºС принята одна сотая промежутка от температуры плавления льда (0 ºС) до температуры кипения воды (100 ºС).

Абсолютная температурная шкала — шкала температур, в которой за начало отсчета принят абсолютный нуль. Температура здесь обозначается буквой T, измеряется в кельвинах (К). За единицу измерения в этой шкале принят один градус Цельсия, т.е. изменение на один кельвин (1 К) равно изменению на один градус Цельсия.

T = (t + 273) К или t = (T – 273) ºС,

где T — абсолютная термодинамическая температура (К); t — температура по шкале Цельсия (ºС).

В термодинамике часто встречаются следующие квазистатические процессы:

Изохорный процесс — процесс, происходящий при постоянном объеме;

Изобарный процесс — процесс, происходящий при постоянном давлении;

Изотермический процесс — процесс, в котором температура остается постоянной;

Адиабатический процесс — процесс, который совершается без подвода или отвода тепла;

Как и все квазистатические процессы, указанные изменения можно графически изобразить непрерывными линиями, названия которых практически соответствуют названиям самих описываемых процессов — изобарой, изохорой и изотермой.