Tema 1. Bazele teoriei moleculare-cinetice
1. Toate substanțele constau din cele mai mici particule, numite molecule. În prezent, știm că moleculele nu sunt cele mai mici particule indivizibile ale materiei, ci ele constau din particule de material chiar mai mici - atomi care, la rândul lor, constau din protoni, electroni. Cu toate acestea, teoria clasică moleculară cinetică, pe care o vom urma, nu problema structurii atomilor, considerându-le simplist ca particule solide de formă sferică. știm din chimie că moleculele sunt monohidroxilici și polihidroxilici, astfel încât, în viitor, vom folosi conceptul mai general - molecula este cea mai mică particulă de materie. Elevii ar trebui să înțeleagă astfel de concepte ca masa moleculară relativă (sau atomică) a substanței Mott; masa molară a substanței M. Numărul Avogadro NA și relația dintre acestea.
2. Între moleculele de materie acționează simultan forțele de atracție reciprocă și forța repulsiei reciproce. Aceste forțe se datorează acțiunii particulelor încărcate electric, electronilor și nucleelor care alcătuiesc molecula. Aceste forțe sunt de scurtă durată. În acest caz, forțele repulsive scad cu creșterea distanței dintre molecule mai repede decât forțele de atracție. Numai în această condiție, moleculele pot fi în echilibru stabil la o anumită distanță de echilibru una de alta (la care forțele atractive sunt egale cu forțele respingătoare). Dacă distanța de echilibru dintre molecule este de aproximativ 3 × 10 -8 cm (ordinea medie a diametrului moleculelor), atunci prevalează forțe repulsive și cu forțe atractive. La o distanță de forțe intermoleculare, practic, nu mai deystvovat.Uchaschimsya recomandat să atragă în caietele lor Figura 1 și a pus pe datele numerice axa r dat de o scară uniformă confortabil.
3. Moleculele sunt într-o stare de mișcare continuă. Intensitatea mișcării termice haotice a moleculelor este determinată de temperatură. Dacă aducem corpuri de contact cu temperaturi diferite, corpurile intră într-o stare de echilibru termic, la care temperatura corpurilor va fi aceeași.
Atunci când temperatura corpului se schimbă, se schimbă și alte caracteristici fizice (de exemplu volumul). Prin schimbări cantitative în aceste caracteristici, se poate evalua modificarea temperaturii corpului și se pot stabili unitățile de temperatură și scala de temperatură. Organismul, prin schimbarea oricăror caracteristici fizice ale căror este posibil să determine temperatura de echilibru (atunci când vine în contact cu un alt corp) se numește termometru.
Un exemplu. Cel mai simplu și cel mai comun termometru este un lichid (mercur sau alcool), a cărui temperatură de echilibru este în contact termic cu un alt corp este determinată de înălțimea coloanei lichidului prezent în tubul de sticlă capilar cu o extensie la capătul inferior; cu o schimbare a temperaturii de echilibru, volumul se modifică și, în consecință, înălțimea coloanei lichide.
Cea mai comună scară de temperatură este scara Celsius. pentru punctele principale ale căror poziții ale nivelurilor superioare ale coloanei lichide sunt luate atunci când termometrul este în contact termic:- 1) cu gheață topită;
- 2) cu abur de apă fierbinte (la presiune atmosferică normală).
Distanțele dintre aceste niveluri sunt împărțite în 100 de părți egale; 0,01 din această distanță este luată ca un grad al scalei de temperatură Celsius (1 o C), care corespunde, de asemenea, unui Kelvin (1 K).
Cum mișcarea termică a atomilor din solide diferă de mișcarea termică a atomilor și a moleculelor în gaze și lichide? În gaze, distanța dintre molecule este în medie de multe ori mai mare decât dimensiunile moleculelor. Moleculele cu viteze uriașe - sute de metri pe secundă - se mișcă în spațiu. Cu fața în față, ei se răsucesc unul de altul în direcții diferite, cum ar fi bilele de biliard. Forțele slabe de atracție nu le pot menține unul lângă celălalt. Vitezele moleculare sunt repartizate aleatoriu în magnitudine și în direcție.
Structura lichidului diferă semnificativ de structura gazului. Într-un lichid, moleculele sunt în permanență în imediata apropiere unul de altul, dar într-o stare de mișcare haotică continuă. Din acest motiv, ele nu se pot mișca la fel de liber ca moleculele de gaze. Fiecare "trece" tot timpul aproape într-un loc înconjurat de aceiași vecini (aproape de poziția de echilibru) și se mișcă treptat numai de-a lungul volumului ocupat de lichid. Cu cât este mai mare vâscozitatea lichidului, cu atât mișcarea este mai lentă. Dar chiar și în astfel de lichide „mobile“, cum ar fi molecula de apa este deplasată pe o distanță de 3 mm × 10 -7 pentru timpul necesar pentru o cale de molecule de gaz 7 × 10 -5 mm.
Forțele de interacțiune dintre molecule cu mișcarea lor termică în substanțe solide sunt îndreptate cu fermitate. Într-o substanță solidă, moleculele practic sunt tot timpul într-o poziție neschimbată (poziție de echilibru). Mișcarea termică afectează numai faptul că moleculele (atomii) oscilează continuu în jurul pozițiilor de echilibru cu o amplitudine foarte mică. Absența mișcărilor sistematice ale moleculelor este motivul pentru ceea ce numim duritate.
Ecuația de bază a teoriei moleculare-cinetice
O explicație calitativă a proprietăților de bază ale unei substanțe pe baza teoriei moleculare-cinetice nu este deosebit de dificilă. Cu toate acestea, teoria care stabilește relațiile cantitative între cantitățile măsurate prin experiment (presiune, temperatură etc.) și proprietățile moleculelor, numărul lor și viteza de mișcare, este foarte complicată. Ne limităm la o cunoaștere a teoriei gazelor suficient de rarefiate.
Perfect gaz. Într-un gaz rarefiat, distanța dintre molecule este de multe ori mai mare decât dimensiunile lor. În acest caz, interacțiunea dintre molecule este neglijabilă și energia cinetică a moleculelor este mult mai mare decât energia potențială a interacțiunii dintre ele. Moleculele de gaz pot fi considerate bile solide foarte mici. În loc de gaz real. între moleculele cărora acționează forțe de interacțiune complexe, vom lua în considerare modelul său fizic, numit gazul ideal. Gazul ideal este un gaz, forțele de atracție dintre molecule sunt neglijabil mici. Forțele de repulsie dintre molecule se manifestă numai în momentul coliziunilor acestora și când se ciocnesc cu pereții vasului. În acest caz, astfel de coliziuni pot fi considerate drept coliziuni de bile elastice între ele și peretele vasului.
Să procedăm la derivarea ecuației de bază a teoriei moleculare-cinetice a gazelor. Derivarea riguroasă a ecuației este destul de complicată. Prin urmare, ne limităm la o derivare simplificată a ecuației, ceea ce duce la rezultatul corect.
Derivarea ecuației de bază a teoriei moleculare-cinetice. Să calculăm presiunea gazului pe peretele vasului cu suprafața S perpendiculară pe axa X de coordonate (figura 2). Fiecare moleculă este în masă, zburând până la peretele vasului la o viteză a cărei proiecție pe axa X este egală cu proiecția impulsului pe axa X. Coborând elastic de pe perete la o viteză a cărei proiecție pe axa X este egală, molecula primește un impuls al cărui proiecție pe axa X este egală. Prin urmare, ca urmare a coliziunii cu peretele, proiecția momentului moleculei pe axa X se modifică de la.
Schimbarea momentului moleculei arată că o forță îndreptată de pe perete acționează asupra ei într-o coliziune cu peretele. Schimbarea momentului momentului este egală cu impulsul forței. Având în vedere faptul că ciocnirea unei molecule cu un perete este elastică, adică,
În timpul coliziunii, molecula acționează pe perete cu o forță egală cu cea de-a treia lege newtoniană, modulo și orientată opus.
Există o mulțime de molecule de gaz și impactul lor asupra peretelui se urmează reciproc la o frecvență foarte înaltă. Valoarea medie a sumei geometrice a forțelor care acționează asupra părții moleculelor individuale când se ciocnesc cu peretele vasului este, de asemenea, forța presiunii gazului. Presiunea gazului este egală cu raportul dintre modulul forței de presiune medie și suprafața peretelui S.
După cum am explicat deja, fiecare moleculă în timpul coliziunii transmite un impuls peretelui. Deoarece există multe molecule, într-o secundă vor da un impuls peretelui, unde Z este numărul de coliziuni ale tuturor moleculelor cu peretele pe secundă. Numărul de Z. este evident direct proporțional cu concentrația de molecule, cu proiecția vitezei moleculelor pe axa X și cu suprafața peretelui vasului S. Asta este. De asemenea, ar trebui să se țină cont de faptul că, în medie, numai jumătate din toate moleculele se deplasează în perete, cealaltă jumătate se mișcă în direcția opusă. Prin urmare, impulsul total transferat pe perete în 1 s. este egal cu:
Conform celei de-a doua legi a lui Newton, schimbarea momentului oricărui corp pe unitate de timp este egală cu forța care acționează asupra lui, deci
Noi luăm în considerare faptul că nu toate moleculele au aceeași proiecție a vitezei pe axa X. De fapt, media pentru a doua forță care acționează pe perete nu este proporțională, iar piața medie a proiecției vitezei pe axa X.. Deoarece într-o stare de echilibru termic
Astfel, presiunea gazului pe peretele vasului este egală cu
Trimiteți-le prietenilor: