Концепция тепла

Ещё в XIX веке теория тепла широко использовалась для интерпретации многих явлений. Она предположила, что нагрев и охлаждение тела связано с потоком специальной жидкости. Интересно то, что эта концепция сегодня считается неверной (поскольку жидкие элементы не были идентифицированы, и всё это можно объяснить более логично и последовательно благодаря теории кинетической), но для многих явлений она оказалась основной.

Сегодня все явления термодинамики переводятся на основе кинетическо-молекулярной теории. Её большое преимущество заключается в том, что она объединяет физику и химию в одно целое.

Кинетическая молекулярная теория тепловых явлений объясняется движением молекул. Передача энергии связана со взаимными столкновениями этих частиц. Чем быстрее двигаются молекулы/атомы этого тела, тем выше температура объекта. При абсолютном нулевом показателе частицы вообще не двигаются. Температура прямо пропорциональна средней КЭЧ тела.

Горячие объекты состоят из энергетически движущихся молекул. Холодные тела имеют более «ленивые» молекулы. Конечно, с увеличением скорости увеличивается и кинетическая энергия частиц.

Важной концепцией, тесно связанной с температурой, является внутренняя энергия. Основное различие между этими понятиями связано с тем, что ВЭ растёт с увеличением количества вещества. Температура определяется в небольшом пространстве, содержащем частицы. Она не зависит от количества молекул.

Кинетическая теория газа

КТ газа (также называемая КМТ) применяется к системе молекул, указанных в микроопределении идеального газа. Она позволяет сочетать кинематические величины, относящиеся к отдельным молекулам, с термодинамическими параметрами (давление или температура).

Основы теории:

• все тела состоят из частиц, размеры которых можно пропустить;
• частицы находятся в непрерывном движении;
• частицы взаимодействуют друг с другом посредством упругих столкновений, а между явлениями движутся в соответствии с правилами динамики Ньютона;
• полная энергия тела — это сумма кинетической энергии, потенциала и ВЭ этого тела.

Модель идеального газа представляет собой большое количество одинаковых упругих шариков пренебрежимо малых размеров, движущихся хаотично, используемых для описания свойств всех реальных газов, но довольно разреженных.

Среднее межмолекулярное расстояние в этом состоянии намного больше, чем диапазон сил взаимодействия. Теоретически этот перенос энергии потока тепла связан со взаимными столкновениями этих молекул. Чем быстрее движутся частицы рассматриваемой системы, тем выше температура тела. Это синдром многих молекул (материальных точек), движущихся хаотично. При столкновениях со стенками вектор скорости частиц изменяется.

В кубическом сосуде происходит постоянное неупорядоченное движение N равных молекул газа. Хаотическое перемещение молекул может быть заменено движением, при котором после 1 / 3N молекул движется перпендикулярно каждой паре параллельных стенок. Итак, для одной из этих горизонтально движущихся частиц столкновения со стенкой произошли через определённые промежутки времени:

τ = 2аvi

В процессе импульс частицы меняет знак, поэтому абсолютное значение изменения при каждом столкновении составляет Δp = mvi — (- mvi) = 2mvi, где m — масса частицы. Это изменение происходит под воздействием силы удара стенки на исследуемую молекулу, согласно второму принципу динамики:

дп = ф (т) дт

Молекула попадает в выбранную стену через определённые промежутки времени. Можно предположить, что она действует неизменно со временем средней силы, вызывающей в то же время одинаковое увеличение импульса:

Δp=τ Fi

Следовательно, средняя сила воздействия одной частицы на стенку сосуда:

Phi = Δpτ = mvi2a

Средняя сила воздействия молекул на эту стенку:

F = Nm3avśr2

где vśr2 — средний квадрат скорости молекул газа.

Давление, оказываемое газом на стенку куба, равно:

n = Fa2 = Nm3a3vśr2 = 13NmVvśr2

Обозначая плотность числового газа, n = N / V, получают основное уравнение теории газов МКТ:

n = 13 нм vśr2

если установить, что средняя единица КЭ молекул газа определяется зависимостью:

Eśr = 12mvśr2

При сравнении уравнения, определяющего давление в уравнении состояния идеального газа, получают:

Eśr = 32 кТ

Можно видеть, что температура является мерой средней кинетической энергии молекул газа. Энергия МГ зависит только от температуры. Это основной результат кинетической теории идеального газа.

Приведённые выше уравнения связывают параметры, описывающие состояние газа (p, V, T), с величинами, описывающими состояние его частиц (средняя энергия, средний квадрат скорости).

Для характеристики положения объекта в пространстве вводится число степеней свободы, то есть количество независимых координат, которые однозначно описывают положение объекта в пространстве.

Можно доказать, что каждая молярная степень имеет одинаковую среднюю кинетическую энергию:

Eśr = 12kT

Это так называемый принцип концентрации энергии, который гласит, что средняя энергия, относящаяся к каждой степени свободы, одинакова.

Отсюда следует, что средняя кинетическая энергия со степенями нормальной свободы выражается формулой:

Eśr = c2kT

Для молекулы идеального газа теория:

• одноатомная имеет три класса свободы, то есть c = 3 (положение точки в пространстве описывается тремя координатами);
• двухатомная имеет пять степеней свободы с = 5 (для определения положения одного атома требуются три координаты. Тогда другая может лежать на поверхности шара с радиусом, равным межатомному расстоянию. Следовательно, для его расположения требуется две дополнительные координаты);
• трёхатомная, то есть с = 6 (при условии, что атомы не лежат на одной прямой линии) имеет шесть степеней свободы (определение положения двух или трёх атомов требует пяти поступательных СС, тогда как третий атом может лежать на окружности, в которой ось симметрии — прямая, соединяющая первые два атома. Для её расположения требуется дополнительная координата);
• многоатомная, состоящая из трех и больше атомов, также имеет шесть степеней свободы, поскольку определение положения 3 в любом количестве жёстко связанных точек определяет положение всей системы.

Молекулярная структура вещества — это движение Броуна, то есть хаотическое движение молекул в газе (или жидкостях), вызванное столкновениями между молекулами.

Основное уравнение молекулярно кинетической теории:

p*V = n*R T = [m *R T]/μ

Основные положения МКТ

Молекулярно-кинетическая теория подтверждается многими явлениями. При смешивании различных жидкостей растворение твёрдых веществ происходит за счёт смешивания молекул разных видов. Объём смеси может отличаться от общего объёма компонентов, входящих в неё, что предполагает разные размеры молекулярных соединений.

Основные положения МКТ и их опытное обоснование:

• все тела в природе состоят из мельчайших частиц (атомов и молекул);
• частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, которое называется тепловым;
• элементы взаимодействуют друг с другом: между частицами возникают силы притяжения и отталкивания, которые зависят от расстояния между ними.

Активные процессы

Более интенсивная диффузия происходит в газах. Фактически это показывает, что молекулы находятся в постоянном случайном движении. Появление диффузии также указывает на наличие щелей между молекулами. Вещество считается дискретным.

Постулаты МКТ:

• тела состоят из частиц очень маленьких размеров;
• рассматривают молекулы как материальные точки;
• молекулы находятся в движении воспроизведения и косвенно взаимодействуют друг с другом.

Структура вещества в теории

Молекулы в твердом веществе колеблются вокруг положения равновесия. Кроме того, они:

• очень близки друг к другу, несжимаемы;
• имеют форму и объём;
• имеют высокую силу объема.

В жидкости расстояние между молекулами большое. Другие особенности:

• больший объём между молекулами;
• низкое влияние друг на друга;
• не имеют формы, но имеют объём;
• сильно сжаты.

Между молекулами газа очень большое расстояние. Помимо того, они:

• совершают хаотичные движения;
• упруго сталкиваются друг с другом (импульс и энергия сохраняются);
• между столкновениями движутся равномерно-прямолинейным движением.

Идеальный газ — тот, в котором нет взаимодействия между частицами. Каждый газ можно считать идеальным, если он находится при не очень низкой температуре и под очень высоким давлением. Чем выше показатель, тем больше удар.

Таким образом, кинетически-молекулярная теория является результатом применения принципов динамики и простых методов усреднения системы молекул, определённых в микроскопическом определении идеального газа.