Молекулярна фізика. Основні положення молекулярно-кінетичної теорії

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії (МКТ)

Молекулярна фізика – це розділ фізики, який розглядає властивості тіл як сумарний результат руху та взаємодії величезної кількості молекул, з яких складаються ці тіла. Основою молекулярної фізики є молекулярнокінетична теорія.

Лише в XVII столітті І. Ньютон зробив спробу пояснити розширення газів на основі передбачення, що молекули намагаються заповнити простір. В XVIIІ столітті прихильником і пропагандистом молекулярно-кінетичної теорії був М. Ломоносов. Основні положення цієї теорії, сформульовані Ломоносовим , не зазнали суттєвих змін і до нашого часу. Перші уявлення про молекулярну будову речовини зародилися в глибоку давнину. Уже більше двох тисяч років тому давньогрецькі філософи передбачали що все в світі складається з дуже маленьких неподільних частинок – атомів. Грецький вчений Демокрит (460-370 рр. до н.е.) писав: «Все складається з атомів речі розрізняються атомами, з яких складаються, їх порядком і положенням». Уявлення стародавніх атомістів про дискретну будову речовини були лише здогадкою. В середні віки послідовники атомістичного вчення переслідувалися інквізицією і владою, бо було глибоко матеріалістичним. У Франції в 1026 році вищій суд заборонив спеціальним декретом розповсюдження атомістичного учення під страхом смертної втрати.

Основні положення МКТ речовини: 1. Будь-які речовини мають дискретну (переривчасту) будову. Вони складаються з найдрібніших частинок молекул і атомів. 2. Молекули знаходяться в стані неперервного хаотичного (невпорядкованого) руху, що називається тепловим і у загальному випадку є сукупністю поступального, обертального і коливального рухів. 3. Молекули взаємодіють одна з одною із силами електромагнітної природи, причому на великих відстанях вони притягуються, а на малих - відштовхуються. Сили притягання і відштовхування між молекулами діють постійно. Ця взаємодія залежить від типу молекул і відстані між ними. Залежно від характеру руху і взаємодії молекул розрізняють три стани речовини: твердий, рідкий, газоподібний (плазма).

Агрегатні стани речовини. Речовина залежно від термодинамічних параметрів — тиску, об’єму і температури — може перебувати в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому та газоподібному. Крім того, речовина за певних умов може бути в стані плазми. Зміна фазового стану – фазовий перехід. Газоподібний агрегатний стан. Частинки здійснюють безперервний, хаотичний, так званий тепловий, поступальний рух. Між частинками існують слабкі сили взаємодії, в деяких випадках ними можна нехтувати. В газоподібному стані відсутній будь-який порядок у взаємному розміщенні частинок. Рідкий агрегатний стан. Це проміжний стан між газами і твердими тілами. Частинки здійснюють коливний рух навколо рівноважних положень на проміжку деякого часу, а потім переміщуються (перескакують) на нове рівноважне положення. Між частинками рідини існують сильні сили взаємодії. В рідинах присутній близький порядок, тобто порядок у розміщенні частинок сусідів, які оточують дану виділену частинку. Твердий або кристалічний агрегатний стан. Частинки здійснюють в основному коливний рух навколо рівноважних положень (вузлів кристалічної гратки). Між частинками існують дуже сильні сили взаємодії.Існує як близький, так і далекий порядок (частинки, атоми, молекули знаходяться у чітко визначених місцях – вузлах кристалічної гратки).

Плазма — частково або повністю іонізований газ. Вона складається з йонів, електронів та молекул (атомів). Плазма — найпоширеніший стан речовини в природі. Сонце і зірки — це гігантські згустки плазми. Вона також існує в космосі у вигляді так званого сонячного вітру та утворює іоносферу Землі тощо. Процесами в навколоземній плазмі зумовлені магнітні бурі та полярне сяйво. З нею ми часто зустрічаємося і в повсякденному житті. Полум’я багаття, сірника, світні стовпи газу в медичних «кварцевих лампах» — все це також приклади плазми.

Кожне твердження суворо доведено за допомогою дослідів. Реальне існування молекул підтверджується величезним числом експериментальних фактів. До них можна віднести можливість механічного дроблення речовини, розчин речовин в воді та інших розчинниках, стискання і розширення газів. Але до більше переконливих фактів належать броунівський рух та дифузія.

Броунівський рух Броунівський рух – це рух найдрібніших частинок твердої речовини під ударами молекул рідини чи газу, у яких ці частинки знаходяться. Броунівський рух — тепловий рух частинок, завислих у рідині або газі. Уперше цей рух було відкрито у 1827 р. під час спостереження спор плавуна у воді. Пізніше Броун спостерігав такий самий хаотичний рух дрібних частинок інших речовин, однак пояснити цього явища він не зміг. Вивченням броунівського руху займалося багато вчених і нарешті було встановлено, що рух завислих частинок, який спостерігався у полі зору оптичного мікроскопа, здійснюється внаслідок руху молекул рідини. Молекули передають частинкам імпульс, а отже, чинять на них тиск. Головною причиною броунівського руху є нескомпенсованість сил, з якими молекули діють на завислу частинку. Якщо тиск з усіх боків на броунівську частинку однаковий, то вона не здійснює хаотичного руху. Його інтенсивність тим більша, чим вища температура і менша в’язкість рідини та маса завислих частинок незалежно від їх природи.1905 року Ейнштейн розробив кількісну теорію броунівського руху.

Дифузія. Дифузія (від лат. diffusio — розливання) — процес взаємного проникнення молекул або атомів однієї речовини у проміжки поміж молекулами або атомами іншої, що зазвичай зумовлює вирівнювання їх концентрацій в усьому займаному об’ємі. Причиною дифузії є тепловий рух молекул і наявність проміжків між ними. Явище дифузії відбувається в рідинах, твердих тілах і газах. Наприклад, у газах — це швидке поширення пахощів навіть у спокійному повітрі: аромат парфумів за кілька хвилин поширюється по всій кімнаті; у рідинах — перемішування, наприклад, води і чорнила, води і розчину мідного купоросу. Дифундують і молекули (атоми) твердих тіл, але за низьких температур це відбувається досить повільно. У рідинах дифузія протікає значно повільніше, ніж у газах, але швидше, ніж у твердих тілах, що пояснюється відмінністю характеру теплового руху атомів і молекул.Із підвищенням температури тривалість процесу дифузії зростає внаслідок збільшення швидкості руху частинок. Значна роль дифузії й у живленні організмів тварин і людини. Через стінки шлунка і кишок організм «всмоктує» лише ті розчинені в страві речовини, які потрібні для побудови його клітин. Прикладом дифузії є насичення крові киснем і відведення шкідливих речовин (це явище отримало назву осмосу). Дифузію, що здійснюється через напівпроникні перетинки, називають осмосом. Завдяки процесу дифузії відбувається соління огірків. Підтримання однорідного складу атмосферного повітря поблизу поверхні Землі, змішування різнорідних рідин, процес розчинення твердих тіл, зварювання металів як шляхом їх плавлення, так і внаслідок стиснення пояснюються явищем дифузії. Подібні явища доводять істинність основних положень МКТ