17

Лекция #6. Элементы кинетической теории газов

Молекулярная физика представляет собой раздел физики, изучающий строение и свойства вещества, беспорядочное движение большого числа молекул, то есть изучает основные законы теплового движения материи. Существует два подхода к изучению макроскопических систем: статистический и термодинамический.

Термодинамика занимается изучением различных свойств тел и изменений состояния вещества без учета микроскопической картины. В основе термодинамики лежат несколько фундаментальных законов (начал), установленных на основании обобщения большой совокупности опытных данных.

Цель молекулярно-кинетической теории – истолковать свойства тел как результат взаимодействия молекул, используя статистические методы, оперирующие средними величинами, характеризующими движение огромной совокупности частиц. Динамическое описание системы, содержащей большое число частиц, невозможно. Для изучения макросистем применяют статистические методы, использующие понятия и величины, относящиеся не к отдельным частицам, а к большим совокупностям частиц. Законы поведения совокупностей большого числа частиц, использующие статистические методы, называются статистическими закономерностями.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и основные характеристики молекул

1. Все материальные тела представляют собой огромную совокупность частиц (атомов и молекул).

Простейшие факты:

• Смешивание разных жидкостей, например, воды и спирта, показывает, что объём смеси меньше суммарного объёма, занимаемого двумя жидкостями до их смешивания. Это можно объяснить тем, что между молекулами жидкостей есть пустоты, и при смешивании жидкостей молекулы одной из них проникают в свободное пространство между молекулами другой жидкости.

• Расширение тел при нагревании и сжатие при охлаждении также можно объяснить тем, что вещества состоят из молекул, расположенных друг от друга на некотором расстоянии. При нагревании расстояния между молекулами увеличиваются, а при охлаждении уменьшаются.

2. Частицы (атомы и молекулы) взаимодействуют друг с другом.

Факты, подтверждающие это положение:

• Существование различных агрегатных состояний вещества: из-за разного

взаимодействия молекул проявляются различные свойства агрегатных состояний:

газ	не имеет собственной формы и объема
жидкость	не имеет собственной формы, но имеет собственный объём
твердое тело	имеет собственную форму и объем

3. Частицы (атомы и молекулы) находятся в непрерывном и беспорядочном тепловом движении.

Некоторые факты:

• молекулы газа распространяются по всему объему сосуда;

• броуновское движение дисперсных частиц;

• диффузия веществ.

Молекула – это наименьшая частица вещества, сохраняющая все его химические свойства. Различают молекулу в физическом смысле (физическую молекулу) и химическую молекулу, выраженную формулой атомного состава. Молекулы не всех веществ можно рассматривать как физические, например, молекулы веществ с ионной связью (в частности, молекулу NaCl). Это важно, когда рассматриваются соударения молекул или их тепловое движение. Поэтому в формулировках молекулярно-кинетической теории чаще всего используют термин «частица».

Размеры молекул очень малы. Если представить молекулу в виде сферы, то ее радиус имеет порядок величины 10 ^{– 8} см = 10 ^{– 10} м = 1 Å. Молекулы состоят из атомов. Частицы, образующие атомы – электроны и ядра. Принято считать, что электрон имеет радиус порядка величины 10 ^{– 11} см = 10 ^{– 13} м, а ядра имеют радиусы примерно 10 ^{– 12} ÷ 10 ^{– 13} см = 10 ^{– 14} ÷10 ^–15 м.

Массы атомов и молекул

В качестве единичной атомной массы m_ат принимается 1/12 массы атома ядра изотопа углерода :

Относительная молекулярная масса, или относительная масса молекулы, есть отношение массы молекулы к единичной атомной массе:

Аналогично определяют и относительную атомную массу.

Абсолютные значения атомных масс по порядку величины заключаются в пределах 10 ^–25 ÷ 10 ^–27 кг, а относительные атомные массы в пределах 1÷10². Пределы относительных молекулярных масс m_r от 1 до 10⁵.

Количество вещества. Количество вещества характеризуется числом его структурных элементов. В СИ оно выражается в молях. Моль является основной единицей измерения, так же как метр и секунда.

Моль равен количеству вещества рассматриваемой системы, которое содержит столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода .

Понятие моля относится к числу структурных элементов вещества. Поэтому нужно говорить: «моль молекул», «моль атомов», «моль электронов» и т.п.

Таким образом, моль любого вещества содержит одинаковое число структурных элементов. Это число называется постоянной Авогадро или числом Авогадро:

Отсюда следует:

Молярная масса – масса одного моля молекул вещества.

Её определяют через относительную массу молекулы:

Молярные массы некоторых веществ

Вещество	Н2	О2	Н2О	N2	Ar	He	Сухой воздух
, кг/моль	210-3	3210-3	1810-3	2810-3	4010-3	410-3	2910-3

Число молей молекул ν связано с числом молекул N некоторого вещества формулой:

, где - масса вещества.