Д.В. Сивухин - Общий курс физики, Т2. Термодинамика и молекулярная физика (1106322), страница 45
Текст из файла (страница 45)
3. В физике строго научное развитие молекулярной теории началось примерно со второй половины Х1Х нека. главным образом благодаря трудам Клаузиуса, Максвелла (1831 †18)) и Больцмана (1844— 1906), в которых были заложены основы кинетической теории голоа. О внутреннем строении атомов и молекул, а также о силах, с которыми они взаимодействуют между собой. в то время ничего не было известно. Основоположники кинетической теории газов пользовались упрощенными. идеализированными моделями этих частиц. Молекулы и атомы они рассматривали как идеально твердые шарики или как Вряд ли возможно обьяснить эти закономерности. не пользуясь представлением об атомах вещества. Обьяснение, данное английским химиком Дальтоном (1766 — 1844).
состоит в том. что в химических реакциях атомы различных веществ соединяются друг с другом в более сложные образования — молекулы. причем все молекулы химически чистого вещества построены совершенно одинаково. На вопрос о числе атомов в молекулах различных химических соединений удалось удовлетворительно ответить на основе эмпирически найденного закона Гей-~!юссака и предложенной для его объяснения гипотезы, получившей позднее название закона Авогадро. Согласно закону !'ей- 1!юссака объемы газов (при одинаковых даолениях и температурах), оступакги1ие о химические реакции друг с другом, а такоюе обгемы получающихся химических соединений, о газообразном состоянии !при тех тсе даолтшлх и температурах) относягпся меоюду собой как целые и припюм неболыиие числа.
Для обьяснения этого закона Авогадро выдвинул гипотезу. по которой равные обвемы раэли тих газов при одинаковых давлениях и гпемперагпурах содерэюат одно и то тсе число молекул. На этой гипотезе основаны в химии методы определения опшосителыеых атомных и молекулярных масс. Ее строгое доказательство позднее было дано в кинетической теории газов. Значение атомно-молекулярной гипотезы в химии трудно переоценить.
Без нее был бы невозможен быстрый прогресс этой науки в Х1Х иске. з 58! Введение материальные точки. взаимодействующие друг с другом центральными силами. Успехи теории были связаны не с этими идеализированными моделями, имеющими ограниченную область применимости, а с тем, что теория строилась на основе общих принципов механики Ньютона: законах сохранения импульса и энергии, оправдавших себя не только для макроскопических тел, но и для макроскопических объектов, подчиняюгг!ихся квантовой механикс. П!ирако использовались математические методы, в частности методы математической теории аероятмости.
Существенно также. что теория развивалась под постоянным контролем опыта. Такая теория выгодно отличалась от наивных умозрительных построений предпгествовавших атомистов. 4. До ХХ столетия на атомы смотрели как на мельчайшие неделимые частицы вещества. Это представление оказалось неверным. Атом является сложной системой, состоящей из ядра и окружающей его электронной оболочки.
Атомизм проявляется не в том, что атомы неделимы, а в том. что все атомы, равно квк н все простейшие (так называемые элементарные) частицы рассматриваемого вида, абсояюлпго тоэюдестеепиы и характеризуются апояпгс опредеясшгыми приэггапами — .иасгой, зарядом ядра, иэлдчаелгым спгэчпром и пр, 1!одобной тождественности в области макромира не существует в макромире нет двух абсолютно одинаковых тел.
Атомизм проявляется также в том, что внутренние состояния атомов не непрерывны, а дискретпы. Энергия атома,, например, может прггниыать не непрерывный, в лишь дискретный ряд значений. Дискретные значения энергии атома называются его эпсреетическиэги рроаггями. Обычно атом находится в так называемом ггормольном сосвюяпии, в котором его энергия минимальна.
1[ля того чтобы перевести атом в ближайшее еоэбрэюдеюгое состолпие, требуется внешнее воздействие и затрата энергии. Если этой энергии недостаточно, то после прекращения воздействия внутреннее состояние атома окажется в точности таким же, каким оно было до воздействия, /(искретггость возможных состояний атомных систем и является той физической. хотя ранее и не осознававшейся причиной, которая позволила химикам прийти к представлению о неделимости атомов и дала возможность физикам в кинетической теории газов рассматривать атомы и молекулы квк неизменяемые материальные точки или идеально твердые шарики.
Однако при увеличении энергии внешних воздействий, например при повышении температуры газа. такие представления становятся недействительными. Так.при температурах порядка 1000 — 3000 К молекулы начинают диссоциирооать, т.е. распадаться на атомы. !!ри температурах порядка 10 000 К и вылив начинается иоггякгаг!ия, т. е. распад атомов на ионы и электроны. 11ри температурах порядка десятков и сотен миллионов кельвннов начинаются гпсрмоядерггые реакции, т. с.
проггессы слияния и распада атомных ядер. Мы широко будем пользоваться классическими моделями кинетической теории газов. Однако при этом необходимо иметь в виду границы применимости таких моделей. 186 Молекулярно-япветическия творил вен!ее~ива )Гл. Ч В 50. Давление газа с точки зрения молекулярно- кинетической теории 1. Молекулы взаимодействуют друг с другом посредством молекулярных сил. На далеких расстояниях это силы притяжения, убывающие с увеличением расстояния.
на близких — силы отталкивания, быстро возрастающие при сближении молекул. Расстояние между центрами сблизившихся молекул, на котором силы притяжения переходят в силы отталкивания, принимается за диаметр молекулы. В газах прн нормальных условиях средине расстояния между молекулами еп1е велики по сравнению с их диаметрами. На таких расстояниях молекулярные силы очень слабы и не играют существенной роли.
Молекулярные силы проявляются лишь на близких расстояниях порядка диаметров молекул. Под действием этих сил скорости сблизившихся молекул претерпевают значительные изменения как по модулю, так и по направлению. Взаимодействия молекул на близких расстояниях называют столкновениями. Между двумя последовательными столкновениями молекула газа движется практически свободно. т.г.
прямолинейно и равномерно. Нри каждом столкновении молекула газа почти мгновенно меняет направление своего движения, а затем движется с новой скоростью опять прямолинейно и равномерно. пока не произойдет следу.ющее столкновение. Если газ в целом находится в покое (например, заключен в закрытом сосуде). то в результате столкновений устанавливается хаотическое движение. в котором все направления движения молектл равновероятны.
Оно называется шеплооы.н доиэюеяиеаь Чем более разрежен газ. тем длинее средний путь, проходимый молекулой между двумя носледовательнымн столкновениями.,г!ля достаточно разряженного газа. заключенного в сосуд, можно в первом приближонни пренебречь размерами молекул и столкновениями нх друг с другом. Надо учесть только столкновения молекул со стенками сосуда. в который газ заключен. В этом приближении молекулы газа могут рассматриваться как материальные точки. не взаимодействунь щие между собой и движущиеся прямолинейно и равномерно между каждыми двумя последовательными столкновениями со стенками сосуда. Такая простейшая модель приводит к законам идеальных газов. Чтобы показать это, надо выяснить молекулярный смысл давления, температуры и внутренней энергии газа.
2.,Г)авление газа на стенку сосуда есть резулы:ат ударов молекул газа об эту стенку. Нри каждом ударе молекула газа действует на стенку с определенной (с макроскопической точки зрения бесконечно малой) силой. Обратно направленная сила, с которой действует на молекулу стенка сосуда, заставляет молекулу отражаться от стенки. Если бы в сосуде содержалось всего несколько молекул, то нх удары следовали бы друг за другом редко и беспорядочно и нельзя было бы говорить ни о какой регулярной силе давления, действующей нв стенку. Мы имели бы дело с отдельными практически мгновенными бесконечно малыми толчками, которым время от времени подвергалась бы стенка.
Если же З 59 ~ Даазление гааа е то зни зрения молекулярно-кинепнинеекой теории 187 число молекул в сосуде очень велико, то будет велико и число ударов их о стенку сосуда. Удары станут следовать непрерывно друг за другом. Одновременно о стенку сосуда будет ударяться громадное количество азолекул. Бесконечно малые силы отдельных ударов складываются в конечную и почти постоянную силу, действующую на стенку.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
