1598082719-8919f39816a16b7b9e8153327d533cc4 (805677), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Теория строения вещества, базирующаяся на этом положении, называется молекулярно-кинетической. Ее основоположником является М. В. Ломоносов, который сформулировал основные положения этой теории и применил ее к объяснению различных явлений. Так, например, во времена Ломоносова считалось, что нагревание тел связано с передачей им особого невесомого вещества — теплорода. Ломоносов был противником этой точки зрения.
Он утверждал, что «теплота тел состоит во внутреннем их движении», т. е. в движении частиц этих тел. Высказывания М. В. Ломоносова о связи тепловых явлений с молекулярным движением были полностью признаны наукой лишь спустя !00 лет после работ великого естествоиспытателя. К середине Х1Х столетия благодаря работам многих выдающихся ученых (Д. Джоуля, 1». Клаузиуса, позднее Д.
К. Максвелла, Л. Больцмана и др.) молекулярно-кинетическая теория прочно утвердилась в науке. Это оказало огромное влияние на дальнейшее развитие физики и химии. Непосредственным опытным подтверждением справедливости молекулярно-кинетической теории служат: процесс диффузии, броуновское движение и многие другие явления. Молекулярно-кинетическая теория позволяет единым образом подойти к изучению разнообразных физических явлений, объясняющихся тем или иным характером движения молекул.
Например, она позволяет объяснить явление теплопроводности, физическую причину расширения твердых тел при их нагревании, вычислить давление газа на стенки сосуда и т. д. 2. В газах, жидкостях и твердых телах характер движения молекул различен. Это объясняется тем, что между молекуламк действуют силы притяжения и отталкивания. Мы остановимся иа этом вопросе 175— в гл. Х111, а сейчас заметим только, что чем меньше средние расстояния между молекулами, тем в большей степени сказываются силы их взаимодействия. В разреженных газах молекулы удалены друг от друга настолько, что силы взаимодействия между ними практически отсутствуют.
Молекулы газов движутся от столкновения до столкновения со стенками сосуда или между собой равномерно н прямолинейно. Это движение хаотично„т. е., в среднем, в каждом направлении в любой момент времени движется одинаковое число молекул. Характер теплового движения молекул в газе можно увидеть на модели А. Эйхенвальда. В плоском прозрачном сосуде помещено несколько десятков одинаковых шариков, изготовленных из слоновой кости. Если стенки сосуда заставить совершать колебания, то шарики будут хаетически двигаться, подобно молекулам газа. Эта же модель иллюстрирует броуновское движение.
Если поместить в сосуд, помимо мелких шариков, один шарик значительно большего размера, то беспорядочные удары со стороны малых шаров заставят егосовершать медленное хаотическое движение, подобное броуновскому. В твердых кристаллических телах силы взаимодействия между частицами очень велики н поэтому молекулы не могут удалиться друг от друга на очень большие расстояния. В результате совместного влияния сил притяжения и отталкивания частицы твердых тел (молекулы, атомы или ионы) совершают колебания около некоторых средних положений, называемых узлами кристаллической решетки.
Молекулярное движение в жидкостях наиболее сложно. В нем наблюдаются черты, присущие тепловому движению частиц как в газах, так и твердых телах. Каждая молекула в течение некоторого промежутка времени колеблется около определенного положения равновесия, которое само время от времени смещается на расстояние, соизмеримое с размерамн молекул. В результате молекулы внутри жидкости колеблются и медленно перемещаются.
Некоторое время они находятся около определенных мест, как бы в оседлом состоянии 3. В классической физике предполагают, что молекулы движутся в соответствии с законами ньютоновской механики. Однако число молекул в любом теле невероятно велико: прн обычных давлениях и температурах в каждом кубическом метре газа содержится порядка 10" молекул, а в жидких и твердых телах — порядка 10" молекул Поэтому практически невозможно даже написать систему дифференциальных уравнений движения такого множества молекул, так как для этого не хватило бы всей бумаги, имеющейся на земле. Тем более невозможно решить эту систему н найти вид траектории, а также закономерность движения по ней для каждой отдельной молекулы.
Именно потому и говорят, что местоположение и скорость каждой молекулы изменяются во времени случайным образом. Для изучения физических свойств макроскопнческих систем, состоящих нз очень большого числа частиц, используют два взаимно дополняющих друг друга метода — статистический и термодинамический. Статистический метод основан на законах теории вероятностей и мате- матнческой статистики. Дело в том, что в совокупном движении огромного числа частиц, координаты и скорости которых в любой момент времени случайны, проявляются определенные (статистические) закономерности. Например, в газе молекулы определенным образом распределены по скоростям и по энергиям их теплового движения, причем средние значения этих величин однозначно связаны с температурой газа.
Свойства макроскопической системы, в конечном счете, обусловлены свойствами частиц системы, особенностями их движения н средними значениями скоростей, энергий и других динамических характеристик этих частиц. Раздел теоретической физики, в котором научают физические свойства макроскопических систем с помощью статистического метода, называют статистической физикой.
4. Термодинамнческий метод состоит в изучении физических свойств макроскопическнх систем путем анализа условий и количественных соотношений для процессов превращения энергии в рассматриваемых системах. Соответствующий раздел теоретической физики называют термодинамикой. Термодинамика базируется на двух экспериментально установленных законах — первом и втором законах (иачалах) термодинамики, а также на принципе Нернста или третьем законе (начале) термодинамики, применение которого необходимо для решения сравнительно ограниченного числа задач.
С помощью законов термодинамики можно получить многие сведения о физических свойствах тел в различных условиях, не пользуясь при этом какими-либо конкретными представлениями о внутреннем строении исследуемых тел и характере движения образующих их частиц. Рассматриваемую макроскопическую систему в термодинамике называют термодинамической системой. В общем случае тела, образующие систему, могут обмениваться энергией как между собой, так и с внешними телами (внешней средой). 5.
Физические величины, служащие для характеристики состояния термодинамической систеМы, называют термодинамическнми параметрами, или параметрами состояния, системы. В качестве параметров состояния в термодинамике используют обьем, давление, температуру, концентрацию и другие величины. Давлением называют физическую величину р, численно равную силе, действующей на единицу площади поверхности тела по направлению нормали к этой поверхности: к~л и= — ", ИВ дㄠ— численное значение нормальной силы, действующей на малый участок поверхности тела площадью НЯ.
6. Значительно более сложным и менее наглядным является параметр состояния, называемый температурой. Прежде всего нужно подчеркнуть, что понятие температуры, строго говоря, имеет смысл только для равновесных состояний системы. Под равновесным состоянием (состоянием термодинамического равновесия) понимают такое состояние системы, которое не изменяется с течением времени, иричем — 177— это постоянство не связано с протеканием какого-либо процесса во внешней среде. Иначе говоря, равновесным называется состояние, в которое при неизменных внешних условиях в конце концов приходит система и дальше остается в этом состоянии сколь угодно долго.
Температура всех частей системы, находящейся в состоянии термодинамнческого равновесия, одинакова и тем больше, чем больше энергия системы. Прн соприкосновении двух тел передача энергии путем тепло- обмена происходит от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. С молекулярно-кинетической точки зрения температура равновесной системы характеризует интенсивность теплового движения атомов, молекул и других частиц, образующих систему. Например, для равновесной системы частиц, описываемых законами классической статистической физики средняя кинетическая энергия теплового движения частиц прямо пропорциональна абсолютной температуре системы (см.
$11.5) В этом смысле можно говорить, что температура характеризует степень нагретостн тела. Для измерения температуры можно использовать хорошо известный факт, что прн нагревании или охлаждении тела изменяются почти все его физические свойства: длина и объем, плотность, упругие свойства, электропроводность и т. д. Изменение любого нз этих свойств может служить основой для измерения температуры, если только известна, хотя бы для одного, так называемого термометрнческого тела, функциональная зависимость данного свойства от температуры.
Девятая генеральная конференция по мерам и весам в 1948 г. приняла для практического употребления Международную стоградуспую температурную шкалу. В втой шкале температура измеряется в 'С (градус стоградусной шкалы нли градус Цельсия) и обозначается через 1, причем принимается, что при нормальном давлении в 1,01325 10' Па температуры плавления льда н кипения воды равны соответственно О'С и 100'С. В !954 г. Десятая генеральная конференция по мерам и весам установила абсолютную термодинамнческую температурную шкалу, в которой температура измеряется в кельвннах (К) и обозначается через Т. Связь между абсолютной температурой Т н температурой 1 по стоградусной шкале имеет внд Т = 273,15 + д (9.1) Температуру Т = 0 (по стоградусной шкале — 273,15' С) называют абсолютным нулем температуры, 7. Параметры состояния системы принято подразделять на внешние и внутренние.
Внешними параметрами системы называют величины, зависящие от положения внешних тел н других нх характеристик (напрнмер, электрических зарядов этих тел). Внутренними параметрами системы называют величины, зависящие не только от положения внешних тел, но также от координат и скоростей частиц, образующих рассматриваемую систему.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
