Молекулярно-кинетическая теория обосновывается Приведем некоторые из доказательств беспорядочного хаотического движения молекул: а стремление газа занять весь предоставленный ему объем распространение пахучего газа по всему помещению; б броуновское движение беспорядочное движение мельчайших видимых в микроскоп частиц вещества находящихся во взвешенном состоянии и нерастворимых в ней. Диффузия проявляется во всех телах в газах жидкостях и твердых телах но в разной степени. Диффузию в газах можно наблюдать если сосуд с пахучим...
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
ОПЫТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
Согласно молекулярно-кинетической теории все вещества состоят из мельчайших частиц - молекул. Молекулы находятся в непрерывном движении и взаимодействуют между собой. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы состоят из более простых частиц - атомов химически элементов. Молекулы различных веществ имеют различный атомный состав.
Молекулы обладают кинетической энергией E кин и одновременно потенциальной энергией взаимодействия E пот . В газообразном состоянии E кин > E пот . В жидком и твердом состояниях кинетическая энергия частиц сравнима с энергией их взаимодействия .
Три основных положения молекулярно - кинетической теории:
1. Все вещества состоят из молекул, т.е. имеют дискретное строение, молекулы разделены промежутками.
2. Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении.
3. Между молекулами тела существуют силы взаимодействия.
Молекулярно-кинетическая теория обосновывается
Приведем некоторые из доказательств беспорядочного (хаотического) движения молекул:
а) стремление газа занять весь предоставленный ему объем (распространение пахучего газа по всему помещению);
б) броуновское движение - беспорядочное движение мельчайших видимых в микроскоп частиц вещества, находящихся во взвешенном состоянии и нерастворимых в ней. Это движение происходит под действием беспорядочных ударов молекул, окружающей жидкости, находящихся в постоянном хаотическом движении;
в) диффузия - взаимное проникновение молекул соприкасающихся веществ. При диффузии молекулы одного тела, находясь в непрерывном движении, проникают в промежутки между молекулами другого соприкасающегося с ним тела и распространяются между ними. Диффузия проявляется во всех телах - в газах, жидкостях и твердых телах, - но в разной степени.
1. Диффузия.
Диффузию в газах можно наблюдать, если сосуд с пахучим газом открыть в помещении. Через некоторое время газ распространится по всему помещению.
Диффузия в жидкостях происходит значительно медленнее, чем в газах. Например, в стакан нальем раствор медного купороса, а затем, очень осторожно добавим слой воды и оставим стакан в помещении с постоянной температурой и где он не подвергается сотрясениям. Через некоторое время будем наблюдать исчезновение резкой границы между купоросом и водой, а через несколько дней жидкости перемешаются, несмотря на то, что плотность купороса больше плотности воды. Так же диффундирует вода со спиртом и прочие жидкости.
Диффузия в твердых телах происходит еще медленнее, чем в жидкостях (от нескольких часов до нескольких лет). Она может наблюдаться только в хорошо пришлифованных телах, когда расстояния между поверхностями пришлифованных тел близки к расстояниям между молекулами (10 -8 см). При этом скорость диффузии увеличивается при повышении температуры и давления.
Доказательства силового взаимодействия молекул:
а) деформация тел под влиянием силового воздействия;
б) сохранение формы твердыми телами;
в) поверхностное натяжение жидкостей и, как следствие, явление смачивания и капиллярности.
Между молекулами существуют одновременно силы притяжения и силы отталкивания (рис. 1). При малых расстояниях между молекулами преобладают силы отталкивания. По мере увеличения расстояния r между молекулами, как силы притяжения, так и силы отталкивания убывают, причем силы отталкивания убывают быстрее. Поэтому при некотором значении r 0 (расстояние между молекулами) силы притяжения и силы отталкивания взаимно уравновешиваются.
Рис. 1. Силы притяжения и силы отталкивания.
Если условиться отталкивающим силам приписывать положительный знак, а силам притяжения - отрицательный и произвести алгебраическое сложение сил отталкивания и притяжения, то получаем график, изображенный на рисунке 2.
Рис. 2. Алгебраическое сложение сил отталкивания и притяжения.
Рис. 3. Зависимость потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними.
На рисунке 3 дан график зависимости потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними. Расстояние r 0 между молекулами соответствует минимуму их потенциальной энергии (рис. 3). Для изменения расстояния между молекулами в ту или другую сторону требуется затратить работу против преобладающих сил притяжения или отталкивания. На меньших расстояниях (рис. 2) кривая круто поднимается вверх; эта область соответствует сильному отталкиванию молекул (обусловленному главным образом кулоновским отталкиванием сближающихся ядер). На больших расстояниях молекулы притягиваются.
Расстояние r 0 соответствует устойчивому равновесному взаимному положению молекул. Из рисунка 2 видно, что при увеличении расстояния между молекулами, преобладающие силы притяжения восстанавливают равновесное положение, а при уменьшении расстояние между ними равновесие восстанавливается преобладающими силами отталкивания.
Современные экспериментальные методы физики (рентгеноструктурный анализ, наблюдения с помощью электронного микроскопа и другие) позволили наблюдать микроструктуру веществ.
2. Число Авогадро.
Число граммов вещества, равное молекулярному весу этого вещества, называется грамм-молекулой или молем. Например, 2 г водорода составляет грамм-молекулу водорода; 32 г кислорода составляют грамм-молекулу кислорода. Масса одного моля вещества называется молярной массой этого вещества.
Обозначается через
m
. Для водорода
; для кислорода
; для азота
и т.д.
Число молекул, содержащихся в одном моле разных веществ одинаково и называется числом Авогадро (N A ).
Число Авогадро чрезвычайно велико. Чтобы почувствовать его колоссальность, представьте себе, что в Черное море высыпали число булавочных головок (диаметр каждой около 1 мм), равное числу Авогадро. При этом оказалось бы, что в Черном море уже не остается места для воды: оно не только до краев, но и большим избытком оказалось бы заполненным этими булавочными головками. Авогадровым числом булавочных головок можно было бы засыпать площадь, равную, например, территории Франции, слоем толщиной около 1 км. И такое огромное число отдельных молекул содержится всего лишь в 18 г воды; в 2 г водорода и т.д.
Установлено, что в 1 см 3 любого газа при нормальных условиях (т.е. при 0 0 С и давлении 760 мм. рт. ст.) содержится 2,710 19 молекул.
Если взять число кирпичей, равное этому числу, то, будучи плотно уложенными, эти кирпичи покрыли бы поверхность всей суши Земного шара слоем высотой 120 м. Кинетическая теория газов позволяет вычислить лишь длину свободного пробега молекулы газа (т.е. среднее расстояние, которое проходит молекула от столкновения до столкновения с другими молекулами) и диаметр молекулы.
Приводим некоторые результаты этих вычислений.
|
Вещество |
Длина свободного пробега при 760 мм.рт.ст. |
Диаметр молекулы |
|
Водород Н 2 |
1,12310 -5 см |
2,310 -8 см |
|
Кислород О 2 |
0,64710 -5 см |
2,910 -8 см |
|
Азот N 2 |
0,59910 -5 см |
3,110 -8 см |
Диаметры отдельных молекул - величины малые. При увеличении в миллион раз молекулы были бы величиной с точку типографского шрифта этой книжки. Обозначим через m - массу газа (любого вещества). Тогда отношение дает число молей газа.
Число молекул газа n можно выразить:
(1).
Число молекул в единице объема n 0 будет равно:
(2) , где: V - объем газа.
Массу одной молекулы m 0 можно определить по формуле:
(3) .
Относительной массой молекулы m отн называется величина, равная отношению абсолютной массы молекулы m 0 к 1/12 массы атома углерода m oc .
(4), где m
oc
= 210
-26
кг.
3. Уравнение идеального газа и изопроцессы.
С помощью уравнения состояния идеального газа можно исследовать процессы, в которых масса газа и один из трех параметров - давление, объем или температура - остаются неизменными. Количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра называют газовыми законами.
Процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров, называют изопроцессами (от греч. «изос» - равный). Правда, в действительности ни один процесс не может протекать при строго фиксированном значении какого-либо параметра. Всегда имеются те или иные воздействия, нарушающие постоянство температуры, давления или объема. Лишь в лабораторных условиях удается поддерживать постоянство того или иного параметра с хорошей точностью, но в действующих технических устройствах и в природе это практически неосуществимо.
Изопроцесс - это идеализированная модель реального процесса, которая только приближенно отражает действительность.
Процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянной температуре называют изотермическим.
Для поддержания температуры газа постоянной необходимо, чтобы он мог обмениваться теплотой с большой системой - термостатом. Иначе при сжатии или расширении температура газа будет меняться. Термостатом может служить атмосферный воздух, если температура его заметно не меняется на протяжении всего процесса.
Согласно уравнению состояния идеального газа в любом состоянии с неизменной температурой произведение давления газа на его объём остаётся постоянным: pV=const при T=const. Для газа данной массы произведение давления газа на его объём постоянно, если температура газа не меняется.
Этот закон экспериментально был открыт английским учёным Р. Бойлером(1627 - 1691) и несколько позже французским учёным Э Мариоттом (1620 -1684). Поэтому он носит название закона Бойля - Мариотта.
Закон Бойля - Мариотта справедлив для любых газов, а так же и их смесей, например для воздуха. Лишь при давлениях, в несколько сотен раз больше атмосферного, отклонение от этого закона становится существенным.
Зависимость давления газа от объёма при постоянной температуре графически изображается кривой, которая называется изотермой. Изотерма газа изображает обратно пропорциональную зависимость между давлением и объёмом. Кривую такого рода в математике называют гиперболой.
Разным постоянным температурам соответствуют различные изотермы. При повышении температуры давление согласно уравнению состояния увеличивается, если V=const. Поэтому изотерма соответствующая более высокой температуре Т 2 , лежит выше изотермы, соответствующей более низкой температуре Т 1 .
Изотермическим процессом приближенно можно считать процесс медленного сжатия воздуха при расширении газа под поршнем насоса при откачке его из сосуда. Правда, температура газа при этом меняется, но в первом приближении этим изменением можно пренебречь
Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении называют изобарным (от греч. «барос» - вес, тяжесть).
Согласно уравнению в любом состоянии газа с неизменным давлением отношение объёма газа к его температуре остаётся постоянным: =const при p=const.
Для газа данной массы отношение объёма к температуре постоянно, если давление газа не меняется.
Этот закон был установлен экспериментально в 1802 году французским учёным Ж. Гей-Люссаком (1778 - 1850) и носит название закона Гей-Люссака.
Согласно уравнению объём газа линейно зависит от температуры при постоянном давлении: V=const T.
Эта зависимость графически изображается прямой, которая называется изобарой. Различным давлениям соответствуют разные изобары. С ростом давления объём газа при постоянной температуре согласно закону Бойля-Мариотта уменьшается. Поэтому изобара, соответствующая более высокому давлению p 2 , лежит ниже изобары, соответствующей более низкому давлению p 1 .
В области низких температур все изобары идеального газа сходятся в точке T=0. Но это не означает, что объём реального газа действительно обращается в нуль. Все газы при сильном охлаждении превращаются в жидкость, а к жидкостям уравнения состояния неприменимо.
Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объёме называют изохорным (от греч. «хорема» - вместимость).
Из уравнения состояния вытекает, что в любом состоянии газа с неизменным объёмом отношение давления газа к его температуре остаётся неизменным: =const при V=const.
Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объём не меняется.
Этот газовый закон был установлен в 1787 году французским физиком Ж.Шарлем (1746 - 1823) и носит название закона Шарля. Согласно уравнению:
Const при V=const давления газа линейно зависит от температуры при постоянном объёме: p=const T.
Эта зависимость изображается прямой, называемой изохорой.
Разным объёмам соответствуют разные изохоры. С ростом объёма газа при постоянной температуре давление его согласно закону Бойля-Мариотта падает. Поэтому изохора, соответствующая большему объёму V 2 , лежит ниже изохоры, соответствующей меньшему объёму V 1 .
В соответствии с уравнением все изохоры начинаются в точке T=0.
Значит, давление идеального газа при абсолютном нуле равно нулю.
Увеличение давления газа в любой ёмкости или в электрической лампочке при нагревании является изохорным процессом. Изохорный процесс используется в газовых термостатах постоянного объёма.
4. Температура.
Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел называется термодинамической системой.
Тепловое или термодинамическое равновесие - такое состояние термодинамической системы, при котором все ее макроскопические параметры остаются неизменными: не меняются объем, давление, не происходит теплообмен, отсутствуют переходы из одного агрегатного состояния в другое и т.д. При неизменных внешних условиях любая термодинамическая система самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.
Температура - физическая величина, характеризующая состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.
Абсолютный нуль температуры - предельная температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме должно быть равно нулю или должен быть равен нулю объем идеального газа при постоянном давлении.
Термометр - прибор для измерения температуры. Обычно термометры градуируют по шкале Цельсия: температуре кристаллизации воды (таяния льда) соответствует 0°С, температуре ее кипения - 100°С.
Кельвин ввел абсолютную шкалу температур, согласно которой нулевая температура соответствует абсолютному нулю, единица измерения температуры по шкале Кельвина равна градусу Цельсия: [Т] = 1 К (Кельвин).
Связь температуры в энергетических единицах и температуры в градусах Кельвина:
где k = 1,38*10 -23 Дж/К - постоянная Больцмана.
Связь абсолютной шкалы и шкалы Цельсия:
T = t + 273, где t - температура в градусах Цельсия.
Средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре:
Учитывая равенство (1), основное уравнение молекулярно-кинетической теории можно записать так: p = nkT .
Основные уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа для давления.
Газ называют идеальным, если:
1) собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда;
2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия;
3) столкновения молекул газа со стенками сосуда абсолютно упругие.
Реальные газы (например, кислород и гелий) в условиях, близких к нормальным, а также при низких давлениях и высоких температурах близки к идеальным газам. Частицы идеального газа в промежутках между столкновениями движутся равномерно и прямолинейно. Давление газа на стенки сосуда можно рассматривать как ряд быстро следующих ударов газовых молекул о стенку. Рассмотрим, как вычислить давление, вызванное отдельными ударами. Представим себе, что по некоторой поверхности происходит ряд отдельных и частых ударов. Найдем такую среднюю постоянную силу
Где t 1 , t 2 , t 3 ... t n - время взаимодействия первой, второй, ..., n-й молекул со стенкой (т.е. длительность удара); f 1 , f 2 , f 3 ... f n - силы удара молекул о стенку. Из этой формулы следует:
(7).
Средняя сила давления, вызванная рядом отдельных ударов о некоторую поверхность, численно равна сумме импульсов всех ударов, полученных этой поверхностью за единицу времени называется изохорой.
5. Скорости газовых молекул.
Формулу (12) можно записать в виде:
(15), где (масса газа).
Из выражения (15) вычислим среднюю квадратичную скорость движения молекул газа:
(16) .
Зная, что
(R-универсальная газовая постоянная; R=8,31
), получим новые выражения для определения
(17) .
Опытное определение скоростей движения молекул паров серебра впервые был проведен в 1920 г Штерном.
Рис. 5. Опыт Штерна.
Из стеклянного цилиндра Е выкачивался воздух (рис. 5). Внутри этого цилиндра помещался второй цилиндр Д, имеющий с ним общую ось О. Вдоль образующей цилиндра Д имелся прорез в виде узкой щели С. По оси протягивалась посеребренная платиновая проволока, по которой можно было пропускать ток. При этом проволока раскалялась, и серебро с ее поверхности обращалось в пар. Молекулы паров серебра разлетались в различные стороны, часть их проходила через щель С цилиндра Д и на внутренней поверхности цилиндра Е получался налет серебра в виде узкой полоски. На рис. 5 положение полоски серебра отмечено буквой А.
Когда вся система приводилась в очень быстрое движение таким образом, что проволока являлась осью вращения, то полоска А на цилиндре Е получилась смещенной в сторону, т.е. например, не в точке А, а в точке В. Это происходило потому, что пока молекулы серебра пролетали путь СА, точка А цилиндра Е успевала повернуться на расстояние АВ и молекулы серебра попадали не в точку А, а в точку В.
Обозначим величину смещения серебряной полоски АВ = d; радиус цилиндра Е через R, радиус цилиндра Д через r, а число оборотов всей системы в секунду через n .
За один оборот системы точка А на поверхности цилиндра Е пройдет путь, равный длине окружности 2πR, а за 1 секунду она пройдет путь
. Время t, в течение которого точка А переместилась на расстояние АВ = d, будет равно:
. За время t молекулы паров серебра пролетали расстояние
CA
=
R
-
r
. Скорость их движения v может быть найдена, как пройденный путь, деленный на время:
или, заменяя t, получим:
.
Налет серебра на стенке цилиндра Д получался размытым, что подтверждало наличие различных скоростей движения молекул Из опыта можно было определить наиболее вероятную скорость v вер которая соответствовала наибольшей толщине налета серебра.
Наиболее вероятную скорость можно рассчитать по формуле, данной Максвеллом:
(18). По вычислениям Максвелла средняя арифметическая скорость движения молекул равна:
(19).
6. Уравнение состояния идеального газа - уравнение Менделеева-Клапейрона.
Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории (формула (14) следует закон Авогадро: в равных объемах разнородных газов при одинаковых условиях (одинаковой температуре и одинаковом давлении) содержится одинаковое число молекул: (для одного газа), (для другого газа).
Если V 1 = V 2 ; Т 1 = Т 2 ; r 1 = r 2 , то n 01 = n 02 .
Напомним, что единицей количества вещества в системе СИ является моль (грамм-молекула) масса m одного моля вещества называется молярной массой этого вещества. Число молекул, содержащихся в одном моле разных веществ одинаково и называется число Авогадро (N A = 6,0210 23 1/моль).
Запишем уравнение состояния идеального газа для одного моля: , где V m - объем одного моля газа; , где V m - объем одного моля газа; (универсальная газовая постоянная).
Окончательно имеем: (26).
Уравнение (26) называется уравнением Клапейрона (для одного моля газа). При нормальных условиях (р = 1,01310
5
Па и Т = 273,15
0
К) молярный объем любого газа V
m
= 22,410
-3
. Из формулы (26) определим
;
.
От уравнения (26) для моля газа можно перейти к уравнению Менделеева-Клапейрона для любой массы газа m.
Отношение дает число молей газа. Левую и правую части неравенства (26) умножим на .
Имеем
, где
объем газа.
Окончательно запишем: (27 ) . Уравнение (27) - уравнение Менделеева-Клапейрона. В это уравнение можно внести плотность газа и .
В формуле (27) заменим V и получим или .
7. Опытные газовые законы. Давление смеси идеальных газов (закон Дальтона).
Опытным путем, задолго до появления молекулярно-кинетической теории, был открыт целый ряд законов, описывающих равновесные изопроцессы в идеальном газе. Изопроцесс - это равновесный процесс, при котором один из параметров состояния не изменяется (постоянен). Различают изотермический (T = const), изобарический (p = const), изохорический (V = const) изопроцессы. Изотермический процесс описывается законом Бойля-Мариотта: "если в ходе процесса масса и температура идеального газа не изменяются, то произведение давления газа на его объем есть величина постоянная PV = const (29). Графическое изображение уравнения состояния называют диаграммой состояния. В случае изопроцессов диаграммы состояния изображаются двумерными (плоскими) кривыми и называются соответственно изотермами, изобарами и изохорами.
Изотермы, соответствующие двум разным температурам, приведены на рис. 6.
Рис. 6. Изотермы, соответствующие двум разным температурам.
Изобарический процесс описывается законом Гей-Люссака: "если в ходе процесса давление и масса идеального газа не изменяются, то отношение объема газа к его абсолютной температуре есть величина постоянная: (30).
Изобары, соответствующие двум разным давлениям, приведены на рис.7.
Рис. 7. Изобары, соответствующие двум разным давлениям.
Уравнение изобарического процесса можно записать иначе:
31), где V
0
- объем газа при 0
0
С; V
t
- объем газа при t
0
C; t - температура газа в градусах Цельсия;
α
- коэффициент объемного расширения. Из формулы (31) следует, что
. Опыты французского физика Гей-Люссака (1802 г.) показали, что коэффициенты объемного расширения всех видов газов одинаковы и
, т.е. при нагревании на 1
0
С газ увеличивает свой объем на часть того объема, который он занимал при 0
0
С. На рис. 8 изображен график зависимости объема газа V
t
от температуры t
0
C.
Рис. 8. График зависимости объема газа V t от температуры t 0 C.
Изохорический процесс описывается законом Шарля: "если в ходе процесса объем, и масса идеального газа не изменяются, то отношение давления газа к его абсолютной температуре есть величина постоянная:
(32).
Изохоры, соответствующие двум разным объемам, приведены на рис. 9.
Рис. 9. Изохоры, соответствующие двум разным объемам.
Уравнение изохорического процесса можно записать иначе:
(33), где
- давление газа при
С;
- давление газа при t; t - температура газа в градусах Цельсия;
- температурный коэффициент давления. Из формулы (33) следует, что
. Для всех газов
и
. Если газ нагреть на
С (при V=const), то давление газа возрастет на
часть того давления, которое он имел при
С. На рис.10 изображен график зависимости давления газа от температуры t.
Рис. 10. График зависимости давления газа от температуры t.
Если продолжить прямую AB до пересечения ее с осью x (точка ), то значение абсциссы этой определиться из формулы (33), если приравнять нулю.
;
Следовательно, при температуре давление газа должно было бы обратиться в нуль, однако, при подобном охлаждении газ не сохранит своего газообразного состояния, а обратиться в жидкость и даже в твердое тело. Температура носит название абсолютного нуля.
В случае механической смеси газов, не вступающих в химические реакции, давление смеси также определяется формулой
, где
(концентрация смеси
равно сумме концентраций компонентов смеси всего n - компонент).
Закон Дальтона гласит: Давление смеси
равно сумме парциальных давлений газов, образующих смесь.
. Давления
называется парциальными. Парциальное давление - это давление, которое создавал бы данный газ, если бы он один занимал тот сосуд, в котором находится смесь (в том же количестве, в котором он содержится в смеси).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Брычков Ю.А., Маричев О.И., Прудников А.П. Таблицы неопределенных интегралов: Справочник. - М.: Наука, 1986.
2. Коган М.Н. Динамика разреженного газа. М., Физматлит, 1999.
3. Кикоин А.К., Молекулярная физика. М., Физматлит, 1976.
4. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т. 2. Термодинамика и молекулярная физика. М., Физматлит, 1989.
5. Кирьянов А.П., Коршунов С.М. Термодинамика и молекулярная физика. Пособие для учащихся. Под ред. проф. А.Д. Гладуна. - М., «Просвещение», 1977.
PAGE \* MERGEFORMAT 3
Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм> |
|||
| 13389. | Основы молекулярно-кинетической теории (МКТ) | 98.58 KB | |
| Все вещества состоят из частиц молекул атомов разделенных промежутками. Доказательства: фотографии атомов и молекул сделанные с помощью электронного микроскопа; возможность механического дробления вещества растворение вещества в воде диффузия сжатие и расширение газов. броуновское движение мелких инородных взвешенных в жидкости частиц под действием не скомпенсированных ударов молекул. | |||
| 8473. | Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) | 170.1 KB | |
| Средняя энергия одной молекулы Давление газа с точки зрения МКТ Уравнение состояния идеального газа Температура техническая и термодинамическая Идеальный газ притяжение и отталкивание молекул Согласно МКТ любое тело твердое жидкое газообразное состоит из мельчайших обособленных частиц называемых молекулами. При небольшом изменении взаимного расстояния между молекулами от r до rΔr силы взаимодействия совершают работу Потенциальная энергия... | |||
| 2278. | ЭЛЕМЕНТАРНАЯ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ | 35.23 KB | |
| объясняются если принять следующие положения молекулярнокинетической теории строения вещества: 1. Все тела состоят из молекул атомов или ионов. Молекулы атомы из которых состоят тела находятся в непрерывном хаотическом движении которое называется тепловым. | |||
| 2649. | Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) идеального газа | 572.41 KB | |
| Молекулярно-кинетическая теория МКТ идеального газа План Понятие идеального газа. Внутренняя энергия идеального газа. Давление газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории идеального газа основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Уравнение состояния идеального газа уравнение Клапейрона-Менделеева. | |||
| 21064. | ИДЕНТИФИКАЦИЯ КОЛЛЕКЦИОННЫХ КУЛЬТУР БАКТЕРИЙ СОВРЕМЕННЫМИ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИМИ И МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ | 917.68 KB | |
| Были выделены чистые культуры микроорганизмов, определены морфологические и культуральные признаки. Проведена идентификация методами МАЛДИ-МС и ПЦР с последующим секвенированием нуклеотидных последовательностей фрагментов генов 16S рРНК. | |||
| 12050. | Набор реагентов для молекулярно-генетической диагностики моноклональных и поликлональных В-клеточных популяций лимфоцитов методом полимеразной цепной реакции (ЛИМФОКЛОН) | 17.25 KB | |
| Создан набор реагентов для молекулярногенетической диагностики моноклональных и поликлональных Вклеточных популяций лимфоцитов методом полимеразной цепной реакции ЛИМФОКЛОН. Набор реагентов ЛИМФОКЛОН предназначен для дифференциальной диагностики моноклональных и поликлональных Вклеточных популяций лимфоцитов в биопсийном материале парафиновых срезах тканей методом полимеразной цепной реакции с детекцией продуктов амплификации методом вертикального электрофореза в акриламидном геле. Набор предназначен только для in vitro диагностики. | |||
| 21333. | Биохимическое обоснование бадминтона | 36.73 KB | |
| Введение Рассмотрим бадминтон как вид спорта требующий от спортсмена затраты большого количества сил и энергии способного моментально мобилизовать свой организм для совершения прыжков перемещений сильных ударов и умеющего расслабиться за короткое время сбросить напряжение и тут же собраться для продолжения игры. Для тренеров и спортсменов необходимо знать и учитывать те химические процессы которые происходят в организме спортсмена во время тренировок игр и соревнований при выявлении работоспособности спортсменов оптимальном режиме их... | |||
| 21845. | Обоснование цены продукции фирмы | 131.66 KB | |
| Характеристика предприятия Частное предприятие Элегия Виды деятельности производство металлочерепицы. Эта канавка уберегает кровлю от подтеканий воды извне и избавляет покупателя металлочерепицы от приобретения гидробарьера гидробарьер это полимерная пленка которую подстилают под металлочерепицу. Все это снижает себестоимость производства металлочерепицы. металлочерепицы на оборудовании ЧП Элегия... | |||
| 13812. | Обоснование технологической схемы обеззараживания сточных вод | 291.22 KB | |
| Основными загрязнениями сточных вод являются физиологические выделения людей и животных, отходы и отбросы, получающиеся при мытье продуктов питания, кухонной посуды, стирке белья, мытье помещений и поливке улиц, а также технологические потери, отходы и отбросы на промышленных предприятиях. Бытовые и многие производственные сточные воды содержат значительные количества органических веществ | |||
| 12917. | Обоснование оценок искомых параметров и их ошибок | 160.34 KB | |
| Подчеркнем что определение систематических ошибок не является задачей статистики. Будем считать что оценка соответствующих параметров является хорошей если она удовлетворяет следующим условиям. Является эффективной в том смысле что несмещенная оценка обладала бы наименьшей дисперсией. Известно лишь что. | |||
Урок 1
Тема: Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование
Цели: познакомить учащихся с основными положениями молекулярно-кинетической теории и их опытными подтверждениями, с величинами, характеризующими молекулы (размеры и массы молекул, количество вещества, постоянная Авогадро) и методами их измерения; развивать внимание, логическое мышление учащихся, воспитывать добросовестное отношение к учебному труду
Тип урока: урок усвоения новых знаний
Ход урока
Организационный момент
Постановка цели урока
Изложение нового материала
Молекулярно-кинетическая теория зародилась в XIX в. с целью объяснить строение и свойства вещества на основе представления о том, что вещество состоит из мельчайших частиц – молекул, которые непрерывно движутся и взаимодействуют друг с другом. Особых успехов эта теория достигла при объяснении свойств газов.
Молекулярно-кинетической теорией называют учение, которое объясняет строение и свойства тел движением и взаимодействием частиц, из которых состоят
тела.
В основе МКТ лежат три важнейших положения:
все вещества состоят из молекул;
молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении;
молекулы взаимодействуют друг с другом.
Предположение о молекулярном строении вещества подтверждалось только косвенно. Основные положения МКТ газов хорошо согласовывались с экспериментом. Сегодня техника достигла уровня, при котором можно рассмотреть даже отдельные атомы. Убедиться в существовании молекул и оценить их размер можно довольно просто.
Поместим капельку масла на поверхность воды. Масляное пятно будет растекаться по поверхности воды, но площадь масляной плёнки не может превышать определённого значения. Естественно предположить, что максимальная площадь плёнки соответствует масляному слою толщиной в одну молекулу.
Убедиться в том, что молекулы движутся, можно совсем просто: если капнуть капельку духов в одном конце комнаты, то через несколько секунд этот запах распространится по всей комнате. В окружающем нас воздухе молекулы двигаются со скоростями артиллерийских снарядов – сотни метров в секунду. Удивительным свойством движения молекул является то, что оно никогда не прекращается. Этим движение молекул существенно отличается от движения окружающих нас предметов: ведь механическое движение неизбежно прекращается вследствие трения.
В начале XIX в. английский ботаник Броун, наблюдая в микроскоп частицы пыльцы, взвешенные в воде, заметил, что эти частицы пребывают в «вечной пляске». Причину так называемого «броуновского движения» поняли только через 56 лет после его открытия: отдельные удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга, если эта частица достаточно мала. С тех пор броуновское движение рассматривается как наглядное опытное подтверждение движения молекул.
Если бы молекулы не притягивались друг к другу, не было бы ни жидкостей, ни твёрдых тел – они просто бы рассыпались на отдельные молекулы. С другой стороны, если бы молекулы только притягивались, они бы превращались в чрезвычайно плотные сгустки, а молекулы газов, ударяясь о стенки сосуда, прилипали бы к ним. Взаимодействие молекул имеет электрическую природу. Хотя молекулы в целом электрически нейтральны, распределение положительных и отрицательных электрических зарядов в них таково, что на больших расстояниях (по сравнению с размерами самих молекул) молекулы притягиваются, а на малых расстояниях – отталкиваются. Попробуйте разорвать стальную или капроновую нить диаметром 1 мм 2 . Вряд ли это удастся, даже если приложить все силы, а ведь усилиям вашего тела противостоят силы притяжения молекул в малом сечении нити.
Параметры газа, связанные с индивидуальными характеристиками составляющих его молекул, называются микроскопическими параметрами (масса молекул, их скорость, концентрация).
Параметры, которые характеризуют состояние макроскопических тел, называют макроскопическими параметрами (объём, давление, температура).
Основная задача МКТ – установить связь между микроскопическими и макроскопическими параметрами вещества, исходя из этого, найти уравнение состояния данного вещества.
Например, зная массы молекул, их средние скорости и концентрации, можно найти объём, давление и температуру данной массы газа, а также определить давление газа через его объём и температуру.
Обычно в основе построения любой теории лежит метод моделей, заключающийся в том, что вместо реального физического объекта или явления рассматривают его упрощённую модель. В МКТ газов используется модель идеального газа.
С точки зрения молекулярных представлений, газы состоят из атомов и молекул, расстояния между которыми значительно больше их размеров. Вследствие этого силы взаимодействия между молекулами газов практически отсутствуют. Взаимодействие между ними фактически происходит лишь во время их столкновений.
Поскольку взаимодействие молекул идеального газа сводится лишь к кратковременным столкновениям и размеры молекул не влияют на давление и температуру газа, мы можем считать, что
Идеальный газ – это модель газа, которая предусматривает пренебрежение размерами молекул и их взаимодействием; молекулы такого газа находятся в свободном беспорядочном движении, иногда сталкиваясь с другими молекулами или стенками сосуда, в котором они находятся.
Реальные разрежённые газы ведет себя подобно идеальному газу.
Примерную оценку размеров молекул можно получить из опытов, проведённых немецким физиком Рентгеном и английским физиком Рэлеем. Капелька масла на поверхности воды расплывается, образуя тонкую плёнку толщиной всего лишь в одну молекулу. Толщину этого слоя нетрудно определить и тем самым оценить размеры молекулы масла. В настоящее время существует ряд методов, позволяющих определить размеры молекул и атомов. Например, линейные размеры молекул кислорода составляют 3 · 10 -10 м, воды – около 2,6 · 10 -10 м. Таким образом, характерной длиной в мире молекул является размер 10 -10 м. Если молекулу воды увеличить до размеров яблока, то само яблоко станет диаметром с земной шар.
В прошлом веке итальянский учёный Авогадро обнаружил удивительный факт: если два различных газа занимают сосуды одинакового объёма при одинаковых температурах и давлениях, то в каждом сосуде находится одно и то же число молекул. Заметьте, что массы газов при этом могут сильно отличаться: например, если в одном сосуде водород, а в другом – кислород, то масса кислорода в 16 раз больше массы водорода.
Это означает. Что некоторые, причём довольно важные, свойства тела определяются числом молекул в этом теле: число молекул оказывается даже более существенным, чем масса.
Физическая величина, определяющая число молекул в данном теле, называется количеством вещества и обозначается . Единицей количества вещества является моль.
Так как массы отдельных молекул отличаются друг от друга, то одинаковые количества разных веществ имеют разную массу.
1 моль – это количество вещества, которое содержит столько же молекул, сколько атомов углерода содержится в 0,012 кг углерода.
Массы отдельных молекул очень малы. Потому удобно использовать при расчётах не абсолютные, а относительные значения масс. По международному соглашению массы всех атомов и молекул сравнивают с 1/12 массы атома углерода. Главная причина такого выбора состоит в том, что углерод входит в большое число различных химических соединений.
Относительной молекулярной (или атомной) массой вещества М называется отношение массы молекулы (или атома) m 0 данного вещества к 1 / 12 массы атома углерода:
M
г
= 
m r - масса молекулы данного вещества;
m а (C) - масса атома углерода 12 C.
Например, относительная атомная маса углерода равна 12, водовода – 1. Относительная же молекулярная маса водовода 2, поскольку молекула водорода состоит из двух атомов.
Удобство выбора моля в качестве единицы измерения количества вещества связано с тем, что маса одного моля вещества в граммах численно равна его относительной молекулярной массе.
Маса m тела пропорциональна количеству вещества , содержащемуся в этом теле. Поэтому отношение характеризует вещество, из которого состоит это тело: чем «тяжелее» молекулы вещества, тем больше это отношение.
Отношение массы вещества m к количеству вещества называется молярной массой и обозначается М:
М = 
Если принять в этой формуле =1, получим, что молярная масса вещества численно равна массе одного моля этого вещества. Например, масса водорода равна
2 
= 2 · 10 -3 
.
1 - единица измерения молярной массы в СИ.
Масса вещества m = M .
Число N молекул, содержащихся в теле, прямо пропорционально количеству
вещества , содержащегося в этом теле.
Коэффициент пропорциональности является постоянной величиной и называется постоянной Авогадро N A
Откуда следует, что постоянная Авогадро численно равна числу молекул в 1 моле.
Основные итоги.
Вопросы учащимся:
Докажите, что все тела состоят из мельчайших частиц.
Приведите факты, показывающие делимость веществ.
В чём состоит явление диффузии?
В чём состоит суть броуновского движения?
Какие факты доказывают, что между молекулами твёрдых и жидких тел действуют силы притяжения и отталкивания?
Какова относительная атомная масса кислорода? Молекулы воды? Молекулы углекислого газа?
4. Домашнее задание:
Молекулярно-кинетическая теория - это раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов, как мельчайших частиц вещества. В основе МКТ лежат три основных положения:
1. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов или ионов.
2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, скорость которого определяет температуру вещества.
3. Между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, характер которых зависит от расстояния между ними.
Основные положения МКТ подтверждаются многими опытными фактами. Существование молекул, атомов и ионов доказано экспериментально, молекулы достаточно изучены и даже сфотографированы с помощью электронных микроскопов. Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объем объясняется непрерывным хаотическим движением молекул. Упругость газов, твердых и жидких тел, способность жидкостей
смачивать некоторые твердые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твердыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами. Явление диффузии - способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекулами другого - тоже подтверждает основные положения МКТ. Явлением диффузии объясняется, например, распространение запахов, смешивание разнородных жидкостей, процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавле-ния или путем давления. Подтверждением непрерывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение - непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц, нерастворимых в жидкости.
Движение броуновских частиц объясняется хаотическим движением частиц жидкости, которые сталкиваются с микроскопическими частицами и приводят их в движение. Опытным путем было доказано, что скорость броуновских частиц зависит от температуры жидкости. Теорию броуновского движения разработал А. Эйнштейн. Законы движения частиц носят статистический, вероятностный характер. Известен только один способ уменьшения интенсивности броуновского движения - уменьшение температуры. Существование броуновского движения убедительно подтверждает движение молекул.
Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц, т. е. структурных элементов, содержащихся в теле, v.
Единицей количества вещества является моль. Моль - это количество вещества, содержащее столько же структурных элементов любого вещества, сколько содержится атомов в 12 г углерода С 12 . Отношение числа молекул вещества к количеству вещества называют постоянной Авогадро:
n a = N/v . na = 6,02 10 23 моль -1 .
Постоянная Авогадро показывает, сколько атомов и молекул содержится в одном моле вещества. Молярной массой называют величину, равную отношению массы вещества к количеству вещества:
М = m/v .
Молярная масса выражается в кг/моль. Зная молярную массу, можно вычислить массу одной молекулы:
m 0 = m/N = m/vN A = М/N A
Средняя масса молекул обычно определяется химическими методами, постоянная Авогадро с высокой точностью определена несколькими физическими методами. Массы молекул и атомов со значительной степенью точности определяются с помощью масс-спектрографа.
Массы молекул очень малы. Например, масса молекулы воды: т = 29,9 10 -27 кг.
Молярная масса связана с относительной молекулярной массой Mr. Относительная молярная масса - это величина, равная отношению массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода С 12 . Если известна химическая формула вещества, то с помощью таблицы Менделеева может быть определена его относительная масса, которая, будучи выражена в килограммах, показывает величину молярной массы этого вещества.
Молекулярно-кинетическая теория - это раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов как мельчайших частиц вещества. В основе МКТ лежат три основных положения:
1. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов или ионов.
2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, скорость которого определяет температуру вещества.
3. Между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, характер которых зависит от расстояния между ними.
Основные положения МКТ подтверждаются многими опытными фактами. Существование молекул, атомов и ионов доказано экспериментально, молекулы достаточно изучены и даже сфотографированы с помощью электронных микроскопов. Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объем объясняется непрерывным хаотическим движением молекул. Упругость газов, твердых и жидких тел, способность жидкостей смачивать некоторые твердые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твердыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами. Явление диффузии - способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекулами другого - тоже подтверждает основные положения МКТ. Явлением диффузии объясняется, например, распространение запахов, смешивание разнородных жидкостей, процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавления или путем давления. Подтверждением непрерывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение - непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц, нерастворимых в жидкости.
Движение броуновских частиц объясняется хаотическим движением частиц жидкости, которые сталкиваются с микроскопическими частицами и приводят их в движение. Опытным путем было доказано, что скорость броуновских частиц зависит от температуры жидкости. Теорию броуновского движения разработал А. Эйнштейн. Законы движения частиц носят статистический, вероятностный характер. Известен только один способ уменьшения интенсивности броуновского движения - уменьшение температуры. Существование броуновского движения убедительно подтверждает движение молекул.
Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества v принято считать пропорциональным числу частиц, т. е. структурных элементов, содержащихся в теле.
Единицей количества вещества является моль. Моль - это количество вещества, содержащее столько же структурных элементов любого вещества, сколько содержится атомов в 12 г углерода С12. Отношение числа молекул вещества к количеству вещества называют постоянной Авогадро:
Постоянная Авогадро показывает, сколько атомов и молекул содержится в одном моле вещества. Молярная масса - масса одного моля вещества, равная отношению массы вещества к количеству вещества:
Молярная масса выражается в кг/моль. Зная молярную массу, можно вычислить массу одной молекулы:
Молярная масса связана с относительной молекулярной массой Мг. Относительная молекулярная масса - это величина, равная отношению массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода С12. Если известна химическая формула вещества, то с помощью таблицы Менделеева может быть определена его относительная масса, которая, будучи выражена в килограммах, показывает величину молярной массы этого вещества.
В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат три утверждения:
- вещество состоит из частиц;
- частицы беспорядочно движутся;
- частицы взаимодействуют друг с другом.
Каждое утверждение строго доказано с помощью опытов.
Объем V слоя масла равен произведению его площади поверхности S на толщину d слоя, т. е. V=S*d/ Следовательно, размер молекулы оливкового масла равен:
Диаметр молекулы воды равен примерно 3 10 см . Считая, что каждая молекула воды при плотной упаковке молекул занимает объем примерно 3*10 8 см 3 , можно найти число молекул в капле, разделив объем капли 1 см 3 на объем, приходящийся на одну молекулу:
МАССА МОЛЕКУЛ. КОЛИЧЕСТВО ВЕЩЕСТВА.
Масса атомов и молекул различаются значительно. Какими величинами их удобно характеризовать? Как определить число атомов в любом макроскопическом теле?
Появляется новая величина - количество вещества.
Масса молекулы воды. Массы отдельных молекул и атомов очень малы. Например, в 1 г воды содержится 3,7*10 22 молекул. Следовательно, масса одной молекулы воды (Н 2 О) равна:
Так как массы молекул очень малы, удобно использовать в расчетах не абсолютные значения масс, а относительные. По международному соглашению массы всех атомов и молекул сравнивают с массы атома углерода (так называемая углеродная шкала атомных масс).
Относительной молекулярной (или атомной) массой вещества М r . называют отношение массы молекулы (или атома) m 0 данного вещества к массы атома углерода m ос:
Количество вещества наиболее естественно было бы измерять числом молекул или атомов в теле. Но число молекул в любом макроскопическом теле так велико, что в расчетах используют не абсолютное число молекул, а относительное.
В Международной системе единиц количество вещества выражают в молях.
Один молы - это количество вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов, сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг .
Значит, в 1 моль любого вещества содержится одно и то же число атомов или молекул. Это число атомов обозначают N A и называют постоянной Авогадро в честь итальянского ученого (ХIХ в.).
N A - постоянная Авогадро.
Для определения постоянной Авогадро надо найти массу одного атома углерода. Грубая оценка массы может быть произведена так, как это было сделано выше для массы молекулы воды (наиболее точные методы основаны на отклонении пучков ионов электромагнитным полем).
Объяснение броуновского движения.
Объяснить броуновское движение можно только на основе молекулярно-кинетической теории. Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга. При беспорядочном движении молекул передаваемые ими броуновской частице импульсы, например слева и справа, неодинаковы, поэтому отлична от нуля результирующая сила давления молекул жидкости на броуновскую частицу, которая и вызывает изменение ее движения.
Газы легко сжимаются, при этом уменьшается среднее расстояние
между молекулами, но молекулы не сдавливают друг друга. Объем сосуда в десятки тысяч раз превышает объем находящихся в
нем молекул. Газы легко сжимаются, при этом уменьшается среднее расстояние между молекулами, но молекулы не сдавливают друг друга.
Молекулы с огромными скоростями - сотни метров в секунду - движутся в пространстве. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга в разные стороны подобно бильярдным шарам. Слабые силы притяжения молекул газа не способны удержать их друг возле друга. Поэтому газы могут неограниченно расширяться. Они не сохраняют ни формы, ни объема. Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.
