Розділ 2 основи молекулярної фізики і термодинаміки
Тема 5
Основні положення молекулярно-кінетичної теорії
Вивчаючи механіку, ми розглядали рух макроскопічних тіл (грец. "макрос" - великий). Це усі тіла, які нас оточують: будинки, машини, вода в океані і так далі. Нас цікавило, що відбувається з цими тілами і навколо них. Тепер нас цікавитиме також і те, що відбувається усередині тіл. На це питання нам допоможе відповісти розділ фізики, який називається молекулярно-кінетична теорія (МКТ). Вона пояснює фізичні явища і властивості тіл з точки зору їх внутрішньої мікроскопічної будови. У основі цієї теорії лежать три твердження:
Усі тіла складаються з малих часток (атомів і молекул), між якими є проміжки.
Атоми і молекули тіл постійно і безладно рухаються.
Властивості макроскопічних тіл пояснюються взаємодією молекул, з яких вони складаються.
Ці твердження називаються основними положеннями МКТ. Усі вони підтверджені численними експериментами. Розглянемо деякі з них.
§15. Дослідне підтвердження основних положень мкт Існування проміжків між частками
На рисунку 2.1 показано три мензурки. У одній мензурці налито 100 мл води, а в іншій - 100 мл підфарбованого спирту. Якщо перелити рідини з цих мензурок в третю об'єм суміші вийде не 200 мл, а менше: близько 190 мл Чому ж так відбувається?
Рисунок 2.1. Рисунок 2.2.
Встановлено, що вода і спирт складаються з найдрібніших часток, званих молекулами. Вони настільки малі, що не видні навіть в мікроскоп. Проте відомо, що молекули спирту в 2-3 рази більші за молекули води. Тому при зливанні рідин їх частки перемішуються, і дрібніші молекули води розміщуються в проміжках між більшими молекулами спирту. Заповнення цих проміжків і сприяє зменшенню загального об'єму речовин.
Малість розмірів часток речовини
Візьмемо декілька пробірок (рис. 2.2). У першу наллємо води і кинемо декілька кристалів марганцівки (перманганат калію). Перемішавши воду скляною паличкою, ми побачимо, що кристали розчинилися, а вода придбала рівномірне фіолетове забарвлення. Віділлємо частину розчину в другу пробірку і доллємо чистої води. Забарвлення розчину стане світліше, але після розмішування знову буде рівномірною. Дослід можна повторити багато разів, проте, при будь-якому розбавленні забарвлення розчину слабшає, але залишається рівномірним в об’ємі пробірки. Чому ж забарвлення розчину залишається рівномірним?
Подібно до води і спирту, марганцівка також складається з найдрібніших часток. Усі вони настільки малі, що їх не можна побачити "поодинці". Саме тому забарвлення розчину і здається нам рівномірним.
Рух часток речовини
Найбільш яскравим експериментальним підтвердженням представлень молекулярно-кінетичної теорії про безладний рух атомів і молекул є броунівський рух.
Рисунок 2.3а. Рисунок 2.3б.
У 1827 р. шотландський ботанік Р. Броун, вивчаючи рослини за допомогою мікроскопа, виявив дуже незвичайне явище. Плаваючі на воді спори (дрібне насіння деяких рослин) при спостереженні за ними в мікроскоп стрибкоподібно рухалися без видимих на те причин (див. рисунок 2.3а). Броун спостерігав цей рух декілька днів, проте так і не зміг дочекатися його припинення. Він його детально описав, але пояснити так і не зміг. Згодом це явище назвали броунівським рухом.
Пояснюється це явище таким чином. Молекули завжди знаходяться в постійному хаотичному русі. Вони безладно стикаються з іншими молекулами. Натрапляючи на спори, молекули викликають їх стрибкоподібні переміщення, що Броун і спостерігав в мікроскоп. А оскільки молекули в мікроскоп не видно, той рух спор здавався Броуну безпричинним.
На рисунку 2.3б зображена модель броунівського руху. Безліччю дрібних кульок позначені молекули води, а великою кулею - спора. Кількість ударів молекул об спору ліворуч і справа, згори і знизу, спереду і ззаду не завжди однаково. Під дією "переваги" ударів з якого-небудь одного боку спора перескакуватиме з місця на місце.
Рисунок 2.4.
В результаті швидкість броунівської частки безладно міняється по модулю і напряму, а її траєкторія є складною зигзагоподібною кривою (рис. 2.4). Теорія броунівського руху була створена. А Ейнштейном в1905 р. Експериментально теорія Ейнштейна була підтверджена в дослідах французького фізика ж. Перрена.