Кинетическая теория

Иллюстрация теплового движения. Кинетическая теория или молекулярно-кинетическая теория – физическая теория, объясняющая термодинамические явления, исходя из атомистських представлений. Теория постулирует, что тепло является следствием хаотчиного движения чрезвычайно большого количества микроскопических частиц (атомов и молекул). Успешное объяснение многих законов термодинамики, исходя из положений кинетической теории, стало одним из факторов на пути к подтверждению атомарного строения веществ в природе. В современной физике молекулярно-кинетическая теория рассматривается как составная часть статистической механики.
В 1738 Даниил Бернулли опубликовал книгу Гидродинамика, в которой высказал идею, что газ состоит из большого числа молекул, хаотично двигаются во всех направлениях, а столкновения этих молекул с поверхностью вызывает давление. Тепло, которое мы испытываем, по мнению Бернулли обусловлено движением частиц. Теория Бернулли не утвердилась, поскольку к тому времени еще не был открыт многих законов механики, в частности закона сохранения энергии, и посетит понятие энергии сложилось гораздо позже.
Другими пионерами кинетической теории были Михаил Ломоносов, Жорж-Луи Ле Саж, Джон Герапат, Джон Джеймс Вотерстон. Простую последовательную кинетическую теорию газа создал в 1856 Август Кренига. В 1857 Рудольф Клаузиус независимо построил сложную теорию, которая учитывала не только поступательное, но и крутящий и колебательное движение молекул. Он же ввел понятие длины свободного пробега частицы.
В 1859 Джеймс Клерк Максвелл получил распределение молекул по скоростям, который стали называть распределением Максвелла. В 1871 году Людвиг Больцман обобщил ций деление на случай частиц во внешнем поле, получив распределение Больцмана-Максвелла. Больцман сделал также основной вклад в формулировку статистической механики, постулируя логарифмическую зависимость между энтропией и числом микроскопических состояний термодинамической системы.
Однако еще до начала 20 в. существование атомов рассматривалось физическим спивтоваристовом только как гипотеза. Важным поворотным пунктом стало построение теории броуновского движения Альбертом Эйнштейном и Марьяном Смолуховским.
Молекулярно-кинетическая теория исходит из того, что вещество, в частности газ состоит из большого количества микроскопических частиц (молекул), которые движутся хаотично. Частицы сталкиваются между собой и со стенками сосуда, создавая на эти стенки давление. Все столкновения считаются упругими, т.е. проходят без потери энергии. Средняя кинетическая энергия движения частиц зависит от температуры.
Средняя кинетическая энергия движению молекулы

,

где m – масса частицы, v – ее скорость, k B – постоянная Больцмана, T – температура.
Средняя скорость частиц в газе равна

,

где R – газовая постоянная, M – молярная масса.
Давление газа на стенки сосуда определяется из того соображения, что при упругом отражении частицы от стенки, изменение ее импульса равна 2 m v x, где v x – перпендикулярная к стенке составляющая скорости. Подсчитав передан за время ? t импульс, и приравняв его к импульсу силы для давления получаем

,

где n – количество частиц в единичном объеме.
Основные положения МКТ вещества:
Молекулы – самые маленькие частицы, которые имеют химические свойства вещества. Молекулы состоят из более простых частиц – атомов химических элементов. В природе есть 92 химические элементы. Вместе с искусственными сейчас насчитывается 105 элементов.
Вещество, которое построено из атомов только одного вида, называют элементом (водород, кислород, азот и др.). Каждый элемент имеет свой номер Z в таблице Менделеева. Число Z определяет число протонов в ядрах атомов и электронов, движущихся в атоме вокруг ядра.
При нагревании вещества скорость теплового движения и кинетическая энергия его частиц увеличиваются, а при охлаждении уменьшаются. Степень нагритости тела характеризует его температура, которая является мерой средней кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул этого тела.
Молекулы различных веществ по-разному взаимодействуют друг с другом. Это взаимодействие зависит от типа молекул и расстояния между ними. В зависимости от характера движения и взаимодействия молекул различают три состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное (плазма).
Плазма – сильно ионизированный газ (воздух), под действием высоких температур. Для газов характерны большие межмолекулярные расстояния, малые силы притяжения, поэтому газы могут неограниченно расширяться. Молекулы газа хаотически движущихся спивударяються друг с другом и со стенками сосуда.
В жидкостях молекулы расположены тесно и колеблются вокруг положения равновесия, а также перескакивают из одного равновесного положения в другое (ближний порядок).
В твердых телах силы взаимодействия каждой молекулы с соседними настолько велики, что молекула совершает малые колебания вокруг некоторого устойчивого положения равновесия – узла кристаллической решетки – дальний порядок.
Молекулярно-кинетическая теория вещества подтверждено такими опытами и наблюдениями:
– Опыт со смешиванием жидкостей;
– Опыт с растворением твердых веществ в жидкостях;
– Наблюдение над сжимаемостью веществ;
– Деформации твердых тел;
– Броуновское движение;
– Наблюдение диффузии;
– Изображения отдельных молекул, полученные с помощью ионного проектора, электронного микроскопа;
– Рентгеноструктурный анализ веществ;
– Наблюдение осмоса.