Основна молекулярно-кинетична теория, уравнения и формули

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-19 15:25

Светът, в който живеем, е невъобразимо красив и пълен с много различни процеси, които определят хода на живота. Всички тези процеси се изучават от познатата наука – физиката. Това дава възможност да се добие поне някаква представа за произхода на Вселената. В тази статия ще разгледаме такава концепция като молекулярно-кинетична теория, нейните уравнения, видове и формули. Въпреки това, преди да преминете към по-задълбочено изследване на тези въпроси, трябва да изясните за себе си самото значение на физиката и областите, които изучава.

Какво е физика?

Всъщност това е много обширна наука и може би една от най-фундаменталните в историята на човечеството. Например, ако една и съща компютърна наука е свързана с почти всяка област на човешката дейност, независимо дали е изчислителен дизайн или създаване на карикатури, тогава физиката е самият живот, описание на неговите сложни процеси и потоци. Нека се опитаме да разберем значението му, като опростим разбирането доколкото е възможно.

И такаПо този начин физиката е наука, която се занимава с изучаване на енергията и материята, връзките между тях, обяснението на много процеси, протичащи в нашата огромна Вселена. Молекулярно-кинетичната теория за структурата на материята е само малка капка в морето от теории и клонове на физиката.

Енергията, която тази наука изучава подробно, може да бъде представена в различни форми. Например под формата на светлина, движение, гравитация, радиация, електричество и много други форми. В тази статия ще засегнем молекулярно-кинетична теория за структурата на тези форми.

Изследването на материята ни дава представа за атомната структура на материята. Между другото, това следва от молекулярно-кинетичната теория. Науката за структурата на материята ни позволява да разберем и намерим смисъла на нашето съществуване, причините за възникването на живота и самата Вселена. Нека все пак се опитаме да изучаваме молекулярно-кинетична теория на материята.

Първо е необходимо малко въведение, за да се разбере напълно терминологията и всякакви заключения.

Теми по физика

Отговаряйки на въпроса какво е молекулярно-кинетична теория, не може да не се говори за раздели от физиката. Всеки от тях се занимава с подробно изследване и обяснение на определена област от човешкия живот. Те са класифицирани, както следва:

Механика, която е разделена на още две секции: кинематика и динамика.
Статично.
Термодинамика.
Молекулярна секция.
Електродинамика.
Optics.
Физика на квантите и атомното ядро.

Нека поговорим конкретно за молекулярнофизика, защото се основава на молекулярно-кинетичната теория.

Какво е термодинамика?

Като цяло молекулярната част и термодинамиката са тясно свързани клонове на физиката, които изучават изключително макроскопичния компонент на общия брой физически системи. Струва си да припомним, че тези науки описват точно вътрешното състояние на телата и веществата. Например тяхното състояние по време на нагряване, кристализация, изпаряване и кондензация, на атомно ниво. С други думи, молекулярната физика е науката за системите, които се състоят от огромен брой частици: атоми и молекули.

Тези науки изучаваха основните положения на молекулярно-кинетичната теория.

Още в хода на седми клас се запознахме с понятията за микро- и макро-светове, системи. Няма да е излишно да опресните тези термини в паметта.

Микросветът, както виждаме от самото му име, се състои от елементарни частици. С други думи, това е светът на малките частици. Техните размери се измерват в диапазона от 10^-18 m до 10^-4 m, като времето на тяхното действително състояние може да достигне както безкрайност, така и непропорционално малки интервали, например, 10^-20 s.

Макросветът разглежда тела и системи от стабилни форми, състоящи се от много елементарни частици. Такива системи са съизмерими с човешкия ни размер.

В допълнение, има такова нещо като мега свят. Състои се от огромни планети, космически галактики и комплекси.

Основни положениятеория

Сега, когато обобщихме малко и си спомнихме основните термини от физиката, можем да преминем директно към основната тема на тази статия.

Молекулярно-кинетична теория се появява и е формулирана за първи път през деветнадесети век. Същността му се крие във факта, че той описва подробно структурата на всяко вещество (по-често структурата на газове, отколкото на твърди и течни тела), въз основа на три основни положения, които са събрани от предположенията на такива видни учени като Робърт Хук, Исак Нютон, Даниел Бернули, Михаил Ломоносов и много други.

Основните положения на молекулярно-кинетичната теория звучат така:

Абсолютно всички вещества (независимо дали са течни, твърди или газообразни) имат сложна структура, състояща се от по-малки частици: молекули и атоми. Атомите понякога се наричат "елементарни молекули".
Всички тези елементарни частици винаги са в състояние на непрекъснато и хаотично движение. Всеки от нас е срещал пряко доказателство за това твърдение, но най-вероятно не му придава голямо значение. Например всички видяхме на фона на слънчевите лъчи, че праховите частици непрекъснато се движат в хаотична посока. Това се дължи на факта, че атомите произвеждат взаимни тласъци помежду си, като постоянно предават кинетична енергия един на друг. Това явление е изследвано за първи път през 1827 г. и е кръстено на откривателя - "Брауново движение".
Всички елементарни частици са в процес на непрекъснато взаимодействие помежду си сопределени сили, които имат електрическа скала.

Заслужава да се отбележи, че друг пример, описващ позиция номер две, който може да се приложи, например, към молекулярно-кинетична теория на газовете, е дифузията. Срещаме го в ежедневието и при множество тестове и контроли, така че е важно да имаме представа за него.

Първо, разгледайте следните примери:

Докторът случайно разля алкохол от колба на масата. Или може би сте изпуснали бутилката си с парфюм и тя се разпространи по целия под.

Защо в тези два случая както миризмата на алкохол, така и миризмата на парфюм след известно време ще изпълни цялата стая, а не само зоната, където съдържанието на тези вещества е разлято?

Отговорът е прост: дифузия.

Дифузия - какво е това? Как протича?

Това е процес, при който частиците, които съставляват едно конкретно вещество (обикновено газ), проникват в междумолекулните кухини на друго. В нашите примери по-горе се случи следното: поради термично, тоест непрекъснато и дисоциирано движение, молекулите на алкохола и/или парфюма попаднаха в пролуките между въздушните молекули. Постепенно, под въздействието на сблъсък с атоми и молекули на въздуха, те се разпространяват из стаята. Между другото, интензивността на дифузията, тоест скоростта на нейния поток, зависи от плътността на веществата, участващи в дифузията, както и от енергията на движение на техните атоми и молекули, наречена кинетична. Колкото по-голяма е кинетичната енергия, толкова по-висока е скоростта на тези молекули, съответно, и интензитетът.

Най-бързият процес на дифузия може да се нарече дифузия в газове. Това се дължи на факта, че газът не е хомогенен в състава си, което означава, че междумолекулните кухини в газовете заемат съответно значително пространство и процесът на получаване на атоми и молекули на чуждо вещество в тях протича по-лесно и по-бързо.

Този процес е малко по-бавен в течности. Разтварянето на захарни кубчета в чаша чай е само пример за дифузията на твърдо вещество в течност.

Но най-дългото време е дифузията в тела с твърда кристална структура. Това е точно така, тъй като структурата на твърдите тела е хомогенна и има силна кристална решетка, в клетките на която атомите на твърдото вещество вибрират. Например, ако повърхностите на две метални пръти се почистят добре и след това се докоснат една с друга, тогава след достатъчно дълго време ще можем да открием парчета от един метал в другия и обратно.

Като всеки друг фундаментален раздел, основната теория на физиката е разделена на отделни части: класификация, типове, формули, уравнения и т.н. Така научихме основите на молекулярно-кинетичната теория. Това означава, че можете спокойно да продължите към разглеждането на отделни теоретични блокове.

Молекулярно-кинетична теория на газовете

Има нужда да се разберат разпоредбите на газовата теория. Както казахме по-рано, ще разгледаме макроскопичните характеристики на газовете, като налягане и температура. Това еще са необходими по-късно, за да се изведе уравнението на молекулярно-кинетичната теория на газовете. Но математиката - по-късно, а сега нека се занимаваме с теория и съответно с физика.

Учените са формулирали пет положения от молекулярната теория на газовете, които служат за разбиране на кинетичния модел на газовете. Звучат така:

Всички газове са съставени от елементарни частици, които нямат определен размер, но имат определена маса. С други думи, обемът на тези частици е минимален в сравнение с дължината между тях.
Атомите и молекулите на газовете практически нямат потенциална енергия, съответно според закона цялата енергия е равна на кинетична.
Вече се запознахме с тази позиция по-рано - Брауново движение. Тоест, газовите частици са винаги в непрекъснато и хаотично движение.
Абсолютно всички взаимни сблъсъци на газови частици, придружени от посланието за скорост и енергия, са напълно еластични. Това означава, че няма загуба на енергия или резки скокове в кинетичната им енергия по време на сблъсък.
При нормални условия и постоянна температура, средната енергия на движение на частиците на почти всички газове е една и съща.

Можем да пренапишем петата позиция чрез този тип уравнение на молекулярно-кинетичната теория на газовете:

E=1/2mv^2=3/2kT, където k е константата на Болцман; T - температура в Келвин.

Това уравнение ни кара да разберем връзката между скоростта на елементарните частици на газа и тяхната абсолютна температура. Съответно, толкова по-високо е техният абсолюттемпература, толкова по-голяма е тяхната скорост и кинетична енергия.

Налягане на газа

Такива макроскопични компоненти на характеристиката, като налягането на газовете, също могат да бъдат обяснени с помощта на кинетичната теория. За да направите това, нека си представим следния пример.

Да приемем, че молекула на някакъв газ се намира в кутия, чиято дължина е L. Нека използваме разпоредбите на газовата теория, описана по-горе, и да вземем предвид факта, че молекулярната сфера се движи само по x -ос. Така ще можем да наблюдаваме процеса на еластичен сблъсък с една от стените на съда (кутия).

Импулсът на продължаващия сблъсък, както знаем, се определя от формулата: p=mv, но в този случай тази формула ще придобие проекционен вид: p=mv(x).

Тъй като разглеждаме само размера на оста x, тоест оста x, общата промяна в импулса ще бъде изразена с формулата: mv(x) - m(-v(x))=2mv(x).

След това разгледайте силата, упражнявана от нашия обект, използвайки втория закон на Нютон: F=ma=P/t.

От тези формули изразяваме налягането от страната на газа: P=F/a;

Сега нека заместим израза за сила в получената формула и получаваме: P=mv(x)^2/L^3.

След това нашата готова формула за налягане може да бъде написана за N-тия брой газови молекули. С други думи, ще изглежда така:

P=Nmv(x)^2/V, където v е скорост, а V е обем.

Сега нека се опитаме да подчертаем няколко основни положения относно налягането на газа:

Проявява се чрезсблъсъци на молекули с молекули на стените на обекта, в който се намира.
Величина на налягането е право пропорционална на силата и скоростта на удара на молекулите върху стените на съда.

Някои кратки заключения по теория

Преди да отидем по-нататък и да разгледаме основното уравнение на молекулярно-кинетичната теория, ви предлагаме няколко кратки заключения от горните точки и теория:

Мярката за средната енергия на движение на неговите атоми и молекули е абсолютната температура.
Когато два различни газа са с една и съща температура, техните молекули имат еднаква средна кинетична енергия.
Енергията на газовите частици е право пропорционална на средната квадратна скорост: E=1/2mv^2.
Въпреки че газовите молекули имат съответно средна кинетична енергия и средна скорост, отделните частици се движат с различни скорости: някои бързо, други бавно.
Колкото по-висока е температурата, толкова по-висока е скоростта на молекулите.
Колко пъти повишаваме температурата на газа (например двойно), енергията на движението на неговите частици се увеличава толкова пъти (съответно се удвоява).

Основно уравнение и формули

Основното уравнение на молекулярно-кинетичната теория ви позволява да установите връзката между количествата на микросвета и съответно макроскопичните, тоест измерените количества.

Един от най-простите модели, които молекулярната теория може да разгледа, е идеалният газов модел.

Може да се каже товатова е един вид въображаем модел, изучаван от молекулярно-кинетичната теория на идеалния газ, в който:

най-простите газови частици се считат за идеално еластични топки, които взаимодействат както помежду си, така и с молекулите на стените на всеки съд само в един случай - абсолютно еластичен сблъсък;
силите на привличане вътре в газа отсъстват или всъщност могат да бъдат пренебрегнати;
елементи от вътрешната структура на газа могат да се приемат като материални точки, тоест техният обем също може да се пренебрегне.

Разглеждайки такъв модел, роденият в Германия физик Рудолф Клаузиус написа формула за налягането на газа чрез връзката на микро- и макроскопичните параметри. Изглежда така:

p=1/3m(0)nv^2.

По-късно тази формула ще бъде наречена като основно уравнение на молекулярно-кинетичната теория на идеалния газ. Тя може да бъде представена в няколко различни форми. Нашето задължение сега е да покажем раздели като молекулярна физика, молекулярно-кинетична теория, а оттам и техните пълни уравнения и типове. Следователно има смисъл да се обмислят други варианти на основната формула.

Знаем, че средната енергия, характеризираща движението на газовите молекули, може да бъде намерена по формулата: E=m(0)v^2/2.

В този случай можем да заменим израза m(0)v^2 в оригиналната формула за налягане със средната кинетична енергия. В резултат на това ще имаме възможност да съставим основното уравнение на молекулярно-кинетичната теория на газовете в следната форма: p=2/3nE.

Освен това, всички знаем, че изразът m(0)n може да бъде записан като продукт на две частни:

m/NN/V=m/V=ρ.

След тези манипулации можем да пренапишем нашата формула за уравнението на молекулярно-кинетичната теория на идеалния газ в трета, различна форма:

p=1/3ρv^2.

Е, може би това е всичко, което трябва да знаете по тази тема. Остава само да систематизираме придобитите знания под формата на кратки (и не толкова) заключения.

Всички общи изводи и формули по темата "Молекулярно-кинетична теория"

И така, нека да започнем.

Първо:

Физиката е фундаментална наука, включена в курса на естествените науки, която изучава свойствата на материята и енергията, тяхната структура, модели от неорганична природа.

Включва следните раздели:

механика (кинематика и динамика);
статичен;
термодинамика;
електродинамика;
молекулярна секция;
оптика;
физика на квантите и атомното ядро.

Втори:

Физиката на частиците и термодинамиката са тясно свързани клонове, които изучават изключително макроскопичния компонент на общия брой физически системи, тоест системи, състоящи се от огромен брой елементарни частици.

Те се основават на молекулярно-кинетична теория.

Трето:

Същината на въпроса е това. Молекулярната кинетична теория описва подробно структурата на веществото (по-често структурата на газовете, отколкото на твърдите вещества).и течни тела), въз основа на три основни предположения, които са събрани от предположенията на видни учени. Сред тях: Робърт Хук, Исак Нютон, Даниел Бернули, Михаил Ломоносов и много други.

Четвърто:

Три основни принципа на молекулярно-кинетичната теория:

Всички вещества (независимо дали са течни, твърди или газообразни) имат сложна структура, състояща се от по-малки частици: молекули и атоми.
Всички тези прости частици са в непрекъснато хаотично движение. Пример: Брауново движение и дифузия.
Всички молекули при всякакви условия взаимодействат помежду си с определени сили, които имат електрическа скала.

Всяка от тези разпоредби на молекулярно-кинетичната теория е солидна основа в изследването на структурата на материята.

Пето:

Няколко основни точки от молекулярната теория за газовия модел:

Всички газове са съставени от елементарни частици, които нямат определен размер, но имат определена маса. С други думи, обемът на тези частици е минимален в сравнение с разстоянията между тях.
Атомите и молекулите на газовете практически нямат потенциална енергия, съответно тяхната обща енергия е равна на кинетичната.
Вече се запознахме с тази позиция по-рано - Брауново движение. Тоест, газовите частици са винаги в непрекъснато и произволно движение.
Абсолютно всички взаимни сблъсъци на атоми и молекули на газовете, придружени от посланието за скорост и енергия, са напълно еластични. Това еозначава, че няма загуба на енергия или резки скокове в кинетичната им енергия по време на сблъсък.
При нормални условия и постоянна температура средната кинетична енергия на почти всички газове е една и съща.

Шесто:

Изводи от теорията за газовете:

Абсолютната температура е мярка за средната кинетична енергия на нейните атоми и молекули.
Когато два различни газа са с една и съща температура, техните молекули имат еднаква средна кинетична енергия.
Средната кинетична енергия на газовите частици е право пропорционална на средната квадратна скорост: E=1/2mv^2.
Въпреки че газовите молекули имат съответно средна кинетична енергия и средна скорост, отделните частици се движат с различни скорости: някои бързо, други бавно.
Колкото по-висока е температурата, толкова по-висока е скоростта на молекулите.
Колко пъти повишаваме температурата на газа (например двойно), средната кинетична енергия на неговите частици също се увеличава толкова пъти (съответно се удвоява).
Връзката между налягането на газа върху стените на съда, в който се намира, и интензитета на ударите на молекулите върху тези стени е право пропорционална: колкото повече удари, толкова по-високо е налягането и обратно.

Седмо:

Идеален модел на газ е модел, в който трябва да бъдат изпълнени следните условия:

Газовите молекули могат и се считат за идеално еластични топки.
Тези топки могат да взаимодействат помежду си и със стените на всякасъд само в един корпус - абсолютно еластичен сблъсък.
Онези сили, които описват взаимния тласък между атомите и молекулите на газа, липсват или всъщност могат да бъдат пренебрегнати.
Атомите и молекулите се считат за материални точки, тоест техният обем също може да бъде пренебрегнат.

Осмо:

Нека дадем всички основни уравнения и да покажем формулите в темата "Молекулярно-кинетична теория":

p=1/3m(0)nv^2 - основното уравнение за модела на идеалния газ, извлечено от немския физик Рудолф Клаузиус.

p=2/3nE - основното уравнение на молекулярно-кинетичната теория на идеалния газ. Извлечена от средната кинетична енергия на молекулите.

р=1/3ρv^2 - същото уравнение, но разгледано чрез плътността и средната квадратна скорост на идеалните газови молекули.

m(0)=M/N(a) - формулата за намиране на масата на една молекула чрез числото на Авогадро.

v^2=(v(1)+v(2)+v(3)+…)/N - формула за намиране на средната квадратна скорост на молекулите, където v(1), v(2), v (3) и така нататък - скоростта на първата молекула, втората, третата и така нататък до n-тата молекула.

n=N/V - формула за намиране на концентрацията на молекулите, където N е броят на молекулите в обем газ към даден обем V.

E=mv^2/2=3/2kT - формули за намиране на средната кинетична енергия на молекулите, където v^2 е средната квадратична скорост на молекулите, k е константа стойност, кръстена на австрийската физика на Лудвиг Болцман, а T е температурата на газа.

p=nkT - формула за налягане по отношение на концентрация, константаБолцман и абсолютната температура T. От нея следва друга фундаментална формула, открита от руския учен Менделеев и френския физик-инженер Клайперон:

pV=m/MRT, където R=kN(a) е универсалната константа за газовете.

Сега нека покажем константи за различни изо-процеси: изобарни, изохорни, изотермични и адиабатни.

pV/T=const - изпълнява се, когато масата и съставът на газа са постоянни.

рV=const - ако температурата също е постоянна.

V/T=const - ако налягането на газа е постоянно.

p/T=const - ако обемът е постоянен.

Може би това е всичко, което трябва да знаете по тази тема.

Днес се потопихме в такава научна област като теоретичната физика, нейните множество раздели и блокове. По-подробно засегнахме такава област на физиката като фундаментална молекулярна физика и термодинамика, а именно молекулярно-кинетичната теория, която, изглежда, не представлява никакви трудности при първоначалното изследване, но всъщност има много клопки. Той разширява нашето разбиране за модела на идеалния газ, който също проучихме подробно. В допълнение, заслужава да се отбележи, че се запознахме и с основните уравнения на молекулярната теория в различните им вариации, а също така разгледахме всички най-необходими формули за намиране на определени неизвестни количества по тази тема. Това ще бъде особено полезно, когато се подготвяте за писане всякакви тестове, изпити и тестове, или за разширяване на общия възглед и познания по физика.

Надяваме се, че тази статия ви е била полезна и сте извадили от нея само най-необходимата информация, засилвайки знанията си в такива стълбове на термодинамиката като основните положения на теорията на молекулярната кинетика.