Основные положения молекулярно-кинетической концепции

К концу XIX в. была создана молекулярно-кинетическая теория (статистическая механика), описывающая свойства совокупного действия большого числа атомов и молекул. Такое совокупное действие анализируется статистическим методом: свойства макросистемы определяются особенностями движения частиц и их усредненными кинетическими и динамическими характеристиками (скоростью, энергией, давлением и т. д.). Так, температура тел определяется скоростью беспорядочного движения составляющих их молекул, имеющих различные скорости. Температуру определяют через среднее значение такой скорости. Поэтому бессмысленно говорить о температуре одной молекулы. Макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.

Информация к размышлению Малый размер молекул демонстрируют следующие цифры: диаметр атомов лития — 0,31 нм (1 нм = 10 ⁹ м); молекулы водорода — около 0,23 нм. Расчет показывает, что число молекул в капле воды составляет около 3×10²². Колоссальное число!

В основу молекулярно-кинетических представлений положены три тезиса:

Первый: каждое тело в любом физическом состоянии (твердом, жидком или газообразном) состоит из большого числа молекул (атомы трактуются как одноатомные молекулы).

Второй', молекулы в составе любого тела находятся в беспорядочном, хаотическом движении.

Третий', интенсивность движения молекул определяется их скоростью, а скорость зависит от температуры вещества.

Молекулярно-кинетическая теория позволила объяснить особенность тепловых явлений. При нагревании на несколько десятков градусов кусок парафина превращается в жидкость, но металлический стержень, нагретый на ту же величину, сохраняет свое агрегатное состояние. Выявилась взаимосвязь: для выяснения строения вещества важным является исследование тепловых явлений, а для выявления сущности тепловых явлений нельзя обойтись без представлений о строении вещества.

Молекулярно-кинетическая теория количественно выражается в экспериментальных законах: Бойля — Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро, Дальтона, в основном уравнении кинетической теории идеальных газов и др.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории:

где Р — давление; п — концентрация молекул в сосуде; k — постоянная Больцмана; Т — температура.

Преобразования этого уравнения приводят к следующему выводу: средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа зависит только от термодинамической температуры и прямо пропорциональна этой температуре'.

где Е — энергия.

При Т = 0°К средняя кинетическая энергия равна нулю: прекращается поступательное движение молекул газа, а давление молекул газа также равно нулю. Таким образом, термодинамическая температура выступает мерой кинетической энергии поступательного движения идеального газа.