 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
77
В основе молекулярно-кинетических представлений о строении и свойствах макросистем лежат
три положения:
· любое тело – твердое, жидкое или газообразное – состоит из большого числа весьма малых
частиц – молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы);
· молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-
либо преимущественного направления движении;
· интенсивность, определяемая скоростью движения молекул, зависит от температуры
вещества.
Тепловые процессы связаны со строением вещества и его внутренней структурой. Например,
нагревание кусочка парафина на несколько десятков градусов превращает его в жидкость, а
подобное нагревание металлического стержня не оказывает на него заметного влияния. Такое
различное действие нагревания связано с различием во внутреннем строении данных веществ.
Поэтому исследование тепловых явлений можно использовать для выяснения общей картины
строения вещества. И, наоборот, определенные представления о строении вещества помогают
понять физическую сущность тепловых явлений, дать им глубокое наглядное истолкование.
Количественным воплощением молекулярно-кинетических представлений служат опытные
газовые законы (Бойля–Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро, Дальтона), уравнение Клапейрона–
Менделеева (уравнение состояния), основное уравнение кинетической теории идеальных газов,
закон Максвелла для распределения молекул и др.
Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории вытекает важный вывод: средняя
кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа прямо
пропорциональна его термодинамической температуре и зависит только от нее:
где k – постоянная Больцмана; Т – температура.
Из данного уравнения следует, что при Т = 0 средняя кинетическая энергия равна нулю, т. е.
при абсолютном нуле прекращается поступательное движение молекулгаза, а следовательно, его
давление равно нулю. Термодинамическая температура – мера кинетической энергии
поступательного движения идеального газа, а приведенная формула раскрывает молекулярно-
кинетическое толкование температуры.
Первое положение молекулярно-кинетических представлений – любое тело состоит из
большого числа весьма малых частиц-молекул – доказано многочисленными опытами,
одновременно подтвердившими реальное существование молекул и атомов. Приведем некоторые
цифры, показывающие, насколько малы размеры молекул и атомов и как много их содержится в
каком-либо макроскопическом теле.
С помощью ионного микроскопа удалось показать, что диаметр атомов вольфрама составляет
около 2 ангстрем (1 ангстрем равен 10
-8
см). Размер молекулы водорода примерно того же порядка
– примерно 2,3 ангстрема. Теперь понятно: при очень малых размерах молекул число их в любом
макроскопическом теле огромно. Несложный расчет показывает, что число молекул в капле воды
составляет около 3·10
22
. Такой маленький объект, а содержит такое колоссальное число молекул!
3.9. Термодинамические законы
Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией
–
энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и
потенциальной энергией их взаимодействия.
Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее
взаимодействии с внешними телами: путем совершения работы и путем теплообмена.
Известно, что в процессе превращения энергии действует закон сохранения энергии. Поскольку
тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех
превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и
внутренних движений. В этом заключается качественная формулировка закона сохранения
энергии для термодинамической системы – первое начало термодинамики. Количественная его
формулировка: количество теплоты ?Q , сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней
энергии ?U и на совершение телом работы ?А, т. е.