Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. На прошлых лекция мы с вами вволю порешали задачи на вычисление количества и массы молекул, а на этой лекции продолжим рассматривать теоретические вопросы. И так о чем пойдет речь? Давайте вспомним, что мы с Вами занимаемся молекулярно-кинетической теорией...Для чего? Какова задача молекулярно-кинетической теории? Что она хочет получить в результате? Сначала на качественном уровне. Что мы хотим объяснить пользуясь молекулярно-кинетической теорией? Помните, мы говорили в самом начале о том, что почему тела бывают жидкими, твердыми и газообразными? Чем отличается горячее тело от холодного? И мы все это хотим объяснить на основании положения молекулярно-кинетической теории. Т.е молекулярно-кинетическая теория ставит своей задачей объяснить свойства тел или свойства системы, потому что под системой в данном разделе физики мы подразумеваем систему молекул, т.е тело. Объяснить свойство системы исходя из представлений о ее молекулярном строении, о движении молекул и о их взаимодействии. Но что значит объяснить? Ведь физика наука количественная. Значит научится предсказывать, т.е научится вычислять различные физические величины, которые характеризуют состояние тела или будем говорить, которые характеризуют состояние систем. Исходя из чего? Исходя из того, что все тела состоять из молекул, молекулы движутся и взаимодействуют между собой. Вот это и есть основная задача молекулярно-кинетической теории, но уже на количественном уровне и вот на этой лекции мы приступим к решению этой задачи для самого простого и доступного для нас с вами случая. Для системы, которая носит название идеальный газ.
А теперь давайте вернемся к нашему разговору, только для этого давайте сформируем некоторый словарь, которым мы будем пользоваться, а именно. Смотрите, основная задача молекулярно-кинетической теории уже на количественном уровне - это научится вычислять характеристики системы, которые можно измерить прибором даже не подозревая о том, что тела состоят из молекул. И это мы пока сформулировали не в строгом виде. Например, мы можем измерить объем тела? Тело, состоящее из молекул - это и есть система. Мы можем измерить температуру, так как у нас есть термометры, мы еще "пока не знаем" что это такое, но измерять температуру уже умеем. Мы не знаем, что это такое с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Мы можем измерить давление. Все эти характеристики можно измерить не подозревая о том, т.е не учитывая того факта, что вещества состоят из молекул. Не учитывая молекулярного строения. Вот такие характеристики состояния системы, которые не учитывают ее молекулярного строения имеют особое название... Как называется мир в котором мы живем? Мир тел размера сходного с размера человека. Такой мир называется макромиром и соответствующие характеристики называются макроскопическими характеристиками. Давайте запишем строгое определение.
Макроскопические характеристики - это характеристики состояния системы, не учитывающие ее молекулярного строения.
А с другой стороны, если учесть, то что система состоит из молекул. Эти молекулы движутся. А что такое движутся? Движутся - это значит, что они обладают какой-то скоростью. Обладают какой-то кинетической энергией. А это уже характеристики состояния молекул из которых состоит система. Такие характеристики называются характеристиками микромира и такие характеристики называются микроскопическими. Давайте запишем строгое определение.
Микроскопические характеристики - это характеристики состояния молекул из которых состоит система.
Ну а теперь мы можем поставить перед собой задачу...основную задачу молекулярно-кинетической теории - установить связь между макроскопическими и микроскопическими характеристиками системы. И так давайте сформулируем строго.
Основная задача молекулярно-кинетической теории - это установление связи между макроскопическими и микроскопическими характеристиками системы.
И понятно, что это связь количественная, т.е эта связь имеет вид уравнения. И вот это уравнение, которое устанавливает связь между макроскопическими и микроскопическими характеристиками системы и называется основное уравнение молекулярно-кинетической теории. И мы должны с вами его найти...вот какова наша задача.
Системы бывают разные... мы говорим система, а подразумеваем тело. Это могут быть твердые тела, это могут быть жидкости, могут быть газы. И как вы думаете в каком случае основное уравнение молекулярно-кинетической теории будет самым простым? Для твердых тел, для жидкостей или газов? Для твердых тел...А почему мы так думаем? Давайте предположим, что там молекулы лишь немного колеблются в узлах кристаллической решетки, но с другой стороны почему молекулы не могут расположится иначе, как в узлах кристаллической решетки? Может ли ответить на это молекулярно-кинетическая теория, точнее должна ли она ответить на это? Ведь существование кристаллической решетки - это свойство тела. Значит, нужно исходя из того, что молекулы, движутся и взаимодействуют объяснить появление кристаллической решетки. На самом деле это непроходимо сложная задача для нас с вами на этом уровне. И твердое тело - это очень сложная система, но оказывается, что жидкость еще более сложная система, потому что в ней так называемого дальнего порядка. Описывать свойства жидкости физики до сих пор учатся - это одна из современных проблем физики. А вот можно ли упростить систему? Смотрите... молекулы есть, молекулы движутся, молекулы взаимодействуют. Упрощаем систему...мы может упростить систему так, чтобы молекул не было? Нет, мы, так сказать, "выплеснем младенца вместе с водой после купания". Можем ли мы упростить систему предположив то, что молекулы "замерли"? Наверное, тоже нет. А можем ли мы предположить, то что молекулы перестали между собой взаимодействовать? В принципе, можем...Самая простая система - это система, в которой молекулы есть, движутся, но не взаимодействуют. А мы с вами знаем, что молекулы взаимодействуют друг с другом только на маленьких расстояниях. Помните мы рисовали график взаимодействия силы взаимодействия от расстояния? Есть какое-то равновесное расстояние и если мы это расстояние будем превышать, то между молекулами возникнут силы притяжения, но если продолжать увеличивать расстояния между молекулами, то силы притяжения начнут уменьшаться и в конце концов исчезнут. Значит, взаимодействие молекул отсутствует в тех системах, где расстояние между молекулами гораздо больше размеров самих молекул. В каком агрегатном состоянии находится эта система? Это газ. Значит, газ - это самая простая система. Но, даже в настоящем, как говорят физики, в реальном газе взаимодействие между молекулами все-таки существует, но оно ничтожно. Оно ничтожно и это значит, что потенциальная энергия взаимодействия значительно меньше, чем что? По сравнению с чем? Когда мы говорим "маленький", то мы обязательно сравниваем по сравнению с какой энергией? Мы сравниваем с кинетической энергией. Значит реальный газ будет вести себя так как будто его молекулы не взаимодействуют. Если он достаточно нагрет, т.е велика кинетическая энергия молекул и если этот газ достаточно разрежен. Т.е расстояние между молекулами достаточно большое, т.е значительно больше, чем размеры самих молекул. И оказывается, что воздух, например, в учебном классе обладает такими свойствами - его можно считать газом у которого молекулы друг с другом не взаимодействуют. Поэтому та упрощенная модель, которую мы сейчас сформулируем, она, вполне, обладает реальной научной ценностью. И так давайте сформулируем строгое определение.
Идеальный газ - это газ состоящий из молекул не взаимодействующих друг с другом.
Вообще-то эта модель содержит в себе некоторые внутренние противоречия. Почему? Как движутся молекулы согласно основному положению молекулярно-кинетической теории? Хаотично. А теперь давайте представим себе газ, который состоит из молекул, которые друг с другом не взаимодействуют. Давайте рассмотрим движение одной молекулы.
Ну а теперь давайте перейдем от качественного к количественному описанию движения молекул. И мы хотим научится вычислять макроскопические характеристики системы через макроскопические. Например, давайте поставим перед собой задачу найти давление газа, если известно как движутся молекулы этого газа. И давайте перед этим запишем
- примеры макроскопических характеристик: давление, объем, температура.
- примеры микроскопических характеристик: скорость молекул, количество молекул в единице объема (концентрация), кинетическая энергия молекул и др.
И нам необходимо установить связь между ними. Мы с вами сейчас будем искать давление. Выбираем с вами самую простую модель - модель идеального газа. И если нам удастся рассчитать давление, то мы фактически, получим основное уравнение молекулярно-кинетической теории для конкретной системы - для идеального газа. И так давайте вспомним почему газ производит давление на стенки сосуда. За счет чего? За счет ударов. Когда ударяется отдельная молекула, то стенка испытывает отдельный ничтожно малый толчок. Но, ведь, молекул огромное множество, мы с вами уже их количество "считали" (вспомним про моли), поэтому таких толчков необычайно много и они идут крайне часто и сливаются в единое непрерывное воздействие на стенки сосуда. Если бы у нас был прибор, который регистрирует толчки отдельных молекул, то тогда в случае, если молекул мало, мы бы, так сказать, слышали бы отдельные их удары, но когда молекул очень много, то эти удары сливаются в единый шум и можно провести такой опыт. Давайте представим себе, что у нас есть какая-то пластина и в эту пластину мы бросаем шарики. Каждый удар такого шарика о пластину мы слышим и пластинка при этом отклоняется и значит на нее действует какая-то сила. Но, при этом, мы можем услышать каждый удар по отдельности. А теперь давайте возьмем воронку и в нее будем сыпать песок, а воронка пусть снизу будет изогнута и тогда на эту пластину будет действовать песок. Что мы при этом услышим? Шипение...шипение, которое получается от слияния макроскопических ударов отдельных песчинок. Если же уже это будут не песчинки, а молекулы, которых будет гораздо больше и масса, которых гораздо меньше, то в этом случае "шипение" мы уже не услышим, но при этом мы увидим, что наша пластинка отклоняется. Значит, давление существует. И так мы понимаем, что давление обусловлено ударами молекул. Поэтому для того, чтобы его рассчитать, давайте сначала рассчитаем сколько ударов молекул происходит о стенки сосудов и для этого нам нужен какой-то сосуд. Как вы думаете какую форму будет иметь самый простой сосуд, такой чтобы его можно было "привязать" к координатным осям декартовой системы? Кубической или формы прямоугольного параллелепипеда.
И так мы рассчитали количество ударов молекул о стенку сосуда, а теперь давайте рассчитаем силу с которой стенка сосуда действует на каждую из молекул и каждая из молекул действуют на стенку этого сосуда.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, подпишись на канал и поддержи автора.