Рух молекул газів, рідин і твердих тіл

У газах середня відстань між молекулами набагато більша, ніж розміри молекул газу. Взаємного притягання між молекулами газу фактично немає. Молекули газу рухаються рівномірно і прямолінійно від зіткнення до зіткнення з іншими молекулами. При ударі змінюється напрямок і величина швидкості. Якщо молекули газу складаються з декількох атомів, то при зіткненні вони набувають ще й обертального руху. Таким чином тепловий рух молекул газу поступальний і обертальний.

У рідинах молекули якийсь час перебувають у рівновазі, де вони коливаються, а потім переходять у нове положення рівноваги і т.д. Отже, тепловий рух молекул рідин в основному коливальний, а також поступальний.

У твердих тілах тепловий рух молекул – коливальний, але інколи молекули у твердих тілах можуть переходити з одного положення рівноваги в інше.

Властивості великої кількості молекул відрізняються від властивостей окремих молекул, тому при дослідженні таких систем використовується молекулярно-кінетичний (статистичний) і термодинамічний методи.

7.2. Ідеальний газ. Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії (мкт) ідеального газу

Молекули реального газу мають кінетичну і потенціальну енергію. У деяких випадках потенціальною енергією молекул зневажають.

Ідеальний газ – модель газу, у якій не враховують розміри молекул та їхню взаємодію на відстані. Реальні гази при не дуже низьких температурах і малих тисках за своїми властивостями близькі до ідеального газу.

Молекули газу рухаються хаотично. Зіштовхуючись зі стінками посудини, молекули газу створюють тиск р:

^, (7.2)

де F – сумарна сила ударів усіх молекул об стінки посудини;

S – площа поверхні посудини (балона).

З основних положень МКТ можна одержати основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу. Основне рівняння МКТ ідеального газу пов'язує параметри стану термодинамічної системи з характеристиками молекул:

(7.3)

де N – число молекул в об'ємі V; m₀ – маса молекули; – се-редня квадратична швидкість молекул. У рівнянні (7.3) відношення– концентрація молекул. З огляду на те, що середня кінетична енергія молекул газу з рівняння (7.3) одержимо формулу тиску ідеального газу:

(7.4)

де Е_к – середня кінетична енергія молекул газу.

Експерименти показали, що в стані термодинамічної (теплової) рівноваги для будь-яких газів . Тоді:

(7.5)

Отже, відношення характеризує стан теплової (термодинамічної) рівноваги. Розмірність цієї величини – Джоуль. Введемо новий параметр Т – абсолютну температуру, тоді:

(7.6)

де k = 1,38^.10^-23 Дж∙К^-1 – стала Больцмана.

З формули (7.6) видно, що середня кінетична енергія одноатомних молекул газу:

(7.7)

З формули (7.6) одержимо формулу для середньої квадратичної швидкості поступального руху молекул ідеального газу:

(7.8)

де універсальна газова стала;середня квадра-тична швидкість; маса молекули; молярна маса:

Фізичні процеси, які відбуваються при нагріванні або охолодженні тіл, зміні їхнього агрегатного стану, називають тепловими явищами. Теплова (термодинамічна) рівновага системи характеризується температурою.

Температу́ра – фізичний параметр, який характеризує тіла в стані теплової рівноваги. Температура – це міра середньої кінетичної енергії руху молекул (або атомів). макроскопічної системи, що припадає на один ступінь вільності (7.6) у стані теплової рівноваги. У стані теплової рівноваги температура всіх тіл однакова.

Для вимірювання температури застосовують прилади, що називаються термометрами.

У побуті для вимірювання температури використовують шкалу Цельсія – міжнародну практичну шкалу. Сота частина шкали Цельсія між температурою таянія льоду (0⁰С) і кипіння води (100⁰С). називається градусом. Порівнюючи температурні шкали Цельсія і Кельвіна, одержимо формулу:

Т = t⁰ С + 273⁰, (7.9)

де Т – температура в градусах Кельвіна; t⁰С – температура в градусах Цельсія. На шкалі Кельвіна всі температури позитивні, тому що відлік температур ведеться від нуля – 0К.