Предмет молекулярной физики. Теплота.

В механике мы изучали механическое движение макроскопических тел. Их внутренняя структура, свойства, причины существования различных агрегатных состояний нас не интересовали. Механика также не отвечает на вопросы о природе сил, причинах их возникновения: почему при деформации тел появляются силы упругости, каков механизм возникновения сил трения. Наконец, в механике мы рассматривали наиболее простую форму движения материи – механическую.

В разделе «Молекулярная физика. Термодинамика» изучаются основные закономерности тепловой формы движения материи. Молекулярная физика изучает и объясняет макроскопические свойства вещества в различных состояниях, а также закономерности, которым подчиняются превращения вещества из одного состояния в другое на основании представления о молекулярной структуре вещества, характере движения атомов и молекул и силах, действующих между ними. Такой метод называется молекулярно - кинетическим.

В молекулярной физике (и в других разделах её) используется и более общий метод – метод статистической механики. В нём не рассматривается поведение отдельной молекулы, а исследуются большие совокупности частиц. Этот метод неприменим к небольшому числу молекул.

И третий метод этого раздела – термодинамический. Суть его в том, что систему многих частиц можно рассматривать, не интересуясь её внутренним строением. Явления изучаются при этом не с точки зрения их механизма, а исходя из тех превращений энергии, которыми эти явления сопровождаются.

Основные положения молекулярно – кинетической теории имеют опытное обоснование: броуновское движение, опыты Перрена, диффузия.

Броуновское движение : в 1827 году английский ботаник Броун наблюдал в микроскоп очень мелкие частицы – споры папоротника, взвешенные в воде. Он обнаружил, что каждая частица движется непрерывно по ломаной траектории. Объяснить это можно только тем, что она движется под влиянием ударов молекул воды. Когда частица велика, то результирующий импульс, полученный ею от большого числа ударяющихся об неё молекул, практически равен нулю и она неподвижна. Когда частица мала, то сумма импульсов, получаемых частицей с разных сторон, не равна нулю, и она совершает движение по ломаной под действием этих толчков. С повышением температуры интенсивность броуновского движения растет, с понижением - замедляется. Теория броуновского движения была разработана Эйнштейном(1905), и независимо от него польским учёным Смолуховским (1906г).

Диффузия – это второй опытный факт, подтверждающий молекулярно- кинетическую теорию. Она заключается в том, что смешивающиеся жидкости, приведённые в соприкосновение так, чтобы между ними образовалась достаточно резкая граница, с течением времени постепенно, без внешнего воздействия, перемешиваются, и граница между ними исчезает.

Такое самопроизвольное перемешивание вызвано молекулярным движением в жидкости: молекулы одной жидкости проникают в объём другой жидкости. С течением времени жидкости полностью перемешиваются. При повышении температуры этот процесс диффузии ускоряется, при понижении температуры – замедляется.

Диффузия имеет место и в газах, причём в газах она идёт гораздо интенсивнее, т.к. скорость газовых молекул и длина свободного пробега в них гораздо больше, чем у жидкостей.

Диффузия происходит и в твердых телах, но гораздо медленнее. Если сжать вместе кусок золота и свинца, то с течением времени произойдет проникновение молекул одного вещества в другое. И здесь рост температуры ускоряет процесс.

Опыты Перрена: (1908 г.) Французский учёный Жан Перрен экспериментально доказал реальность атомов и молекул.

Перрен дал опытное подтверждение теории броуновского движения Эйнштейна и распределения молекул по скоростям Максвелла, получённого теоретически. Опыты начались в 1906 г. и длились несколько лет. В опытах Перрен определил число Авогадро, исходя из предположения о справедливости молекулярно - кинетической теории и опираясь на основные её положения и соотношения.

Он изготавливал эмульсию из микрочастиц и рассматривал её как идеальный газ. С помощью микроскопа исследовалось распределение этих частиц по высоте и по данным измерений определялась N_А. Распределение Максвелла проверялось в эксперименте по исследованию полоски атомов серебра. Результаты опытов Перрена дали хорошее согласие с другими методами по определению числа Авогадро.

В настоящее время существуют прямые методы наблюдения молекул и атомов. Крупные молекулы видны в электронный микроскоп. Так, физики из США Ритц и Бартел с помощью электронных микроскопов получили фотографии отдельных атомов при увеличении в 500 миллионов раз.