Тема 2 молекулярна фізика та термодинаміка

Лекція 6 . Основи молекулярно – кінетичної теорії газів

План

1. Основні означення та поняття молекулярно – кінетичної теорії.

2. Основні положення молекулярно – кінетичної теорії.

3. Тиск газу. Основне рівняння МКТ газів.

4. Температура.

5. Швидкості газових молекул та їх вимірювання.

6. Поняття про статистичний розподіл.

7. Барометрична формула. Розподіл Максвела - Больцмана.

1. Основні означення та поняття молекулярно – кінетичної теорії.

Розділ фізики, в якому вивчається будова, фізичні властивості та агрегатні стани речовини на основі їхньої мікроскопічної будови, називається молекулярною фізикою. В її основі лежать підтверджені теоретично та експериментально положення, що речовина складається з молекул та атомів, які перебувають в безперервному хаотичному русі і взаємодіють між собою.

Молекула – найменша частинка речовини, яка зберігає всі її хімічні властивості і складається з атомів, сполучених між собою хімічними зв’язками

Сили взаємодії молекул називають молекулярними силами. Відстань між центрами молекул, на якій сили притягання змінюються силами відштовхування, приймається за діаметр молекули. При високих температурах або під дією зовнішніх факторів молекули можуть бути розщеплені на атоми. Цей процес називається дисоціацією.

Через велику кількість молекул в речовині інформація про них повинна мати узагальнений характер і стосуватися не окремих частинок, а їх сукупності. Такий метод називається статистичним і використовується в статистичній фізиці.. В статистичній фізиці розраховуються середні значення фізичних параметрів макроскопічних тіл.

Основні фізичні величини:

• Маса атомів та молекул:

• Кількість речовини: , m – маса речовини, M – молярна маса (за табл.. Менеделеєва), N – кількість молекул в речовині, N_A –кількість молекул в одному молі ( число Авогадро).

• Молярний об’єм – об’єм одного моля речовини:

2. Основні положення молекулярно – кінетичної теорії.

Молекулярна фізика вивчає властивості речовин, виходячи з їx будови. В основі її лежать 3 положення.

1. Уci тіла складаються з молекул або атомів, між якими є проміжки.

2. Молекули знаходяться в безперервному хаотичному pyci.

3. Молекули взаємодіють силами притягування та відштовхування.

Підтвердження МКТ:

• стискання газів;

• дифузія;Дифузія (змішана, чи гетеродифузія) — це проникнення молекул дея­кої речовини в ділянки простору, в яких уже знаходяться молекули іншої речовини. Максимальна швидкість дифузії в газах, мінімальна — в твердих тілах.

• Броунівський рух.Ботанік Броун, розглядаючи під мікроскопом краплю рідини з урівноваженими в ній частин­ками (насіння,, спори, пилок), виявив їх безладний рух. Час­тинки (посередники між моле­кулами і спостерігачем) руха­ються під ударами невидимих у мікроскоп молекул.

3.Тиск газу. Основне рівняння мкт газів.

Для вивчення процесів в газах використовують модель – ідеальний газ:: сукупність величезної кількості молекул, розмірами і взаємодією яких можна знехтувати. Єдина їх взаємодія — пружні зіткнення.

Реальні гази (наприклад, азот) наближено розглядаються як ідеальний газ при достатньо низькому тиску та високій температурі.

Знайдемо тиск ідеального газу на стінки посудини кубічної форми

Тиск газу p на внутрішню поверхню посуди­ни — результат безладних ударів безлічі мо­лекул. При цьому:

а) p~n,

- концентрація молекул,

N — загальне число молекул у посудині,

V— об'єм посудини.

б) p~m₀ (m₀ – маса молекул);

в) p~ ( – середня швидкість молекул);

г) - кількість молекул, що рухаються в напрямі стінки посудини.

При пружній взаємодії зі стінкою посудини зміна імпульсу молекули дорівнює імпульсу сили, з якою молекула діє на стінку:

f_i - середнє значення сили під час удару

Δt – тривалість удару молекули

Кількість зіткнень залежатиме від розміру посудини та швидкості руху молекули, отже за одну секунду на стінку діятиме з боку молекули сила

На кожну стінку куба діятиме сила з боку всіх молекул, тобто:

Після сумування матимемо: отже,

або

. Звідси:

Для однорідного газу

- середня квадратична швидкість руху молекул.

Рівняння

(1)

називають основним рівнянням молекулярно – кінетичної теорії газів. Воно встановлює зв’язок між молекулярними величинами і тиском, який характеризує газ як ціле і може бути виміряний на досліді.

Тиск газу визначається середньою кінетичною енергією поступального руху молекул і зумовлений одночасною дією їх величезної кількості.

Одиниці вимірювання тиску:

• 1 Па – тиск, при якому на 1м² поверхні нормально до неї діє сила 1Н.

• 1бар=10⁵ Па – використовується в техніці.

• 1 атм.(фізична атмосфера)=101325 Па ~1,01бар. – тиск стовпчика ртуті висотою 0,76м.

• 1 ат.(технічна атмосфера)=98066,5 Па =0,98бар

• 1ммрт.ст =1тор=1/760 атм=133,322 Па.