Теория:
1. Основы молекулярно-кинетической теории
В основе учения о строении вещества лежат три утверждения:
- Все тела состоят из мельчайших частиц — молекул и атомов, между которыми есть промежутки.
- Эти частицы непрерывно и беспорядочно движутся. Такое движение называют тепловым, его интенсивность растет с повышением температуры.
- Частицы взаимодействуют друг с другом: на малых расстояниях преобладает отталкивание, на больших — притяжение.
Подтверждением этих положений служат несколько явлений:
Диффузия — взаимное проникновение молекул соприкасающихся веществ.
Рис. \(1\). Диффузия газов
Броуновское движение — беспорядочное перемещение мельчайших взвешенных частиц под ударами молекул среды.
Рис. \(2\). Броуновское движение
Характер движения и взаимодействия частиц определяет свойства веществ в разных агрегатных состояниях.
- В газах молекулы движутся хаотично, большую часть времени пролетая расстояние между столкновениями. Этим объясняется способность газов занимать весь представленный объем и легко сжиматься.
- В жидкостях молекулы колеблются около временных положений равновесия и могут перескакивать на новые места. Это обеспечивает текучесть и сохранение объема.
- В твердых телах частицы колеблются около фиксированных узлов кристаллической решетки, что объясняет сохранение формы и объема.
Обрати внимание!
Размеры молекул оценивают эффективным диаметром, который составляет примерно \(10^{-10}\) \(м\). Массу молекулы удобно выражать в атомных единицах массы (а.е.м), а относительная молекулярная масса показывает, во сколько раз масса молекулы больше \(\frac{1}{12}\) массы углерода.
2. Температура и тепловое равновесие
Температура — физическая величина, характеризующаяся степень нагретости тела.
Температура служит мерой средней кинетической энергии теплового движения частиц. В состоянии теплового равновесия все макроскопические параметры (температура давление) в изолированной системе остаются неизменными во времени.
В шкале Цельсия за \(0^{o}C\) принята температура таяния льда, за \(100^{o}C\) — кипения воды. Наряду с ней используется используется абсолютная шкала Кельвина. Начало отсчета по шкале Кельвина (\(0\) \(К\)) соответствует абсолютному нулю(\(-273,15^{o}C\)) — температуре, при которой теоретически прекращается тепловое движение частиц. Связь между шкалами выражается формулой:
\(T=t+273\)
Абсолютная температура напрямую связана со средней кинетической энергией поступательного движения молекул идеального газа:
\(E=\frac{3}{2}kT\),
где \(k=1,38 \cdot 10^{-23}\) \(Дж/К\) — постоянная Больцмана.
3. Идеальный газ и его законы
Для объяснения свойств газов при невысоких давлениях используют модель идеального газа. В этой модели:
- молекулы считаются материальными точками, размеры которых пренебрежимо малы;
- взаимодействие между молекулами отсутствует, кроме мгновенных упругих столкновений;
- давление газа обусловлено ударами молекул о стенки сосуда.
Состояние идеального газа описывается уравнением Менделеева-Клапейрона:
\(PV=\nu RT\),
где \(P\) — давление,
\(V\) — объем,
\(\nu\) — количество вещества,
\(R\) — универсальная газовая постоянная,
\(T\) — абсолютная температура.
Для постоянного количества газа возможны частные случаи, называемые изопроцессами.
| Изотермический процесс (\(T=const\)) | Закон Бойля-Мариотта | Давление обратно пропорционально объему: \(P_1V_1=P_2V_2\) |
| Изобарный процесс (\(P=const\)) | Закон Гей-Люссака | Объем прямо пропорционален температуре: \(\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}\) |
| Изохорный процесс (\(V=const\) | Зкон Шарля | Давление прямо пропорционально температуре: \(\frac{P_1}{T_1}=\frac{P_2}{T_2}\) |
Для смеси газов справедлив закон Дальтона: общее давление смеси химически не взаимодействующих газов равно сумме их парциальных давлений:
\(P=P_1+P_2+...+P_n\)
4. Измерительные приборы
Понимание газовых законов и тепловых явлений лежит в основе работы многих приборов.
 | Термометр использует свойство жидкостей (ртути, спирта) или газов изменять объем при нагревании для измерения температуры |
 | Барометр служит для измерения атмосферного давления, что имеет решающее значение в метеорологии для прогнозирования погоды, а также в альпинизме для оценки высоты |