Тепловые явления · 10 класс · урок 1 из 6 · Мякишев, «Физика 10» (2019), гл. 6, § 37–39, 42–46, § 37

Основные положения МКТ и их опытные обоснования

Выход к заданиям: ЕГЭ №7, ЕГЭ №9, ЕГЭ №10

Сначала нужно знать: Строение вещества из 7–8 класса
Зачем этот урок: Качественные вопросы ЕГЭ: броуновское движение, диффузия, силы взаимодействия молекул
Дальше: Характеристики молекул. Количество вещества

Основы МКТ · урок 1

Из чего состоит вещество и как движутся его частицы

Молекулярная физика

Молекулярная физика изучает свойства тел в разных агрегатных состояниях на основе их молекулярного строения. В неё входят молекулярно-кинетическая теория (МКТ) и термодинамика.

Во второй половине XIX века Клаузиус, Максвелл и Больцман связали измеряемые макроскопические параметры газа — температуру, давление, объём — с микроскопическими: концентрацией и скоростями молекул.

Молекулы всё время движутся и обладают кинетической энергией — отсюда название теории. Законы механики для каждой молекулы не применить — их слишком много; работает статистика, которая даёт средние значения.

Три положения МКТ

Вещество состоит из частиц — молекул и атомов.
Частицы непрерывно и хаотически движутся.
Частицы взаимодействуют друг с другом.

Сегодня каждое положение строго доказано опытом. Атомистическую гипотезу высказывали ещё Демокрит и Левкипп; основы молекулярно-кинетической теории в России заложил М. В. Ломоносов.

Частицы можно увидеть

Сканирующий туннельный микроскоп (Бинниг и Рорер, 1980-е, Нобелевская премия 1986) даёт увеличение в $10^8$ раз и показывает отдельные атомы. Атомы ксенона даже выложили в слово IBM.

Диаметр атома углерода — $1{,}4 \cdot 10^{-8}$ см, у других атомов размеры того же порядка.

Оценим число молекул в $1$ г воды ( $1$ см³). Диаметр молекулы воды $\approx 3 \cdot 10^{-8}$ см, на неё приходится объём $(3 \cdot 10^{-8})^3$ см³:

N = \frac{1\ \text{см}^3}{(3 \cdot 10^{-8}\ \text{см})^3} \approx 3{,}7 \cdot 10^{22}.

Броуновское движение

В 1827 году ботаник Роберт Броун увидел под микроскопом, что мелкие частицы пыльцы в воде непрерывно и беспорядочно движутся.

Причина — удары молекул жидкости: в каждый момент число ударов справа и слева, сверху и снизу случайно и не уравновешено, частица получает толчки и меняет скорость.

При нагревании броуновское движение усиливается. Теорию создали Эйнштейн и Смолуховский (1905–1906), подтвердил Перрен — это стало окончательной победой МКТ.

Броуновское движение видно и в газе: так движутся пылинки и частицы дыма.

Диффузия

Диффузия — самопроизвольное взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ друг в друга.

Запах духов расходится по комнате, капля чернил окрашивает воду, сложенные вместе отшлифованные пластины свинца и золота за годы проникают друг в друга.

В газах диффузия идёт быстрее всего, в жидкостях — медленнее, в твёрдых телах — очень медленно. С ростом температуры она ускоряется.

Диффузия и броуновское движение — опытные доказательства второго положения: частицы движутся непрерывно и хаотически.

Силы взаимодействия молекул

Твёрдые тела не рассыпаются, жидкости не разлетаются — частицы притягиваются. Жидкости и твёрдые тела почти не сжимаются — частицы отталкиваются.

Силы короткодействующие: на расстояниях больше $2$ – $3$ диаметров молекул почти исчезают. Вдали заметно только притяжение; при сближении растёт и притяжение, и отталкивание.

При $r = r_0$ (около суммы радиусов) силы уравновешены; при $r < r_0$ преобладает отталкивание, при $r > r_0$ — притяжение.

Природа сил — электромагнитная: молекулы нейтральны, но состоят из электронов и ядер, которые взаимодействуют с зарядами соседей.

ОпытХаотическое движение молекул

Молекулы газа сталкиваются друг с другом и со стенками. Цвет молекулы — её скорость.
Предскажи: что станет с движением и давлением, если поднять температуру?
Подними температуру до $3$ и посмотри на гистограмму скоростей.
Увеличь радиус молекул — чаще ли они сталкиваются?

Даже при постоянной температуре у молекул разные скорости — из хаоса само собой устанавливается распределение Максвелла. Нагрев сдвигает его к большим скоростям.

ФизЛаб · Идеальный газ (МКТ)120 молекул, T = 1 у. е.matfizliga.ru/fizlab/#gas?N=120&T=1&R=4

ЕГЭ, МКТПример 1

Выберите неверное утверждение: 1) все вещества состоят из частиц; 2) между всеми частицами действуют гравитационные силы; 3) в любом агрегатном состоянии вещество не является сплошным; 4) силы притяжения между частицами вещества всегда меньше сил отталкивания.

1 и 3 — первое положение МКТ, верно. 2 — тяготение действует между любыми телами, имеющими массу, верно (хотя между молекулами оно ничтожно).
4 неверно: при $r > r_0$ притяжение больше отталкивания — иначе вещество разлетелось бы.
Ответ — 4.

Ответ: 4

ЕГЭ, МКТПример 2

Какие опыты доказывают существование хаотического теплового движения молекул? 1) наблюдение диффузии; 2) наблюдение броуновского движения; 3) непосредственное наблюдение движения молекул в оптический микроскоп; 4) первый и второй опыты.

Диффузия — самопроизвольное перемешивание за счёт движения частиц.
Броуновское движение — следствие ударов хаотически движущихся молекул.
Молекулы слишком малы для оптического микроскопа: виден только броуновский «танец» крупных частиц. Ответ — 4.

Ответ: 4

ЕГЭ, МКТПример 3

Броуновская частица находится в жидкости, температуру жидкости медленно повышают. Что происходит с модулем скорости частицы и почему? 1) уменьшается — частице труднее двигаться среди быстрых молекул; 2) увеличивается — молекулы жидкости бьют по ней сильнее; 3) не меняется — частица большая; 4) колеблется.

С ростом температуры молекулы жидкости движутся быстрее и ударяют по частице с большей силой.
Нескомпенсированные толчки становятся сильнее — частица движется интенсивнее. Ответ — 2.

Ответ: 2

Главное

Положения МКТ: вещество из частиц; частицы движутся хаотически и непрерывно; частицы взаимодействуют.
Доказательства движения — броуновское движение и диффузия; с нагревом оба усиливаются.
Размеры атомов $\sim 10^{-10}$ м, в $1$ г воды $\sim 10^{22}$ молекул.
Силы между молекулами короткодействующие, электромагнитные: при $r < r_0$ отталкивание, при $r > r_0$ притяжение.

Основные положения МКТ и их опытные обоснования

Все уроки станции «Основы МКТ»