Молекулярно-кинетическая теория (Авогадро, Л.Больцман)

Введение

Молекулярная физика – это область, посвященная исследованию свойств веществ исходя из представлений об их внутренней структуре. В ней принято понимать, что все вещества состоят из молекул и поэтому, фактически, происходит изучение их форм движения (колебаний, поворотов и т.п.). В случае молекулярной физики, всегда приходится сталкиваться со структурами, в которых имеется очень много элементов. Чтобы приступить к их исследованию, были разработаны такие разделы в физике, как термодинамика и статическая физика. Термодинамика и молекулярная физика являются взаимодополняющими науками, однако имеют свои, оригинальные, методики изучения.
В молекулярно-кинетической теории основное внимание уделяется тем общим свойствам, которые наблюдаются в поведении атомов и молекул.
В данной работе будут рассмотрены истоки данной теории, перечислены ее основные положения, а также рассмотрены молекулярно-кинетическая теория теплоты и законы Авогадро и Больцмана.

1. Истоки молекулярно-кинетической теории

Уже в Древней Греции выдвигались предположения, что атомы находятся в постоянном движении. Первым, кто попытался осуществить его количественный анализ, стал Д. Бернулли еще в далеком 1738 году. Основной вклад в становление теории был внесен с 1850 по 1900 года Р. Клаузиусом, Л. Больцманом и Дж. Максвеллом. Помимо этого, этой группой ученых, также, были созданы основы для развития статистической механики, которая является чуть более абстрактной дисциплиной, которая, фактически, изучает аналогичный предмет, что и молекулярно-кинетическая теория, но занимается построение общих моделей.
В начале XX века произошел скачок в статистической физике. Данный скачок, в первую очередь, связан с известным американским физиком Дж. Гиббсом, которого называются главным основоположником всей статической физики. В данной области были важны, также, работы таких известных ученых, как М. Планк и А. Эйнштейн. К середине 20-х годов XX века на свет начала появляться квантовая механика, которая, в большей степени, смогла выдавить доныне применяемую в физике классическую. Даже в настоящее время многие вопросы в данной области остаются нерешенными и развитие в ней продолжается до сих пор [1, 2].

2. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Наиболее близкой стала теория строения вещества, которая была предложена и, в дальнейшем, приведена в жизнь еще в далеком XVIII веке известным отечественным ученым М.В. Ломоносовым. По его теории следовало, что любые вещества состоят из молекул, которые в его работах получили наименование корпускулы, которые образовывались с помощью атомов. Данная теория в мировой практике получила название корпускулярной.
В дальнейшем было показано, что атом тоже может быть разделен

. Было доказано, что в его составе имеются положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные частицы (электроны); при этом в целом атом является нейтральной частицей.
В настоящее время под атомом понимается та самая маленькая часть химического элемента, которая может переносить его свойства. Молекулы же представляют собой межатомно соединенные связи. Молекула, в целом, состоит из одного или набора атомов произвольных или однотипных химических элементов.
Каждое тело имеет в своей структуре огромное число молекул, атомов и ионов, которые движутся хаотично и непрерывно. Такое движение является без направленным и носит название теплового движения. При этом частицы, находящиеся в состоянии такого движения, постоянно испытывают взаимодействие друг с другом. Оно проявляется в виде абсолютно упругих столкновений.
Очевидно, что увидеть отдельные атомы или молекулы без помощи каких-то приборов мы не можем. А результат их воздействий увидеть можно.
Такие явления, как броуновское движение, диффузия или переход из одного агрегатного состояния в другое полностью подтверждают правдивость основных положений данной теории.

3 Молекулярно-кинетическая теория теплоты

Уже давно было доказано, что при остывании теплых тел происходит выделение (передача) тепловой энергии от горячего к холодному. До XIX в. считалось, что теплота - это некая жидкость (теплород), перетекающая от одного тела к другому. Самым важным открытием в физике XIX века стало то, что теплота начала представляться в виде кинетической энергии атомов и молекул. Это было применимо как к твердым, так и жидким и газообразным веществам. Было доказано, что в нагретых телах все частицы движутся значительно быстрее, чем в холодных.
Передаче тепловой энергии от теплого тела к холодному сопутствует соответствующее замедление и ускорение частиц, при этом энергия частиц второго тела увеличивается ровно на столько, насколько уменьшается энергия частиц первого. Поскольку теплота порождается беспорядочным движением молекул, можно повышать температуру тела, например, с помощью трения.
Еще одно тепловое явление - увеличение давления газов при нагревании. С повышением температуры скорость движения молекул увеличивается, они чаще и сильнее ударяются о стенки сосуда, в котором газ находится, что проявляется в повышении давления. Постепенное испарение жидкостей объясняется тем, что их молекулы одна за другой переходят в воздух, при этом первыми улетучиваются самые быстрые из них, а у тех, которые остаются, энергия в среднем оказывается меньше. Вот почему при испарении жидкостей с влажной поверхности она охлаждается