Презентация, доклад по физике для 1 курса на тему: Молекулярно-кинетическая теория. Основные понятия.

2016

физики, в котором рассматриваются свойства тел как результат движения и взаимодействия молекул, из которых состоят эти тела.


При этом мы исключаем из рассмотрения те явления, которые связаны с изменением состава, перестройкой молекул, что является в значительной степени областью химии.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

процессов на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных хаотически двигающихся частиц.

Основой молекулярной физики является
Молекулярно-кинетическая теория строения вещества
(МКТ)

и макроскопическими параметрами вещества и, исходя из этого, найти уравнение состояния данного вещества.

Например, зная массы молекул, их средние скорости и концентрацию, найти объём, давление и температуру данной массы газа. Или выразить давление газа через его объём и температуру.

частица вещества, сохраняющая его свойства.

Молекулы и атомы всех веществ находятся в непрерывном хаотическом движении, называемом тепловым. Интенсивность этого движения возрастает с повышением температуры.

3.Молекулы (атомы) взаимодействуют между собой. Между ними действуют силы притяжения и отталкивания.

Основные положения МКТ

В основе МКТ лежат три утверждения:

движение

растений. Шотландский ботаник Роберт Броун (Brown) ещё при жизни как лучший знаток растений получил титул «князя ботаников». Он сделал много замечательных открытий. 

Неожиданно Броун увидел, что мельчайшие твёрдые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Он установил, что эти движения, по его словам, «не связаны ни с потоками в жидкости, ни с её постепенным испарением, а присущи самим частичкам». Наблюдение Броуна подтвердили другие учёные. Мельчайшие частички вели себя, как живые, причем «танец» частиц ускорялся с повышением температуры и с уменьшением размера частиц и явно замедлялся при замене воды более вязкой средой. Это удивительное явление никогда не прекращалось: его можно было наблюдать сколь угодно долго.

Clarkia pulchella

Интересуясь, как пыльца участвует в процессе оплодотворения, он разглядывал под микроскопом выделенные из клеток пыльцы североамериканского растения Clarkia pulchella (кларкии хорошенькой) взвешенные в воде удлинённые цитоплазматические зерна.

в беспорядочном, никогда не прекращающемся движении. Они сталкиваются друг с другом и с другими частицами. Наталкиваясь на споры, молекулы вызывают их скачкообразные перемещения, что Броун и наблюдал в микроскоп. А поскольку молекулы в микроскоп не видны, то движение спор и казалось Броуну беспричинным.

На этом рисунке – модель броуновского движения. Множество мелких шариков символизируют собой молекулы воды, а большой шар – спору. Количество ударов шариков о шар слева и справа, сверху и снизу, спереди и сзади не всегда одинаково. Под действием «перевеса» ударов с какой-нибудь стороны шар будет перескакивать на новое место.

Броуновское движение – это хаотическое движение мелких частиц твёрдого вещества под ударами молекул жидкости или газа, в которых эти частицы находятся.

проникают в промежутки друг между другом. А это и означает смешивание веществ.
Запах духов или бензина довольно быстро распространяется по комнате или гаражу. Так происходит потому, что духи и бензин испаряются – переходят в газообразное состояние, а диффузия в газах происходит быстро: за секунды-минуты. Заметно медленнее диффузия протекает в жидкостях: за недели-месяцы, а в твёрдых телах – очень медленно: за годы-столетия.
В тёплой комнате диффузия протекает быстрее.

Явление самопроизвольного проникновения частиц одного вещества в другое вещество принято называть диффузией.

учение о мельчайших частицах, из которых построено любое вещество.

Одна из древнеиндийских философских школ учила, что вечные части вселенной состоят из четырех элементов: воды, земли, огня и воздуха. Частички этих элементов вечны и несотворимы.

считали, что любое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц.
Анаксагор учил о вечных элементах мира, «семенах» (или «гомеомериях»), которые включают в себя всю полноту мировых качеств и управляются космическим Умом.

Гомеомерии Анаксагора не похожи и на атомы в нашем смысле, то есть на простые химические элементы, потому что в числе их у него приведены, между прочим, мясо, дерево и т. п.
«Гомеомерии», «семена вещей», вначале были в беспорядке смешаны и образовывали хаос. 
Мировой «ум»  — тончайшее и легчайшее вещество — приводит их в движение и упорядочивает: неоднородные элементы отделяются друг от друга, а однородные соединяются — так возникают вещи.

сыграли очень важную роль в развитии науки. Атомистику Демокрита развивали другие философы античного мира: Эпикур, Лукреций, Платон. Противники атомизма утверждали, что материя делится до бесконечности. К их числу может быть отнесён Аристотель.

Эту идею поддержали и развили Левкипп и Демокрит. Согласно их учению, существуют только атомы и пустота (атом — греческое слово, означающее «неделимый»). Атомов бесконечное множество, и они бесконечно различны по форме, но качественного различия атомов не существует.

различных сортов атомов, но разнообразием различных соединений этих атомов (теперь мы называем такие соединения молекулами).

Атомы невидимы и не обнаружимы в отдельности только вследствие своей чрезвычайной малости. Именно в силу этого огромная совокупность атомов, образующая твердое или жидкое тело, внушает нам представление о непрерывности этих тел. Атомы находятся в непрерывном движении, соединения их могут распадаться, превращаясь в другие соединения, что и объясняет наблюдаемые нами превращения веществ (теперь мы называем такие перестройки молекул химическими превращениями вещества).

XVII столетии, когда были заложены основы физики, крупнейшие ученые того времени стояли на позициях атомистики (Галилей).
Ряд высказываний, предвосхитивших некоторые положения молекулярной теории, принадлежат Ньютону (например, представления о кристаллической решетке, межмолекулярных силах и т. д. )

существовать наибольшая степень холода, т. е. должен существовать абсолютный нуль температуры. Сохранились собственноручные рисунки Ломоносова, на которых молекулы изображены в виде зубчатых колес.

Большой шаг вперед в развитии молекулярно-кинетической теории был сделан великим русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым в середине XVIII в. Ломоносов сформулировал молекулярную гипотезу, основные черты которой весьма близки к современным воззрениям.
Согласно Ломоносову, частицы вещества, атомы или корпускулы — это шарики с шероховатыми поверхностями. Шарики беспорядочно двигаются, сталкиваются между собой и благодаря шероховатым поверхностям получают при столкновениях вращательное движение.

в его время они не получили признания, как это неоднократно бывало в истории науки, и лишь через сто лет, во второй половине XIX в. молекулярно - кинетическая теория в её современной форме была создана трудами Клаузиуса, Максвелла, Больцмана и др..

Гей-Люссак, Дальтон, Авогадро опытным путем установили основные газовые законы.

подтверждается экспериментально.
С помощью электронного микроскопа, дающего увеличение в сотни тысяч раз, удалось наблюдать и сфотографировать отдельные крупные органические молекулы.

Электронный микроскоп

затем подвергнутой ионной бомбардировке поверхности монокристалла меди. Снято в растровом электронном микроскопе. Увеличение - 3000.

создается ионным пучком от термоионного или газоразрядного ионного источника.

сферы на поверхности, обезвоженный образец.
Изображение получено с помощью сканирующего зондового микроскопа в режиме атомно-силового микроскопа. Средний диаметр сфер порядка 94 нм.

нас окружают: дома, машины, вода в стакане, вода в океане и т.д.

При макроскопическом подходе к изучению тел нас интересуют их макропараметры: их размеры, объёмы, массы, энергии и т.д.

При микроскопическом подходе нас интересуют микропараметры: размеры, объём, масса, энергия молекул, ионов и атомов.

МКТ объясняет явления и свойства тел с точки зрения их микроскопического строения. 

вещества.
Выделяют три основных агрегатных состояния: 
твёрдое тело, жидкость и газ.
Существуют и другие агрегатные состояния, например, жидкие кристаллы.
Твёрдое тело - состояние, характеризующееся способностью сохранять объём и форму. Атомы твёрдого тела совершают лишь небольшие колебания вокруг состояния равновесия. 
Жидкость - состояние вещества, при котором оно обладает малой сжимаемостью, то есть хорошо сохраняет объём, однако неспособно сохранять форму. Атомы или молекулы жидкости совершают колебания вблизи состояния равновесия, и часто перескакивают на другие свободные места.
Газ – состояние, характеризующееся хорошей сжимаемостью, отсутствием способности сохранять как объём, так и форму.

их разновидности:
из твёрдого в жидкое – плавление;
из жидкого в газообразное – испарение и кипение;
из твёрдого в газообразное – сублимация;
из газообразного в жидкое или твёрдое – конденсация.

Плазму выделяют в особое агрегатное состояние вещества в связи с тем, что заряженные частицы плазмы, в отличие от нейтральных молекул обычного газа, взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях. Этим объясняется ряд своеобразных свойств плазмы.

данное вещество, совершенно одинаковы; различные вещества состоят из различных молекул. В природе существует чрезвычайно большое количество различных молекул.
Молекулы состоят из более мелких частиц — атомов.

Масса и размеры атомов и молекул

Атомы — мельчайшие частицы химического элемента, сохраняющие его химические свойства.
Число различных атомов сравнительно невелико и равно числу химических элементов (116) и их изотопов (около 1500).

составляют 3∙10-10 м, воды – 2,6 ∙10-10 м.
Соответственно, чрезвычайно малы и массы атомов и молекул. Поэтому для решения задач молекулярной физики вместо собственно масс атомов и молекул используют их относительные величины, сравнивая массу атома или молекулы с 1/12 массы атома изотопа Карбона (углерода)

Это сравнение было принято в 1961 г. по предложению Международного союза теоретической и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry, в 1960 г. с таким же предложением выступал Международный союз теоретической и прикладной физики). Такой выбор обусловлен тем, что Карбон входит в состав многих химических соединений.

кг

В ядре атома углерода содержится 12 нуклонов. Массы нейтрона и протона примерно равны. Поэтому в качестве единицы массы удобно использовать среднюю массу нуклона в атоме определённого химического элемента.

Атомная единица массы (а.е.м., она же «дальтон») – средняя масса нуклона в атоме углерода

Атомная единица массы равна 1/12 массы атома углерода

в килограммах:

Относительная атомная масса Ar - число атомных единиц массы, содержащихся в массе атома.

Относительная атомная масса почти совпадает с числом нуклонов в его ядре: Ar ≈ A. (A = Z + N)

Относительная молекулярная масса Mr – это отношение массы молекулы к 1/12 массы атома Карбона (углерода) mc

атомов, ионов) в данном теле.

Количество вещества

Для определения количества вещества в теле сравнивают число молекул в нём с числом атомов в 0,012 кг (12 г) изотопа углерода  .

Поскольку число молекул в макроскопических телах очень велико, в расчётах используется не абсолютное, а относительное число молекул.

Количество вещества, в котором содержится столько же молекул (атомов), сколько их содержится в 12 г углерода, называется молем.

количеством вещества ν формулой m = M ν.

Молярная масса – это масса одного моля вещества.

Единица молярной массы в СИ – килограмм на моль (кг/моль), M = Mr∙10-3.

Масса вещества m связана с его молярной массой M и количеством вещества ν формулой m = M ν.
Молярная масса – это масса одного моля вещества.

Так, молекулярная масса углекислого газа Mr C = 44, молярная MC = 44·10 -3 кг/моль.
Зная массу вещества и его молярную массу М, можно найти число молей (количество вещества) в теле:
ν = m / M .

июля 1856 г

Число частиц в одном моле вещества называется постоянной Авогадро NA.

Физический смысл постоянной Авогадро: число Авогадро показывает, что в одном моле любого вещества содержится 6,02∙1023 молекул.

Закон Авогадро: в равных объёмах разных газов при одинаковых условиях всегда содержится одинаковое количество молекул.

Более точное значение постоянной Авогадро: 6,02214084(18) ∙1023

и количество молекул, содержащихся в веществе.

Масса молекулы mо :

M – молярная масса вещества, NA – число Авогадро;
m – масса всего вещества, N – количество молекул в нём;
ρ – плотность вещества, n – концентрация молекул (число молекул в единице объёма)

Число молекул N : N = NA ∙ ν = n ∙ V = m / mо

V – объём вещества