Основные положения МКТ вещества и ее опытные обоснования

Основные положения МКТ вещества и ее опытные обоснования Левкипп и Демокрит – 400 лет до н.э. М. В. Ломоносов – XVIII в. «О причине теплоты и холода», «О коловратном движении корпускул». 1. Все вещества состоят из мельчайших частиц (молекул и атомов). Молекулы разделены промежутками. Размеры атомов (молекул) равны 10-10 – 10-9 м. Атом - наименьшая частица химического элемента, которая является носителем его химических свойств. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся в кулоновском поле ядра по законам квантовой механики.

Молекула – наименьшая устойчивая частица вещества, обладающая всеми химическими свойствами и состоящая из одинаковых (простое вещество) или разных (сложное вещество) атомов, объединенных химическими связями. 2. Атомы (молекулы) вещества находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении. Наиболее яркое доказательство – броуновское движение (Р. Броун, 1827 г.) мелких частиц, взвешенных в жидкости, происходящее из-за непрерывных беспорядочных соударений этих частиц с молекулами жидкости. Другой простой экспериментальный факт, доказывающий тепловое движение атомов вещества, - диффузия. 3. Между атомами (молекулами) существуют силы взаимодействия (притяжение и отталкивание).

На далеких расстояниях (превышающих несколько радиусов молекулы) взаимодействие слабо и носит характер притяжения, быстро убывающего с ростом расстояния. С уменьшением расстояния это притяжение сначала несколько возрастает, а затем стремится к нулю. В момент соприкосновения электронных оболочек молекул возникают быстро растущие силы отталкивания. 4. Характер теплового движения молекул зависит от того, в каком агрегатном состоянии (твердом, жидком или газообразном) находится вещество.

Опытные обоснования

Температура - это особый термодинамический параметр, характеризующий интенсивность теплового движения частиц в равновесной системе. Положение о существовании температуры как особой функции состояния равновесной системы называют нулевым началом термодинамики. Эмпирической температурой тела называют установленную опытным путем меру отклонения термодинамического состояния тела от состояния теплового равновесия с тающим льдом (при нормальном атмосферном давлении). Выделяют жидкостные, механические, электрические, оптические, газовые термометры. Температура и температурные шкалы

Абсолютный нуль температуры по шкале Цельсия равен 273,15 0С. Абсолютный нуль температуры по шкале Реомюра равен - 218,4 0R.

Микроканоническое распределение, принцип равновероятности Микроканонический ансамбль – ансамбль, состоящий из одинаковых систем с равными энергиями, т.е. рассматривается вероятность различных состояний замкнутой системы, находящейся в равновесии. Постулат о микроканоническом распределении гласит: все микросостояния равновесной замкнутой системы являются равновероятными. Согласно этому распределению система за большой промежуток времени пройдет все доступные для нее микросостояния. В среднем время пребывания системы в любом микросостоянии одно и то же.

Теория броуновского движения Под броуновским движением понимается непрерывное хаотическое движение мельчайших (но еще макроскопических по размерам) частиц вещества, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под влиянием теплового движения молекул. Наблюдение - Р. Броун (R. Brown) 1827 год Теория - А. Эйнштейн, М. Смолуховский, 1905 год Опыты - Ж.Б. Перрен, 1908-1911 гг.

Броуновская частица перемещается за счет хаотических ударов многих молекул, бомбардирующих ее со всех сторон. Воздействие на нее молекул по некоторым направлениям часто оказывается некомпенсированным. Результирующая сила в определенные моменты достаточна, чтобы сдвинуть частицу малой массы, поэтому частица беспорядочно двигается в среде. Броуновское движение – удобная модель для описания многих физических процессов, обратных рассеянию энергии на вязкое трение и идущих с убылью энтропии. Рассмотрим далее уравнение движения частицы, взвешенной в жидкости.

стохастическая сила – воздействие молекул на частицу в покое сила вязкого трения; - усреднение по множеству броуновских частиц, движущихся независимо друг от друга флуктуирующая сила, обусловленная бомбардировкой частицы молекулами жидкости

Проведем усреднение последнего равенства по множеству броуновских частиц, движущихся независимо друг от друга. Предварительно воспользуемся теоремой о равномерном распределении энергии по степеням свободы: Введем обозначение: После усреднения получаем:

Решение последнего уравнения будет иметь вид: Среднеквадратичное смещение броуновской частицы (1) Квадрат перемещения броуновской частицы пропорционален времени, прошедшему с начала наблюдения за ней. Квадрат перемещения броуновской частицы за одинаковые промежутки времени увеличивается с повышением температуры и уменьшается с возрастанием коэффициента вязкого трения .

(1) - формула Эйнштейна закон Стокса (2) Если проинтегрировать выражение (1) с учетом начального условия получаем соотношение:

Статистическая теория флуктуаций Статистическая физика приводит к выводу, что в системе обязательно происходят самопроизвольные отклонения от равновесного состояния. При этом значения параметров колеблются вблизи некоторых средних (равновесных) значений. Спонтанные отклонения какого-либо параметра от его равновесного значения, возникающие в силу хаотичности внутреннего движения в системе, называются флуктуациями физической величины.

Флуктуация – отклонение мгновенного значения физической величины x от ее среднего значения: