Основное уравнение МКТ

Объяснение изменений агрегатных состояний вещества на основе МКТ

Разные молекулы жидкости при одной и той же температуре движутся с разными скоростями. Если достаточно “быстрая” молекула окажется у поверхности жидкости, то она может преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости. Вылетевшие с поверхности жидкости молекулы образуют пар.

Превращение газа в жидкость с точки зрения МКТ объясняется тем, что при сближении молекул между ними возникают силы притяжения, и молекулы как бы слипаются, образуя капельки жидкости.

При плавлении подводимая к телу энергия идет на уменьшение связей между частицами вещества, т.е. на разрушение кристаллической решетки, при этом возрастает энергия взаимодействия между частицами, дальний порядок в расположении частиц нарушается, устанавливается ближний порядок. Отвердевание наоборот энергия взаимодействия частиц вещества уменьшается, устанавливается дальний порядок.

Это испарение изнутри и с поверхности жидкости. При нагревании жидкости пузырьки воздуха (он растворен в ней) внутри нее постепенно растут. Архимедова сила, действующая на пузырьки, увеличивается, они всплывают и лопаются. Эти пузырьки содержат не только воздух, но и водяной пар (не успевший испариться с поверхности), так как жидкость испаряется внутрь этих пузырьков.

о своим физическим свойствам и молекулярной структуре твердые тела разделяются на два класса – аморфные и кристаллические.

Характерной особенностью аморфных тел является их изотропность, т. е. независимость всех физических свойств (механических, оптических и т. д.) от направления внешнего воздействия. Молекулы и атомы в изотропных твердых телах располагаются хаотично, образуя лишь небольшие локальные группы, содержащие несколько частиц (ближний порядок). По своей структуре аморфные тела очень близки к жидкостям (см. §3.5). Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), пластики и т. д. Если аморфное тело нагревать, то оно постепенно размягчается, и переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.

В кристаллических телах частицы располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры во всем объеме тела. Для наглядного представления таких структур используются пространственные кристаллические решетки, в узлах которых располагаются центры атомов или молекул данного вещества. Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных) атомов, которые входят в состав молекулы данного вещества. Например, решетка поваренной соли содержит ионы Na⁺ и Cl^–, не объединенные попарно в молекулы NaCl (рис. 3.6.1). Такие кристаллы называются ионными.

Идеальный газ — математическая модель газа, в которой предполагается, что потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями.

Модель широко применяется для решения задач термодинамики газов и задач аэрогазодинамики. Например, воздух при атмосферном давлении икомнатной температуре с большой точностью описывается данной моделью. В случае экстремальных температур или давлений требуется применение более точной модели, например модели газа Ван-дер-Ваальса, в котором учитывается притяжение между молекулами.

Различают классический идеальный газ (его свойства выводятся из законов классической механики и описываются статистикой Больцмана) и квантовый идеальный газ (свойства определяются законами квантовой механики, описываются статистиками Ферми — Дирака или Бозе — Эйнштейна).

Известно, что молекулы газа беспорядочно движутся. При своем движении они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором находится газ. Молекул в газе много, потому и число их ударов очень велико. Например, число ударов молекул воздуха, находящегося в комнате, на поверхность площадью 1см2 за 1 сек. выражается двадцатитрехзначным числом. Хотя сила удара отдельной молекулы мала, но действие всех молекул о стенки сосуда значительно, оно и создает давление газа.
Итак, давление газа на стенки сосуда (и на помещенное в газ тело) вызывается ударами молекул газа. Известно, что молекулы газа беспорядочно движутся. При своем движении они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором находится газ. Молекул в газе много, потому и число их ударов очень велико. Например, число ударов молекул воздуха, находящегося в комнате, на поверхность площадью 1 см2 за 1 с выражается двадцатитрехзначным числом. Хотя сила удара отдельной молекулы мала, но действие всех молекул о стенки сосуда значительно, оно и создает давление газа. Итак, давление газа на стенки сосуда (и на помещенное в газ тело) вызывается ударами молекул газа.
При уменьшении объема газа его давление увеличивается, а при увеличении объема давление уменьшается при условии, что масса и температура газа остаются неизменными.
Давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменения в каждую точку объема жидкости или газа (закон Паскаля).

, где k является постоянной Больцмана (отношение универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро N_A), i — число степеней свободы молекул (

в большинстве задач про идеальные газы, где молекулы предполагаются сферами малого радиуса, физическим аналогом которых могут служить инертные газы), а T - абсолютная температура.

Основное уравнение МКТ связывает макроскопические параметры (давление, объём, температура) газовой системы с микроскопическими (масса молекул, средняя скорость их движения).

Температу́ра (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — скалярная физическая величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура входит в состав семи основных единиц и выражается в кельвинах. В состав производных величин СИ, имеющих специальное название, входит температура Цельсия, измеряемая в градусах Цельсия^[1]. На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда (0 °C) и температуре кипения (100 °C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном. Изменение температуры на один градус Цельсия тождественно изменению температуры на один Кельвин. Поэтому после введения в 1967 г. нового определения Кельвина, температура кипения воды перестала играть роль неизменной реперной точки и, как показывают точные измерения, она уже не равна 100 °C, а близка к 99,975 °C^[2].

Существуют также шкалы Фаренгейта и некоторые другие.

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул - среднее арифметическое значение кинетических энергий молекул вещества, обусловленные их поступательным движением.

Физический смысл температуры

Опыт: давление газа зависит от температуры - и . Из основного уравнения МКТ идеального газа: . Следовательно . Если мы установим, как меняется это выражение при переходе от одного состояния теплового равновесия к другому, то можно будет ввести понятие температуры и изучить ее свойства.	Физическая величина, одинаковая у любых тел при тепловом равновесии.
Опыт показывает, что для любых веществ . Заменяя знак пропорциональности на знак равенства, получим: , где k – коэффициент пропорциональности, называемый постоянная Больцмана, а Т – абсолютная термодинамическая температура.
Абсолютная температура. - абсолютная температура неотрицательна! Т.к. объем газа равен нулю быть не может, то температура равна нулю, если давление равно нулю, а значит, равна нулю скорость поступательного теплового движения (сохраняются т.н. нулевые колебания).
Единица температуры – Кельвин (К). Кельвин равен1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Шкала строится так, что .	КЕЛЬВИН 1К
	Температура абсолютного нуля не зависит от внешних условий и одинаковадля всех веществ.
Связь температуры и средней кинетической энергии поступательного движения молекул.
Сравнивая два выражения и , получим: . Т.о. средняя кинетическая энергия прямо пропорциональна абсолютной температуре. Температура - мера средней кинетической энергии молекул.
Постоянная Больцмана
Температуру можно измерять в энергетических единицах – Джоулях. При Т=0 средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул равна нулю. При комнатной температуре (300К) энергия примерно6^.10^-21Дж – очень маленькая (барабанные перепонки – шум в ушах; движение частиц мозга – передача сигналов).
Т.к. и , то - связь давления итемпературы (еще одна форма основного уравнения МКТ идеального газа).