Молекулярно-кинетическая теория газов

Остановимся на общих свойствах молекул газа.

1) Молекула – наименьшая частица вещества, состоящая из атомов и обладающая его основными химическими свойствами. Размеры молекул тем больше, чем больше числа атомов в них, и лежат в пределах от до см.

2) Молекулы газа находятся в непрерывном хаотическом движении. Слово "хаотическое" показывает, что не существует избранного, преимущественного направления движения молекул, все направления равновероятны.

Хаотическое движение молекул подтверждается в частности броуновским движением – движением очень маленьких частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкости или газе, под действием ударов молекул, и диффузией – проникновением молекул одного вещества в другое. (Например, диффузией обусловлено распространение запахов.)

3) Скорости молекул различны по величине. Одним из опытов, подтверждающих это, является опыт Штерна, в котором использовались два коаксиальных цилиндра радиусами и , причем внутренний цилиндр имел узкую щель (рис. 9.1). На оси симметрии помещалась посеребренная платиновая проволока. При пропускании тока через проволоку она нагревалась и происходило испарение атомов серебра с поверхности проволоки. На внутренней поверхности внешнего цилиндра появлялся слой серебра в виде тонкой полоски. При вращении цилиндров эта полоска должна была смещаться. Если бы скорости атомов были одинаковы и равны , то время, за которое атомы проходили бы расстояние , равнялось бы времени поворота цилиндра на угол , т.е.

, (9.1)

причем слой должен смещаться на . Из (9.1) следует, что

. (9.1 а)

Таким образом можно определить скорость атомов. Однако след оказался размытым, это означает, что атомы имеют разные скорости.

Одной из основных задач молекулярной физики является установление связи микропараметров газа (скорости молекул, их массы, концентрации) с макропараметрами (давлением, температурой). Объясним, что такое давление газа, как оно возникает с точки зрения молекулярной физики. Молекулы ударяются о стенки сосуда и взаимодействуют с ними по закону абсолютно упругого удара.

В результате удара молекула массой , летевшая к стенке со скоростью отскакивает от стенки со скоростью , причем, поскольку удар абсолютно упругий, (рис. 9.2). Изменение импульса молекулы

.

Импульс молекулы изменился, это означает, что на молекулу со стороны стенки подействовал импульс силы, по 2-му закону Ньютона равный

,

где — время взаимодействия молекулы со стенкой, мало.

По 3-му закону Ньютона на стенку со стороны молекулы подействовал импульс, равный по величине и противоположный по направлению:

.

Следовательно, давление возникает в результате толчков, которые испытывает стенка со стороны молекул. Сила давления перпендикулярна стенке сосуда. Если молекула летит под углом к стенке, то, как следует из рис. 9.3, изменение проекции импульса на ось х есть , изменение проекции импульса па ось у есть . Следовательно,

, ,

т. е. в результате удара независимо от того, как летит молекула, на стенку
действует сила, направленная перпендикулярно стенке.

Дата добавления: 2014-01-04