Молекулярно-кинетический смысл давления

Опыт Штерна

Молекулярно-кинетическая теория

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три положения:

1) Вещество состоит из микроскопических частиц (молекул), разделенных промежутками

2) Эти частицы (молекулы) находятся в непрерывном хаотическом движении

3) Частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые на больших расстояниях являются силами притяжения, а на маленьких, силами отталкивания

Впервые предположение о дискретном строении вещества на уровне догадок высказал Демокрит. Основы молекулярно-кинетической теории были заложении русским ученым Ломоносовым. Дальнейшее развитие МКТ получила в трудах Клаузиуса, Максвелла, Больцмана и Джоуля. МКТ подтверждают теплопроводность, броуновское движение, процесс диффузии.

Молекула – наименьшая устойчивапя обособленная частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами. Размеры молекул колеблются от 10^–10 до 10^–7 м.

МКТ находит свое подтверждение в броуновском движении, диффузии. Определение скорости теплового движения впервые было осуществлено в опыте Штерна.

Установка немецкого физика О. Штерна состояла из двух коаксиальных цилиндров. По общей оси протянута платиновая проволока, покрытая слоем серебра. При пропускании тока по проволоке, атомы серебра испаряются. Испаряющиеся атомы разлетаются во все стороны. Во внутреннем цилиндре имеется щель, пролетая сквозь которую, атомы серебра оседают на внутренней поверхности внешнего цилиндра. При вращении установки. Атомы осаждаются не напротив щели, а смещаются на некоторое расстояние. Измеряя смещение можно вычислить скорость атомов серебра. При вращении серебряная полоска оказывается размытой, что говорит о том, что атомы имеют разную скорость.

С точки зрения молекулярно кинетической теории, давление газа – это есть результат ударов молекул газа о стенку.

Выделим площадку и рассмотрим процесс столкновений молекул с этой стенкой. Будем считать, что молекулы движутся с разными скоростями, в разных направлениях, но молекулы газа одинаковы.

Разделим процесс столкновения на два этапа:

1. Молекулы подлетают к стенке и, в процессе взаимодействия с молекулами стенки их скорость становится равной нулю.

2. Импульс молекулы увеличивается под действием силы отталкивания от нуля до конечного значения скорости, с которой молекулы отлетают от стенки.

Разделим все газа на группы, так что молекулы каждой имеют почти одну и ту же по величине и направлению скорость и рассмотрим молекулы какой-то i -той группы.

В процессе 1 за время dt к стенке подлетают молекул данной группы, при этом их импульс меняется на величину, где – число молекул данной группы в единицу объема газа.

В процессе 2 молекулы отлетают от стенки хаотично. Рассмотрим j группу молекул, двигающихся от стенки. За время dt их импульс изменился за счет действия сил отталкивания от стенки на величину

Средняя сила, действующая на молекулы газа, направлена перпендикулярно стенке вдоль оси Ox, поэтому, где в последней сумме учитываются молекулы, движущиеся как к стенке, так и от нее. Давление. В силу того, что все направления движения молекул равновероятны,, где,. Тогда. Эта формула справедлива как в релятивистском случае, так в нерелятивистском. В нерелятивистском случае можно формулу расписать как, где – средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы.

Замечание 1: При выводе этой формулы не учитывались столкновения между молекулами. Поскольку при столкновении происходит процесс перехода одной группы в другую, то при вычислении давления это будет не существенно, а существенен учет поступательного движения молекул.

Замечание 2: Если молекулы не тождественны и взаимодействуют друг с другом, то можно найти давление каждой группы молекул, а общее давление будет равно сумме давлений каждой группы …. Отсюда следут закон Дальтона.

Пример: Давление фотонного газа.

Если скорость частиц газа сравнима со скоростью света, то такой газ называется релятивистким в земных условиях.

Возьмем какую-то полость и будем поддерживать стенки этой полостипри какой-то постоянной температуре. Стенки будут испускать инфракрасное излучение, состоящее из фотонов. Такой газ, состоящий из хаотически движущихся во всех направлениях фотонов, называется фотонным газом. Давление фотонного газа можно посчитать, учитывая, что импульс фотона равен, тогда, где – объемная плотность потока энергии.

Дата добавления: 2014-01-04