Статистические свойства макросистемы (молекулярно кинетическая теория)

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«МАТИ – Российский государственный технологический  университет

имени  К.Э. Циолковского»

(МАТИ)

 

 

 

 

 

 

Специальность: Экономика

                                             Дисциплина: Концепции современного естествознания

 

 

 

Реферат

«Статистические свойства макросистемы

(молекулярно кинетическая  теория)»

 

 

Карпушин Кирилл Николаевич

Группа 6ЭКА-226

Преподаватель Лигачева Е.А.

 

Москва

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

 

1. Вступление
2. Основные положения молекулярно-кинетических представлений
3. Вклад М.В. Ломоносова в Молекулярно-кинетическую теорию
4. Основные формулы молекулярно-кинетической теории
5. Вывод
6. Список литературы и сайтов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Вступление:

 

Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимно  дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй – молекулярной физики.

 

2. Основные положения молекулярно-кинетических представлений:

 

 

В основе молекулярно-кинетических представлений  о строении и свойствах макросистем  лежат три положения:

· любое тело – твердое, жидкое или газообразное – состоит из большого числа весьма малых частиц – молекул (атомы можно рассматривать  как одноатомные молекулы);

· молекулы всякого вещества находятся  в беспорядочном, хаотическом, не имеющем  какого-либо преимущественного направления  движении;

· интенсивность, определяемая скоростью  движения молекул, зависит от температуры  вещества.

Тепловые процессы связаны со строением  вещества и его внутренней структурой. Например, нагревание кусочка парафина на несколько десятков градусов превращает его в жидкость, а подобное нагревание металлического стержня не оказывает  на него заметного влияния. Такое  различное действие нагревания связано  с различием во внутреннем строении данных веществ. Поэтому исследование тепловых явлений можно использовать для выяснения общей картины  строения вещества. И, наоборот, определенные представления о строении вещества помогают понять физическую сущность тепловых явлений, дать им глубокое наглядное истолкование.

Количественным воплощением молекулярно-кинетических представлений служат опытные газовые  законы (Бойля–Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро, Дальтона), уравнение Клапейрона–Менделеева (уравнение состояния), основное уравнение кинетической теории идеальных газов, закон Максвелла для распределения молекул и др.

 
     Цель молекулярно-кинетической теории - объяснение свойств макроскопических  тел и тепловых процессов, протекающих  в них, на основе представлений  о том, что все тела состоят  из отдельных, беспорядочно движущихся  частиц.  
    А т о м о м называется наименьшая частица данного химического элемента.  
    Каждому химическому элементу соответствуют вполне определенные атомы, сохраняющие химические свойства данного элемента. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся в электрическом поле ядра.  
    М о л е к у л о й называется наименьшая устойчивая частица данного вещества, обладающая его основными химическими свойствами. Молекула состоит из одного или нескольких атомов одинаковых или различных химических элементов. По международному соглашению массы всех атомов и молекул сравниваются с 1/12 массы атома углерода (углеродная шкала относительных атомных масс).  
    1 а.е.м. = 1/12 массы атома углерода =1 ,66 * 10 ^-23 кг.  
    К о л и ч е с т в о м   в е щ е с т в а называется физическая величина, определяемая числом молекул, атомов или ионов.  
    Единицей количества вещества является моль (масса не является мерой количества вещества).  
    В 1 моле любого вещества содержится одинаковое число атомов, молекул, равное Nа=6,02 * 10²³ 1/моль (число или постоянная Авогадро).  
    Количество вещества можно выразить через отношение:  
                                               v = N / Na .  
N -число молекул в данном теле.    

 Объем 1 моля называется молярным объемом. При нормальных условиях ( Р=10⁵ Па и t=0⁰ С ) молярные объемы всех газов одинаковы:  
                                           V = 22,4 л/моль.  
    Молярная масса: М = М_о Nа  
                                         V = 22,4 * 10^-3 м ³/ моль. М_о - масса одного атома или молекулы.  
    Число молей можно определить:  
                                         v = m/М, где m - масса вещества.  
    Молярная масса определяется по формуле: M = М_отн 10^-3 кг/моль.  
    М_отн определяется из таблицы Менделеева.

 

 

 

3) Вклад М.В. Ломоносова в Молекулярно-кинетическую теорию

Одним из выдающихся естественнонаучных достижений М. В. Ломоносова является его  молекулярно-кинетическая теория тепла.

М. В. Ломоносов обращает внимание научного сообщества на то, что  ни расширение тел по мере нагревания, ни увеличение веса при обжиге, ни фокусировка  солнечных лучей линзой, не могут  быть качественно объяснены теорией  теплорода. Связь тепловых явлений  с изменениями массы отчасти  и породили представление о том, что масса увеличивается вследствие того, что материальный теплород проникает  в поры тел и остается там.  
Опровергая одну теорию, М. В. Ломоносов предлагает другую, в которой с помощью бритвы Оккама он отсекает лишнее понятие теплорода.  
Вот логические выводы М. В. Ломоносова, по которым, «достаточное основание теплоты заключается»:

1. «в движении какой-то материи» — так как «при прекращении движения уменьшается и теплота», а «движение не может произойти без материи»;
2. «во внутреннем движении материи», так как недоступно чувствам;
3. «во внутреннем движении собственной материи» тел, то есть «не посторонней»;
4. «во вращательном движении частиц собственной материи тел», так как «существуют весьма горячие тела без» двух других видов движения «внутреннего поступательного и колебательного», напр. раскалённый камень покоится (нет поступательного движения) и не плавится (нет колебательного движения частиц).

«Таким образом, мы доказали a priori и подтвердили a posteriori, что причиною теплоты является внутреннее вращательное движение связанной материи». Эти рассуждения имели огромный резонанс в европейской науке.  
Теория, как и полагается, более критиковалась, нежели принималась учеными. В основном критика была направлена на следующие стороны теории:

М. В. Ломоносов утверждает, что  все вещества состоят из корпускул  — молекул, которые являются «собраниями» элементов — атомов. В своей  диссертации «Элементы математической химии» .Учёный дает такое определения: «Элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличающихся от него тел… Корпускула есть собрание элементов, образующее одну малую массу». 
 
В более поздней работе он вместо «элемента» употребляет слово «атом», а вместо «корпускула» — партикула (лат. particula) — «частица» или «молекула» (лат. molecula). «Элементу» он придаёт современное ему значение — в смысле предела делимости тел — последней составной их части. Древние говорили: «Как слова состоят из букв, так и тела — из элементов». Атомы и молекулы (корпускулы и элементы) у М. В. Ломоносова часто также — «физические нечувствительные частицы», чем подчёркивает, что эти частицы чувственно неощутимы. М. В. Ломоносов указывает на различие «однородных» корпускул, то есть состоящих из «одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом», и «разнородных» — состоящих из различных элементов. Тела, состоящие из однородных корпускул, то есть простые тела, он называет началами (лат. principium). 
 
Своей корпускулярно-кинетической теорией тепла М. В. Ломоносов предвосхитил многие гипотезы и положения, сопутствовавшие дальнейшему развитию атомистики и теорий строения материи. В его тезисах, логических построениях и доказательствах можно наблюдать следующие аналогии с представлениями, ставшими актуальными более чем сто лет спустя: атомы — шарообразные вращающиеся частицы — следующий шаг был сделан только с гипотезой электрона, Увеличение скорости вращения сказывается повышением температуры, а покой — предвосхищает мысль об абсолютном нуле и невозможности его. Ломоносов, при ошибочной исходной тезе о соприкосновении частиц (но — вращательном!), тем не менее, впервые использует геометрическую модель для доказательства, связанного с формой, строением и взаимодействием разной величины шарообразных атомов; опытным путём вплотную приблизился к открытию водорода; дал кинетическую модель идеального газа, по отдельными положениям, при ряде поправок — соответствующую принятой в дальнейшем; демонстрирует зависимость между объёмом и упругостью воздуха (см. закон Бойля-Мариотта), тут же указывает на дискретность её для воздуха при сильном его сжатии, что определяет конечный размер его молекул — настоящая мысль применена Я. Д. Ван-дер-Ваальсом в выводе уравнения реального газа; рассматривая тепло и свет, М. В. Ломоносов приходит к выводам о вращательном («коловратном») распространении частиц тепла и волновом («зыблющемся») — частиц света (в 1771 году тепловое излучение, «лучистую теплоту», рассматривает К. В. Шееле); русский учёный говорит об одном происхождении света и электричества, что, при определённых поправках на общие представления времени, сопоставимо с положениями электромагнитной теории Д. К. Максвелла. Некоторые из этих утверждений в той или иной форме в дальнейшем высказывались другими учёными, в едином рассмотрении — никем. Справедливость этих аналогий и предшествие гипотез М. В. Ломоносова достаточно убедительно показаны химиком и историком науки Н. А. Фигуровским и многими другими учёными. 
 
Вращательное движение М. В. Ломоносов положил в основу своей «Натуральной философии», как один из фундаментальных принципов мироздания. При всём умозрительно-философском характере и логике идей М. В. Ломоносова (учёный достаточно широко использовал и математический аппарат; но математика сама по себе ни есть «абсолютный гарант достоверности» — достоверны должны быть исходные — неслучайно.

Выводы механической теории теплоты, подтвердив саму её, впервые обосновали гипотезу об атомно-молекулярном строении материи — атомистика получила объективные  естественнонаучные доказательства. С  корпускулярной теорией и молекулярно-кинетическими  взглядами М. В. Ломоносова напрямую связанно его понимание актуальности закона сохранения вещества и силы (или движения). Принцип сохранения силы (или движения) для него стал начальной аксиомой в рассмотрении им аргументов в обосновании молекулярного  теплового движения. Принцип этот регулярно применяется им в ранних работах. В диссертации «О действии химических растворителей вообще» он пишет: «Когда какое-либо тело ускоряет движение другого, то сообщает ему часть своего движения; но сообщить часть движения оно не может иначе, как теряя точно такую же часть». Аналогичны соображения о принципе сохранения вещества, показывающего несостоятельность теории теплорода.

Являясь противником теории флогистона, М. В. Ломоносов, тем не менее, вынужден был делать попытки согласования её со своей «корпускулярной философией» (например, объясняя механизм окисления  и восстановления металлов, «состав» серы — рационального понимания  явлений не было, отсутствовала научная  теорией горения — еще не был  открыт кислород), что было естественно  в современной ему всеобщей «конвенциональности» относительно теории «невесомых флюидов» — иначе он не только не был бы понят, но его идеи вообще не были бы приняты к рассмотрению. Но учёный уже подвергает критике Г. Э. Шталя: «Так как восстановление производится тем же, что и прокаливание, даже более сильным огнем, то нельзя привести никакого основания, почему один и тот же огонь то внедряется в тела, то из них уходит». 
 
Основные сомнения М. В. Ломоносова связаны с вопросом невесомости флогистона, который, удаляясь при кальцинации из металла, даёт возрастание веса продукта прокаливания — в чём учёный усматривает явное противоречие «всеобщему естественному закону». М. В. Ломоносов оперирует флогистоном как материальным веществом, которое легче воды — по существу указывая на то, что это — водород. Он пишет: «…При растворении какого-либо неблагородного металла, особенно железа, в кислотных спиртах из отверстия склянки вырывается горючий пар, который представляет собой не что иное, как флогистон, выделившийся от трения растворителя с молекулами металла (ссылка на "Диссертацию о действии химических растворителей вообще") и увлеченный вырывающимся воздухом с более тонкими частями спирта. Ибо: 1) чистые пары кислых спиртов невоспламенимы; 2) извести металлов, разрушившихся при потере горючих паров, совсем не могут быть восстановлены без добавления какого-либо тела, изобилующего горючей материей». К аналогичному выводу («горючий воздух» — флогистон, позднее названный водородом), более 20 лет спустя пришел английский ученый Г. Кавендиш, который был уверен, что его открытие разрешает все противоречия теории флогистона. Идентичный вывод М. В. Ломоносова в работе «О металлическом блеске» (1751) «остался незамеченным», М. В. Ломоносов своей «корпускулярной философией» не только подвергает критике наследие алхимии и ятрохимии, но, выдвигая продуктивные идеи, использовавшиеся им на практике — формирует новую теорию, которой суждено было стать фундаментом современной науки.

4. Основные формулы молекулярно-кинетической теории:

1. Основы молекулярно-кинетической теории:

2. N_A – постоянная Авогадро.
3. Основное уравнение МКТ идеального газа:

4. Среднеквадратичная скорость молекул:

5. R – универсальная газовая постоянная.
6. Давление идеального газа на стенки сосуда:

p = nkT.

7. k – постоянная Больцмана.
8. Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул:

9. Закон Дальтона:

p = p1 + p2 + p3 + ... = (n1 + n2 + n3 + ...)kT.

10. Уравнение состояния идеального газа:

11. R = kN_A – универсальная газовая постоянная.
12. Изотермический процесс (закон Бойля-Мариотта):

pV = const  при  V = const.

13. Изохорный процесс (закон Шарля):

14. Изобарный процесс (закон Гей-Люссака):