Основы МКТ
Основные положения МКТ
Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) объясняет свойства макроскопических тел и тепловых процессов, которые в них происходят, на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных беспорядочно движущихся частиц.
А что за макроскопические тела?
Макроскопическим телом называются объекты, которые состоят из большого числа единичных составляющих, например атомов и молекул.
Макроскопическим телом будет собранная фигурка из лего, а его составными частями — отдельные детальки.
Разберем на молекулы теорию о них:
«Молекулярный» — о каких-то маленьких частицах, молекулах.
«Кинетический» — связанный со скоростью, с идеей, что маленькие элементы находятся в движении.
«Теория» — предположение о чем-либо.
Придумывать новый раздел физикам пришлось, потому что механика не могла объяснить все вокруг нас. Например, тепловые процессы.
Почему при изменении температуры воды ее свойства так сильно меняются? Летом можно весело играть с друзьями водяными пистолетами, а зимой достаточно слепить снежок и запустить в цель.
Что заставляет сыр на бутербродах в микроволновке плавиться и растягиваться, прилипая к тарелке?
Физики о таком, конечно, не переживали. Но факт, что одни металлы уже плавятся тогда, когда другие только начинают нагреваться, вызывал большой интерес. Интуиция подсказывала, что теплота влияет на характеристики тел, осталось только объяснить – как.
Металл галлий настолько чувствительный, что тает от тепла наших рук. Хорошо, что ложки и вилки делают из обычного железа. Его мы максимум немного нагреем.
Все наблюдения ученых свелись к основным положениям.
База МКТ в трех утверждениях:
- вещества состоят из частиц;
- частицы беспорядочно движутся;
- частицы взаимодействуют друг с другом.
Доказательства положений
Сильные заявления, проверять их мы, конечно… Конечно, будем! Доказать, что утверждения верны и ученые ничего не выдумали, можно опытами.
Частицы составляют вещества
Сейчас для нас фраза «все вокруг создано из мельчайших частиц» — это банальщина. Ну, создано, ок, и что? А вот раньше ученые много старались над доказательствами.
Частицы — это молекулы и атомы. Они такие крохотные, что школьный микроскоп этого не покажет. Зато можно самим провести опыт хоть дома.
Если в широкую миску с водой капнуть капельку масла, она растечется по поверхности воды не на всю миску, а только на небольшую площадь. Так произойдет, потому что количество масла совсем небольшое. При этом капля постарается растечься на самую большую возможную площадь, и толщина слоя масла будет максимально минимальной — в одну частицу, в одну молекулу.
Получается, можно посчитать размер этой молекулы:
Если объем слоя V — это произведение площади поверхности S на толщину слоя d, V=Sd → d=V/S
Возьмем капельку масла V=1 мм³ или 10-9 м3. Растечься она сможет на определенную площадь, когда толщина станет минимальной — в одну частицу. Если измерить эту площадь супер тонкого слоя масла, то будет S=0,6 м². Тогда мы сможем рассчитать примерный размер частицы:
d=V/S=10-9/0,6≈1,7*10-9 м или примерно 1,7 нано метр.
У ученых покруче микроскопы достаточно мощны, чтобы увидеть не только молекулы, но и отдельные атомы веществ.
Частицы движутся
Доказать движение частиц тоже достаточно просто. Мы сталкиваемся с этим явлением даже чаще, чем кажется.
Забегаешь ты с физ-ры в раздевалку, а там дышать нечем. От самой двери чувствуется, что учитель сегодня гонял от души. А как это получилось, когда пот только на тебе и остальных? Как его запах заполнил всю раздевалку и даже начал оттуда выползать?
Броуновское движение в помощь.
Броуновское движение — тепловое движение взвешенных в жидкости или газе частиц.
Или, говоря нормально, частицы запаха пота начинают лететь от тебя во все стороны и перемешиваются с воздухом вокруг. Так учитель на следующем уроке догадается, после какого урока ты с классом пришел. Поймет, когда до него дойдут частицы с запахом.
Такое перемешивание физики еще называют диффузией.
Частицы взаимодействуют
Этот факт мы доказываем просто своим существованием, потому что, пока мы не рассыпались песком от старости, частицы, из которых мы состоим, неистово взаимодействуют. И приходится опять идти в школу учить физику.
Свойства всего, что нас окружает, в итоге определяются взаимодействиями этих малюсеньких штук, из которых все состоит. Чашка может разбиться, если упадет, потому что частицы стекла держатся друг за друга крепко, но не терпят перемен и расстаются после удара. А вот мяч просто отскочит от стены, потому что в нем частицы боевые и упругие — дадут отпор стене и оттолкнутся назад, в полете возвращаясь в прежнюю форму.
Взаимодействие проявляется не только в твердых телах, но еще и в жидкостях.
Поверхностное натяжение жидкостей — когда поверхность воды изгибается, чтобы удержать жидкость на определенной площади или удержать на поверхности жидкости какой либо предмет.
Частички жидкости на поверхности очень дружно держатся и стараются оставаться вместе, чтобы не растекаться или не пропускать внутрь мелкие предметы. Это похоже на переполненную маршрутку. Люди стоят близко-близко и держатся друг за друга на поворотах, хватаются за куртки, чтобы не выпасть раньше своей остановки. Так и капля на монетке своими молекулами держится, чтобы оставаться на маленьком кружке, не лопнуть и не забрызгать все вокруг.
Идеальный газ — идеальная модель
Что может быть лучше придуманных нереальных примеров, чтобы упростить жизнь и исследовать процессы без головной боли за каждую маленькую частицу? Физики так и подумали, и ввели идеальный предмет, почти как легендарный трофей в онлайн-игре. С названием заморачиваться не стали — идеальный газ.
Идеальный газ — теоретическая модель газа, в которой размеры молекул и их взаимодействия не учитываются.
Модель в определении — не девушка с подиума, а придуманная штука, которая работает всегда по понятным правилам.
Ученые договорились, что для такой модели как идеальный газ, будут учитывать только те свойства, которые необходимы для исследования закономерностей поведения системы.
«Те свойства» — это столкновения молекул газа. Размеры этих молекул для нас не важны, пусть будут материальными точками. Столкновения частиц будут происходить либо со стенками емкости, где будет находиться газ, либо между собой. В модели другие взаимодействия частиц будут отсутствовать.
Пока вы просто бегаете по залу классом и трогаете только стены или чуть-чуть друг друга, можно сказать, что вы похожи на идеальный газ. Как только кто-то столкнется и вместе упадет, модель перестанет работать.
Модель идеального газа легла в основу почти всех формул и законов, которые существуют в молекулярно-кинетической теории и началах термодинамики.
Подведем итоги:
1) МКТ рассматривает процессы, связанные с мельчайшими объектами — частицами;
2) из основных положений следует, что частицы беспорядочно движутся, взаимодействуют между собой и составляют все вещества;
3) доказать положения можно опытным путем:
2.1) движение частиц заметно при распространении в воздухе запахов и смешивании цветов краски;
2.2) взаимодействие частиц наблюдается при деформациях, особенно когда тело возвращается в исходную форму;
2.3) увидеть частицы, составляющие металл или клетку тела, можно в очень мощный микроскоп;
4) идеальный газ — удобная модель для формул и законов МКТ, в которой мы учитываем только столкновения частиц газа с сосудом или между собой.
Проверь себя
МКТ расшифровывается как:
а) моментно-кинетическая теорема;
б) молекулярно-корпускулярная теория;
в) молекулярно-кинетическая теория.
В основные положения МКТ НЕ входит:
а) движение частиц точно определено;
б) взаимодействие частиц между собой;
в) вещества состоят из частиц.
Когда модель идеального газа неприменима?
а) молекулы газа приняты за материальные точки;
б) молекулы газа взаимодействуют между собой;
в) у газа уменьшается объем.