Атомистическое учение, характеристики молекул, температура

Лекция № 6 История атомистических учений. Масса и размеры молекул. Тепловое движение. Абсолютная температура

История атомистических учений

Молекулярная физика – раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения, силы взаимодействия между частицами, образующими тела и характеры теплового движения этих частиц.

 

Молекулярная физика исходит из того, что любое тело – твердое, жидкое или газообразное – состоит из громадного числа молекул, которые находятся в беспорядочном движении, интенсивность которого зависит от температуры. При изучении молекулярной физики Вы познакомитесь со строением, структурой и свойствами некоторых материалов, с особенностями агрегатных изменений, рассмотрите зависимости количественных характеристик от физико-механических свойств веществ и их строения.

 

Молекулярная физика служит научной основой современного материаловедения, вакуумной технологии, порошковой металлургии, холодильной техники.

 

Атомизм — натурфилософская и физическая теория, согласно которой чувственно воспринимаемые (материальные) вещи состоят из химически неделимых частиц — атомов. Возникла в древнегреческой философии. Дальнейшее развитие получила в философии и науке Средних веков и Нового времени.

Термин атомизм употребляется в двух смыслах. В широком смысле атомизмом называется любое учение об атомах. Понимание в узком смысле — древнегреческая философская школа V-IV веков до н. э., учение которой является самой ранней исторической формой атомизма. В обоих случаях употребляется также термин атомистика. Термин атомистический материализм является более узким, так как некоторые сторонники учения об атомах считали атомы идеальными.

В индийской философии атомизм разрабатывался независимо от европейской философии. Примером этого может служить школа вайшешика. Европейская атомистика возникла в Древней Греции.

Школа атомистов

Атомизм был создан представителями до сократовского периода развития древнегреческой философии Левкиппоми его учеником Демокритом Абдерским. Согласно их учению, существуют только атомы и пустота. Атомы – мельчайшие, неделимые, не возникающие и не исчезающие частицы.  Качественно однородные, непроницаемые (не содержащие в себе пустоты) сущности (частицы), обладающие определённой формой.

Атомы бесчисленны, так как пустота бесконечна. Форма атомов бесконечно разнообразна. Атомы являются первоначалом всего сущего, всех чувственных вещей, свойства которых определяются формой составляющих их атомов. Демокрит предложил продуманный вариант механистического объяснения мира: целое у него представляет собой сумму частей, а беспорядочное движение атомов, их случайные столкновения оказываются причиной всего сущего.

В атомизме отвергается положение элеатов о неподвижности бытия, поскольку это положение не дает возможности объяснить движение и изменение, происходящее в чувственном мире. Стремясь найти причину движения, Демокрит «раздробляет» единое бытие Парменида на множество отдельных «бытий»-атомов, мысля их как материальные, телесные частицы.

Платон

Сторонником атомизма был Платон, который считал, что атомы имеют форму идеальных Платоновских тел (правильных многогранников).

Эпикурейство

Эпикур, основатель эпикурейства, воспринял от атомистов учение об атомах.

В поэме древнеримского эпикурейца Лукреция «О природе вещей» атомы характеризуются как телесные («тельца» — корпускулы) и состоящие из материи.

В IV веке до н.э. появилось учение, основоположником которого является Аристотель, которое позднее будет поддержано христианской церковью: «Любое тело может делиться до бесконечности».

В 18 веке М.В. Ломоносов предполагал, что:

• атомно-молекулярные представления о строении вещества. В период господства теории теплорода утверждал, что теплота обусловлена движением корпускул.
• молекула может быть однородной и разнородной и находиться в хаотическом движении.

В этом же столетие член Петербургской академии наук Даниил Бернулли впервые применил понятие молекулы для объяснения давления газов.

В 19 веке Д.К. Максвелл первым высказал утверждение о статистическом характере законов природы. В 1866 году им открыт первый статистический закон — закон распределения молекул по скоростям.

Эрнст Резерфорд предложил в 1911 году планетарную модель атома. Осуществил в 1919 первую искусственную ядерную реакцию.

 

Атомистика первой половины XX в.

 

Исследования по радиоактивности стали проводиться в России почти сразу после открытия Беккереля. Ученые И. И. Боргман (1900 г.) и А. П. Афанасьев исследовали свойства радиоактивного излучения, в частности лечебные свойства целебных грязей. В. К. Лебединский (1902 г.) и И. А. Леонтьев (1903 г.) изучали влияние радиоактивности на искровые разряды и определили одними из первых природу гамма-лучей.

Н. А. Орлов исследовал действие радия на металлы, парафин, легкоплавкие органические вещества. Кроме Петербургского университета такого рода работы велись в Медицинской академии, в университетах Новороссийска, Харькова и других городов. Важные результаты в этой области были получены В. А. Бородовским, Г. Н. Антоновым, Л. С. Коловрат-Червинским.

 

В 1900 г. немецкий физик-теоретик М. Планк (1858-1947) ввел новую универсальную постоянную, названную им элементарным квантом действия. Введя понятие кванта энергии, он сформулировал квантовую гипотезу, положив тем самым начало квантовой теории, или, коротко, атомизации действия. Впервые годы эта теория не имела «шумного успеха», пока ее не применил А. Эйнштейн и не показал ее незаменимость для понимания явлений, происходящих в микромире.

 

В 1911 г. Э. Резерфорд (1871-1937) сделал в Манчестере доклад «Рассеяние альфа- и бета-лучей и строение атома». X. Гейгер и Э. Марсден провели экспериментальную проверку идеи Резерфорда о строении атома. Они подтвердили существование ядра атома как устойчивой его части, несущей в себе почти всю массу ато­ма и обладающей положительным зарядом.

 

В 1913 г. Н. Бор (1885-1962) опубликовал серию статей «О строении атомов и молекул», открывших путь к атомной квантовой механике.

 

Многочисленные исследования, проведенные этими учеными, позволили сформулировать основные положения молекулярно-кинетической теории – МКТ.

МКТ объясняет строение и свойства тел на основе закономерностей движения и взаимодействия молекул, из которых состоят тела.

В основе МКТ лежат три важных положения, подтвержденные экспериментально и теоретически.

1.Все тела состоят из мельчайших частиц – атомов, молекул, в состав которых входят еще более мелкие элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны). Строение любого вещества дискретно (прерывисто).

2.Атомы и молекулы вещества всегда находятся в непрерывном хаотическом движении.

3.Между частицами любого вещества существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания. Природа этих сил электромагнитная.

Эти положения подтверждаются опытным путем.

Межмолекулярное взаимодействие – это взаимодействие электрически нейтральных молекул и атомов.

Силы, действующие между двумя молекулами, зависят от расстояния между ними. Молекулы представляют собой сложные пространственные структуры, содержащие как положительные, так и отрицательные заряды. Если расстояние между молекулами достаточно велико, то преобладают силы межмолекулярного притяжения. На малых расстояниях преобладают силы отталкивания.

Зависимости результирующей силы F и потенциальной энергии Ep взаимодействия между молекулами от расстояния между их центрами качественно изображены на рис.1. При некотором расстоянии r = r0 сила взаимодействия обращается в нуль. Это расстояние условно можно принять за диаметр молекулы.

Потенциальная энергия взаимодействия при r = r0 минимальна. Чтобы удалить друг от друга две молекулы, находящиеся на расстоянии r0, нужно сообщить им дополнительную энергию E0. Величина E0 называется глубиной потенциальной ямы или энергией связи.

Между электронами одной молекулы и ядрами другой действуют силы притяжения, которые условно принято считать отрицательными (нижняя часть графика). Одновременно между электронами молекул и их ядрами действуют силы отталкивания, которые условно считают положительными (верхняя часть графика).

На расстоянии равном размеру молекул результирующая сила равна нулю, т.е. силы притяжения, уравновешивают силы отталкивания. Это наиболее устойчивое расположение молекул. При увеличении расстояния притяжение превосходит силу отталкивания, при уменьшении расстояния между молекулами – наоборот.

Атомы и молекулы взаимодействуют, и значит, обладают потенциальной энергией.

Атомы и молекулы находятся в постоянном движении, и значит, обладают кинетической энергией.

Масса и размеры молекул

Большинство веществ состоит из молекул, поэтому для объяснения свойств макроскопических объектов, объяснения и предсказания явлений важно знать основные характеристики молекул.

Молекулой называют наименьшую устойчивую частицу данного вещества, обладающую его основными химическими свойствами.

Молекула состоит из ещё более мелких частиц – атомов, которые в свою очередь , состоят из электронов и ядер.

Атомом называют наименьшую частицу данного химического элемента.

Размеры молекул очень малы.

Порядок величины диаметра молекулы 1*10^-8 см = 1*10^-10 м

Порядок величины объёма молекулы 1*10^-20 м3

О том, что размеры молекул малы, можно судить и из опыта. В 1 л (м3) чистой воды разведем 1 м3 зеленых чернил, тете разбавим чернила в 1 000 000 раз. Увидим, что раствор имеет зеленую окраску и вместе с тем однороден. Это говорит о том, что даже при разбавлении в 1 000 000 раз в воде находится большое количество молекул красящего вещества. Этот опыт показывает, как малы размеры молекул.

В 1 см3 воды содержится 3,7*10^-8 молекул.

Порядок величины массы молекул 1*10^-23 г = 1*10^-26кг

В молекулярной физике принято характеризовать массы атомов и молекул не их абсолютными значениями (в кг), а относительными безразмерными величинами относительной атомной массой и относительной молекулярной массой.

По международному соглашению в качестве единичной атомной массы m₀ принимается 1/12 массы изотопа углерода ¹²С (m_0С):

m₀ =1/12 m_0С=1,66 *10^-27

Относительную молекулярную массу можно определить, если абсолютное значение массы молекулы (m_мол в кг) разделить на единичную атомную массу.

M₀ = m_мол / 1/12 m_0С

Относительная молекулярная (атомарная) масса вещества (из таблицы Менделеева)

⁷₁₄N Азот           M_0N = 14         M_0N2 = 28

Относительное число атомов или молекул, содержащихся в веществе характеризуется физической величиной, называемой количеством вещества.

Количество вещества ע – это отношение числа молекул (атомов) N в данном макроскопическом теле к числу молекул в 0,012 кг углерода N_A

ν = N/Na = m/M

Количество вещества выражают в молях

Один моль – это количество вещества, в котором столько же молекул (атомов), сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода.

Моль любого вещества содержит одинаковое число молекул.

Это число называют постоянной Авогадро N_A =6, 02 * 10²³моль ^-1

Масса одного моля вещества называется молярной массой.

M = m0*Na

Число молекул в данной массе вещества:

Масса вещества (любого количества вещества):

m = m0*N = ν*Na*m0 = ν*M

Определение молярной массы:

M = m/ν , кг/моль

 

Тепловое движение. Температура. Абсолютная температура

Температура, измерение температуры

Температура — физическая величина, характеризующая тепловое состояние тел.

В окружающем мире происходят различные физические явления, которые связаны с нагреванием и охлаждением тел, поэтому часто встречаемся с понятиями «холодно», «горячо».

Однако ощущение тепла и холода является субъективным фактором, к примеру, если  коснуться левой рукой  деревянного тела, а правой –  металлического тела, то левая рука ощущает тепло, правая – холод, хотя предметы находятся в одной комнате.

Отсюда вывод: с помощью ощущений судить о температуре невозможно.
Для количественной оценки состояния температуры тела используют приборы.

Первый прибор для объективной оценки температуры служил термоскоп,

изобретенный Галилеем в 1592 г. За счет изменения объема воздуха в шаре уровень воды в открытой трубке как поднимался, так и опускался. Таким образом, выясняли изменение температуры.

Но данное изобретение было несовершенным, во-первых, конец трубки не запаян, поэтому на изменение уровня воды в трубке влияло атмосферное давление, во-вторых, отсутствие числового значения температуры.

В дальнейшем в изобретении приборов для измерения температуры стали вносить изменения:  концы трубок должны быть запаяны,  вместо воды использовать ртуть или подкрашенный спирт, но и показания температуры должны быть представлены в виде числа, что способствовало изобретению термометра с определенной шкалой.

Ученые того времени располагали числа на шкале измерительного прибора по-разному, указав верхнюю и нижнюю опорные точки:

1.Г. Фаренгейт принял за опорные точки температуру таяния льда (32 °F) и среднюю температуру тела здорового человека (100 °F).

2.Р. Реомюр предложил один  градус приравнять 1/80 разности температур кипения воды и таяния льда при нормальном атмосферном давлении.

3.Шведский физик А. Цельсий в качестве опорных точек использовал температуру замерзания воды и таяния льда (0 °С) и температуру кипения воды (100 °С) при нормальном атмосферном давлении.

4.У. Томсон ввёл абсолютную шкалу температуры, в которой за 0 K принята температура -273,15°С. Эта шкала нашла применение в науке и технике и стала основой международного стандарта.

Всеми названными температурными шкалами до сих пор пользуются в разных странах. Зная соотношение между ними, всегда можно сделать соответствующий перевод и представить температуру в знакомой шкале.

Таким образом, температура тел измеряется с помощью термометра и выражается в градусах Цельсия (°C — единица измерения температуры). Буквенное обозначение температуры – t⁰.

АБСОЛЮТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА (термодинамическая температура) — температура Т, отсчитываемая от абсолютного нуля.
Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином) , в связи с чем шкалу абсолютной температуры
называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой. Единица абсолютной температуры — кельвин (К) .
1К = 1 °С. Значения абсолютной температуры связаны с температурой по Цельсия шкале (t °С) соотношением t = Т — 273,15 К.

Тепловое движение

Известно, что диффузия или самопроизвольное взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого при более высокой температуре происходит быстрее. Из этого следует, что скорость перемещения молекул и температура  взаимосвязаны между собой.

Если увеличить температуру, то скорость движения молекул увеличится, если уменьшить – понизится, так как движение частиц связано с кинетической энергией,  поэтому температура — мера средней кинетической энергии движения структурных частиц тела. Чем больше эта энергия, чем выше температура тела.

Если рассмотреть движение частиц газа с большими скоростями в сосуде и в разных направлениях, то частицы начинают сталкиваться друг с другом и со стенками сосуда, что приводит к изменению направления  и скорости движения частиц.

Беспорядочное движение структурных частиц, из которого состоят тела, называют тепловым движением.

Это движение никогда не прекращается. В тепловом движении участвуют все частицы тела,  поэтому  при изменении характера теплового движения меняется  состояние самого тела и происходит переход из одного агрегатного состояния в другое.
К примеру, если повысить температуру льда, то частицы, находясь  в строго определенном порядке, начинают отдаляться друг от друга, нарушая порядок в расположении частиц,  и вещество переходит в жидкое состояние. Если же, наоборот, понижать температуру, к примеру, ртути, то она изменит свои свойства, и из жидкого состояния перейдет в твердое.

Указанные явления такие, как таяние льда, кристаллизация  жидкости, относят к тепловым явлениям.

Итоги по теме урока

Таким образом, тепловые явления – это явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, а также с изменением их агрегатного состояния. Все тепловые явления связаны с температурой, которая является главной характеристикой состояния тела.

Температура –  это мера нагретости тел и к тому же физическая величина, для измерения которой используется такой прибор, как термометр. На сегодняшний день сохранились три основные шкалы: шкала Цельсия, Фаренгейта, Кельвина. Наибольшее распространение получила шкала Цельсия.