ОСНОВИ ОСНОВИ МОЛЕКУЛЯРОНО МОЛЕКУЛЯРОНО

– КІНЕТИЧНОЇ – КІНЕТИЧНОЇ ТЕОРІЇ ТЕОРІЇ

ПЛАНПЛАН

1. Основні положення МКТ1. Основні положення МКТ 2. Основне рівняння МКТ2. Основне рівняння МКТ 3. Рівняння Больцмана3. Рівняння Больцмана 4. Розподіл Максвела4. Розподіл Максвела 5. Барометрична формула5. Барометрична формула 6. Вакуум та його використання6. Вакуум та його використання 7. Рівняння газового стану7. Рівняння газового стану

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ МКТОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ МКТ

Молекулярна фізика вивчає тепловий рух. Молекулярна фізика вивчає тепловий рух. Тепловий рух зумовлює внутрішні властивості Тепловий рух зумовлює внутрішні властивості тіл, і його вивчення дає змогу зрозуміти багато тіл, і його вивчення дає змогу зрозуміти багато фізичних процесів, які відбуваються в тілах.фізичних процесів, які відбуваються в тілах.

Мета МКТМета МКТ – пояснення властивостей – пояснення властивостей макроскопічних тіл і теплових процесів, що макроскопічних тіл і теплових процесів, що відбуваються в них, на основі уявлень про те, що відбуваються в них, на основі уявлень про те, що всі тіла складаються з окремих частинок, які всі тіла складаються з окремих частинок, які рухаються хаотично.рухаються хаотично.

Основні положення МКТ речовини:Основні положення МКТ речовини: 1.Будь-які речовини мають дискретну (переривчасту) 1.Будь-які речовини мають дискретну (переривчасту)

будову. Вони складаються з найдрібніших частинок будову. Вони складаються з найдрібніших частинок молекул і атомів. молекул і атомів.

Підтвердженням дискретності є прокатка, кування металу, Підтвердженням дискретності є прокатка, кування металу, отримання 1974 року фотографії окремих молекул і отримання 1974 року фотографії окремих молекул і атомів, розчинність речовин тощо.атомів, розчинність речовин тощо.

Молекули - найменші частинки, які мають хімічні Молекули - найменші частинки, які мають хімічні властивості речовини. Молекули складаються з більш властивості речовини. Молекули складаються з більш простих частинок - атомів хімічних елементів. У природі є простих частинок - атомів хімічних елементів. У природі є 92 хімічні елементи. Разом із штучними наразі налічується 92 хімічні елементи. Разом із штучними наразі налічується 108 елементів.108 елементів.

Речовину, яка побудована з атомів лише одного Речовину, яка побудована з атомів лише одного виду, називають виду, називають елементомелементом (водень, кисень, азот (водень, кисень, азот тощо). Кожен елемент має свій номер Z в таблиці тощо). Кожен елемент має свій номер Z в таблиці Менделєєва. Число Z визначає кількість протонів Менделєєва. Число Z визначає кількість протонів у ядрах атомів і електронів, що рухаються в атомі у ядрах атомів і електронів, що рухаються в атомі навколо ядра. 2. Молекули знаходяться в стані навколо ядра. 2. Молекули знаходяться в стані неперервного хаотичного (невпорядкованого) неперервного хаотичного (невпорядкованого) руху, що називається тепловим і у загальному руху, що називається тепловим і у загальному випадку є сукупністю поступального, випадку є сукупністю поступального, обертального і коливального рухів.обертального і коливального рухів.

Під час нагрівання речовини швидкість теплового Під час нагрівання речовини швидкість теплового руху і кінетична енергія його частинок руху і кінетична енергія його частинок збільшуються, а під час охолодження збільшуються, а під час охолодження зменшуються. Ступінь нагрітості тіла зменшуються. Ступінь нагрітості тіла характеризує його температура, яка є мірою характеризує його температура, яка є мірою середньої кінетичної енергії хаотичного середньої кінетичної енергії хаотичного поступального руху молекул цього тіла.поступального руху молекул цього тіла.

3. Молекули взаємодіють одна з одною із силами 3. Молекули взаємодіють одна з одною із силами електромагнітної природи, причому на великих електромагнітної природи, причому на великих відстанях вони притягуються, а на малих - відстанях вони притягуються, а на малих - відштовхуються. Сили притягання і відштовхуються. Сили притягання і відштовхування між молекулами діють постійно.відштовхування між молекулами діють постійно.

Молекули різних речовин по-різному Молекули різних речовин по-різному взаємодіють одна з одною. Ця взаємодія взаємодіють одна з одною. Ця взаємодія залежить від типу молекул і відстані між залежить від типу молекул і відстані між ними. Залежно від характеру руху і ними. Залежно від характеру руху і взаємодії молекул розрізняють три стани взаємодії молекул розрізняють три стани речовини: твердий, рідкий, газоподібний речовини: твердий, рідкий, газоподібний (плазма).(плазма).

ОСНОВНЕ РІВНЯННЯ МКТОСНОВНЕ РІВНЯННЯ МКТ

В фізиці широко використовують моделі – В фізиці широко використовують моделі – ідеалізовані поняття. ідеалізовані поняття.

Ідеальним газомІдеальним газом називається такий газ, молекули називається такий газ, молекули якого ні при яких умовах не взаємодіють одна з якого ні при яких умовах не взаємодіють одна з одною і розмірами молекул можна знехтувати. одною і розмірами молекул можна знехтувати.

Ідеальний газ - це теоретична модель реальних Ідеальний газ - це теоретична модель реальних газів. До цього поняття найкраще підходить газів. До цього поняття найкраще підходить водень і гелій при невеликих тисках. Тиск газу водень і гелій при невеликих тисках. Тиск газу залежить від кількості молекул в одиниці об’єму залежить від кількості молекул в одиниці об’єму

і від середньої кінетичної енергії і від середньої кінетичної енергії поступального руху молекул - . Ця поступального руху молекул - . Ця залежність виражається основним залежність виражається основним рівнянням МКТ. Ця залежність рівнянням МКТ. Ця залежність виражається основним рівнянням МКТ.виражається основним рівнянням МКТ.

- кількість молекул в одиниці об’єму.- кількість молекул в одиниці об’єму. - середня кінетична енергія - середня кінетична енергія

поступального руху.поступального руху. Р Р - тиск газу.- тиск газу.

РІВНЯННЯ БОЛЬЦМАНАРІВНЯННЯ БОЛЬЦМАНА Рівняння Больцмана або кінетичне рівняння Рівняння Больцмана або кінетичне рівняння

Больцмана-Больцмана- рівняння для опису еволюції рівняння для опису еволюції розподілу частинок нерівноважної розподілу частинок нерівноважної термодинамічної системи в просторі координат за термодинамічної системи в просторі координат за швидкостями.швидкостями.

Для опису нерівноважної термодинамічної Для опису нерівноважної термодинамічної системи вводиться залежна від часу t, системи вводиться залежна від часу t, просторових координат просторових координат r r й швидкості й швидкості v v частинок функція розподілучастинок функція розподілу , яка задає , яка задає ймовірність того, що частинка в момент часу t ймовірність того, що частинка в момент часу t матиме перебуватиме в кубі з вершиною в точціматиме перебуватиме в кубі з вершиною в точці r r і стороноюі стороною drdr , а її швидкість буде в діапазоні від , а її швидкість буде в діапазоні від vv до до drdr. .

Для цієї функції справедливе рівняння: Для цієї функції справедливе рівняння:

де m - маса частинок, де m - маса частинок, FF - сума зовнішних сил, які - сума зовнішних сил, які діють на ці частинки.діють на ці частинки.

Зміна функції розподілу, тобто ймовірності того, Зміна функції розподілу, тобто ймовірності того, що частинка перебуватиме в околі певної точки й що частинка перебуватиме в околі певної точки й матиме певну швидкість, відбувається:матиме певну швидкість, відбувається:

- завдяки вильоту частинки із об'єму- завдяки вильоту частинки із об'єму - завдяки прискоренню чи сповільненню, - завдяки прискоренню чи сповільненню,

викликаному дією зовнішніх сил викликаному дією зовнішніх сил - завдяки зіткненню із іншими частинками.- завдяки зіткненню із іншими частинками.

Член в правій частині рівняння Больцмана Член в правій частині рівняння Больцмана

описує зміну функції розподілу при зіткненнях і описує зміну функції розподілу при зіткненнях і називається інтергралом зіткнень. При цьому називається інтергралом зіткнень. При цьому детальна механіка розсіювання частинок не детальна механіка розсіювання частинок не розглядається. Вважається, що при розсіюванні розглядається. Вважається, що при розсіюванні частинки миттєво міняють свої швидкості.частинки миттєво міняють свої швидкості. Рівняння Больцмана справедливе для полів, які не Рівняння Больцмана справедливе для полів, які не дуже швидко міняються в просторі. дуже швидко міняються в просторі.

Вважається, що кожен елементрарний об'ємчик Вважається, що кожен елементрарний об'ємчик досить великий, щоб для нього можна було ввести досить великий, щоб для нього можна було ввести функцію розподілу, але малий в порівнянні із функцію розподілу, але малий в порівнянні із характерною довжиною зміни зовнішних полів.характерною довжиною зміни зовнішних полів.

Рівняння Больцмана нехтує узгодженим рухом Рівняння Больцмана нехтує узгодженим рухом частинок. Його справедливість обмежена газами, частинок. Його справедливість обмежена газами, в яких зіткнення відбуваються не дуже часто. В в яких зіткнення відбуваються не дуже часто. В випадку більших густин частинок застосовуються випадку більших густин частинок застосовуються складніші рівняння.складніші рівняння.

РОЗПОДРОЗПОДІІЛ МАКСВЕЛАЛ МАКСВЕЛА Максвелл ще в 1859 році показав, що число Максвелл ще в 1859 році показав, що число

частинок dN, швидкості яких лежать в інтервалі частинок dN, швидкості яких лежать в інтервалі від V до V+dV, визначається співвідношенням: від V до V+dV, визначається співвідношенням:

де N — загальне число молекул в досліджуваній де N — загальне число молекул в досліджуваній системі; т — маса молекули; k — стала системі; т — маса молекули; k — стала Больцмана; Т — абсолютна температура.Больцмана; Т — абсолютна температура.

Аналіз співвідношення (1) показує, що величина Аналіз співвідношення (1) показує, що величина dN є функцією V, а також температури Т і V dN є функцією V, а також температури Т і V випадку фіксованої температури набуває випадку фіксованої температури набуває максимуму при швидкості: максимуму при швидкості:

Таку швидкість називають найбільш Таку швидкість називають найбільш імовірною. Залежність dN від V для двох імовірною. Залежність dN від V для двох різних температур. З рис. видно, що різних температур. З рис. видно, що збільшення температури супроводжується збільшення температури супроводжується збільшенням найбільш імовірної збільшенням найбільш імовірної швидкості, а це приводить до зміщення швидкості, а це приводить до зміщення максимуму кривої в область більш високих максимуму кривої в область більш високих швидкостей. При цьому зменшується число швидкостей. При цьому зменшується число повільних молекул і росте число молекул, повільних молекул і росте число молекул, швидкості яких великі.швидкості яких великі.

БАРОМЕТРИЧНА ФОРМУЛАБАРОМЕТРИЧНА ФОРМУЛА Барометри́чна фо́рмула— формула, за якою Барометри́чна фо́рмула— формула, за якою

визначають залежність тиску або густини газу від визначають залежність тиску або густини газу від висоти. Ця залежність зумовлена дією поля висоти. Ця залежність зумовлена дією поля тяжіння Землі і тепловим рухом молекул газу тяжіння Землі і тепловим рухом молекул газу (повітря). Припускаючи, що газ є ідеальним газом (повітря). Припускаючи, що газ є ідеальним газом сталої температури, і вважаючи поле тяжіння сталої температури, і вважаючи поле тяжіння Землі однорідним, отримують барометричну Землі однорідним, отримують барометричну формулу такого вигляду: формулу такого вигляду:

p0 — тиск на нульовому p0 — тиск на нульовому

рівні (на рівні вибою рівні (на рівні вибою

в газових свердловинах, біля поверхні Землі або в газових свердловинах, біля поверхні Землі або на рівні моря), Па;на рівні моря), Па;

p — тиск на висоті h, м над цією поверхнею, Па;p — тиск на висоті h, м над цією поверхнею, Па; m — маса молекули (для повітря дорівнює масі m — маса молекули (для повітря дорівнює масі

молекули азоту), кг;молекули азоту), кг; g — прискорення вільного падіння, м/с2;g — прискорення вільного падіння, м/с2; k — стала Больцмана, Дж/К;k — стала Больцмана, Дж/К; T — абсолютна температура повітря, К.T — абсолютна температура повітря, К.

Барометричну формулу з певним Барометричну формулу з певним обмеженням можна використати для обмеженням можна використати для визначення розподілу кількості колоїдних визначення розподілу кількості колоїдних частинок по висоті рідинної або газової частинок по висоті рідинної або газової дисперсної системи, на які діє поле дисперсної системи, на які діє поле тяжіння. Барометрична формула є окремим тяжіння. Барометрична формула є окремим випадком розподілу Больцмана.випадком розподілу Больцмана.

ВАКУУМ ТА ЙОГО ВАКУУМ ТА ЙОГО ВИКОРИСТАННЯ В С/ГВИКОРИСТАННЯ В С/Г

Вакуум - розріджений стан газу. Такий вакуум Вакуум - розріджений стан газу. Такий вакуум називають частковим. Розрізняють високий, називають частковим. Розрізняють високий, середній і низький вакуум. Високим називається середній і низький вакуум. Високим називається вакуум, при якому довжина вільного пробігу вакуум, при якому довжина вільного пробігу молекул газу перевищує лінійні розміри молекул газу перевищує лінійні розміри посудини, в якій міститься газ; якщо вільний посудини, в якій міститься газ; якщо вільний пробіг молекул газу і лінійні розміри посудини є пробіг молекул газу і лінійні розміри посудини є сумірними величинами, то вакуум називається сумірними величинами, то вакуум називається середнім, а якщо вільний пробіг молекул газу середнім, а якщо вільний пробіг молекул газу менший за лінійні розміри посудини — низьким.менший за лінійні розміри посудини — низьким.

На практиці якість вакууму вимірюється в На практиці якість вакууму вимірюється в залишковому тиску. Високий вакуум відповідає залишковому тиску. Високий вакуум відповідає тиску, нижчому за 10-3 торр. Максимально тиску, нижчому за 10-3 торр. Максимально високий вакуум, якого можна досягти в сучасних високий вакуум, якого можна досягти в сучасних лабораторіях, має тиск 10-13 торр.лабораторіях, має тиск 10-13 торр.

Області використання вакууму різноманітні. Він Області використання вакууму різноманітні. Він широко використовується в науці та техніці. широко використовується в науці та техніці.

Експериментальні дослідження випаровування та Експериментальні дослідження випаровування та конденсації, поверхневі явище, деяких теплових конденсації, поверхневі явище, деяких теплових процесів, низьких температур, ядерних та процесів, низьких температур, ядерних та термоядерних реакцій здійснюються в вакуумних термоядерних реакцій здійснюються в вакуумних установках. установках.

Вакуумні системи використовуються в хімії для вивчення Вакуумні системи використовуються в хімії для вивчення властивостей чистих речовин, вивчення складу та властивостей чистих речовин, вивчення складу та розділення компонентів суміші. розділення компонентів суміші.

В електровакуумних приладах вакуум являється В електровакуумних приладах вакуум являється конструктивним елементом. конструктивним елементом.

Низький та середній вакуум Низький та середній вакуум використовується в освітлювальнихвикористовується в освітлювальних та газорозрядних приладах, та газорозрядних приладах, прийомно-підсилювальних та прийомно-підсилювальних та генераторних лампах, генераторних лампах, електронно-променевих електронно-променевих трубках, в приладах надвисоких частот. трубках, в приладах надвисоких частот. Для роботи над провідникових Для роботи над провідникових приладів вакуум непотрібен, але в приладів вакуум непотрібен, але в процесі їх виготовлення без процесі їх виготовлення без нього не обійтись.нього не обійтись.

РІВНЯННЯ ГАЗОВОГО СТАНУРІВНЯННЯ ГАЗОВОГО СТАНУ Рівнянням стану фізичної системи називається Рівнянням стану фізичної системи називається

формула, яка встановлює зв'язок між основними формула, яка встановлює зв'язок між основними термодинамічними величинами: об'ємом тіла V, термодинамічними величинами: об'ємом тіла V, тиском P і температурою T при термодинамічній тиском P і температурою T при термодинамічній рівновазі. Для ідеального газу рівняння стану має рівновазі. Для ідеального газу рівняння стану має виглядвигляд

p — тиск,p — тиск, Vμ — молярний об'єм,Vμ — молярний об'єм, T — абсолютна температура,T — абсолютна температура, R — універсальна газова сталаR — універсальна газова стала

Оскільки , де ν — кількість речовини, то Оскільки , де ν — кількість речовини, то рівняння можна записати у вигляді:рівняння можна записати у вигляді:

Останнє рівняння називають об'єднаним газовим Останнє рівняння називають об'єднаним газовим законом. З нього випливають закони Бойля—законом. З нього випливають закони Бойля—Маріотта, Шарля і Гей—Люссака:Маріотта, Шарля і Гей—Люссака:

— — закон Гей-Люссаказакон Гей-Люссака

— — закон Шарля (другий закон закон Шарля (другий закон Гей-Люссака) Гей-Люссака)

Якщо записати , Якщо записати ,

де m — маса, μ — молярна маса, рівняння де m — маса, μ — молярна маса, рівняння стану виглядатиме так: стану виглядатиме так:

ВИСНОВКИВИСНОВКИ Молекулярна фізика вивчає тепловий рух.Молекулярна фізика вивчає тепловий рух. Молекули - найменші частинки, які мають хімічні Молекули - найменші частинки, які мають хімічні

властивості речовини.властивості речовини. Речовину, яка побудована з атомів лише одного Речовину, яка побудована з атомів лише одного

виду, називають елементом виду, називають елементом Ідеальним газом Ідеальним газом називається такий газ, молекули якого ні при яких називається такий газ, молекули якого ні при яких умовах не взаємодіють одна з одною і розмірами умовах не взаємодіють одна з одною і розмірами молекул можна знехтувати. молекул можна знехтувати.

Ідеальний газ - це теоретична модель реальних Ідеальний газ - це теоретична модель реальних газів. газів.

Барометрична формулаБарометрична формула— формула, за якою — формула, за якою визначають залежність тиску або густини газу від визначають залежність тиску або густини газу від висоти. Вакуум - розріджений стан газу. Такий висоти. Вакуум - розріджений стан газу. Такий вакуум називають частковим. Розрізняють вакуум називають частковим. Розрізняють високий, середній і низький вакуум. високий, середній і низький вакуум.