Grundlæggende molekylær kinetisk teori, ligninger og formler

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 05:21

Verden, vi lever i, er ufattelig smuk og fuld af mange forskellige processer, der sætter kursen i livet. Alle disse processer studeres af den velkendte videnskab - fysik. Det giver en mulighed for i det mindste at få en idé om universets oprindelse. I denne artikel vil vi overveje et sådant begreb som molekylær kinetisk teori, dens ligninger, typer og formler. Men før du går videre til en dybere undersøgelse af disse spørgsmål, skal du selv afklare selve betydningen af fysik og de områder, den studerer.

Hvad er fysik?

Faktisk er dette en meget omfattende videnskab og måske en af de mest fundamentale i menneskehedens historie. For eksempel, hvis den samme computervidenskab er forbundet med næsten alle områder af menneskelig aktivitet, uanset om det er computerdesign eller skabelse af tegneserier, så er fysik selve livet, en beskrivelse af dets komplekse processer og strømme. Lad os prøve at finde ud af dets betydning, forenkle forståelsen så meget som muligt.

SåFysik er således en videnskab, der beskæftiger sig med studiet af energi og stof, forbindelserne mellem dem, forklaringen på mange processer, der finder sted i vores enorme univers. Den molekylær-kinetiske teori om stoffets struktur er kun en lille dråbe i havet af teorier og grene af fysikken.

Energi, som denne videnskab studerer i detaljer, kan repræsenteres i en række forskellige former. For eksempel i form af lys, bevægelse, tyngdekraft, stråling, elektricitet og mange andre former. Vi vil i denne artikel komme ind på den molekylære kinetiske teori om strukturen af disse former.

Undersøgelsen af stof giver os en idé om stoffets atomare struktur. Det følger i øvrigt af den molekylær-kinetiske teori. Videnskaben om materiens struktur giver os mulighed for at forstå og finde meningen med vores eksistens, årsagerne til livets fremkomst og selve universet. Lad os stadig prøve at studere den molekylære kinetiske teori om stof.

For det første er der brug for en introduktion for fuldt ud at forstå terminologien og eventuelle konklusioner.

fysikemner

Når man besvarer spørgsmålet om, hvad molekylær-kinetisk teori er, kan man ikke andet end at tale om dele af fysikken. Hver af disse beskæftiger sig med den detaljerede undersøgelse og forklaring af et bestemt område af menneskelivet. De er klassificeret som følger:

Mekanik, som er opdelt i yderligere to sektioner: kinematik og dynamik.
Statisk.
Termodynamik.
Molekylær sektion.
Elektrodynamik.
Optics.
Kvanternes fysik og atomkernen.

Lad os tale specifikt om molekylærtfysik, fordi den er baseret på den molekylær-kinetiske teori.

Hvad er termodynamik?

Generelt er den molekylære del og termodynamikken nært beslægtede grene af fysikken, som udelukkende studerer den makroskopiske komponent af det samlede antal fysiske systemer. Det er værd at huske på, at disse videnskaber præcist beskriver den indre tilstand af kroppe og stoffer. For eksempel deres tilstand under opvarmning, krystallisation, fordampning og kondensation på atomniveau. Molekylær fysik er med andre ord videnskaben om systemer, der består af et stort antal partikler: atomer og molekyler.

Det var disse videnskaber, der studerede hovedbestemmelserne i den molekylære kinetiske teori.

Selv i løbet af syvende klasse stiftede vi bekendtskab med begreberne mikro- og makroverdener, systemer. Det vil ikke være overflødigt at genopfriske disse termer i hukommelsen.

Mikroverdenen, som vi kan se af selve navnet, består af elementarpartikler. Dette er med andre ord de små partiklers verden. Deres størrelser er målt i området fra 10^-18 m til 10^-4 m, og tidspunktet for deres faktiske tilstand kan nå både uendeligt og uforholdsmæssigt små intervaller, f.eks. 10^-20 s.

Macroworld betragter kroppe og systemer af stabile former, der består af mange elementære partikler. Sådanne systemer står mål med vores menneskelige størrelse.

Derudover er der sådan noget som en megaverden. Den består af enorme planeter, kosmiske galakser og komplekser.

Grundlæggendeteori

Nu hvor vi har opsummeret lidt og husket fysikkens grundlæggende termer, kan vi gå direkte til hovedemnet i denne artikel.

Molekylær-kinetisk teori dukkede op og blev formuleret for første gang i det nittende århundrede. Dens essens ligger i det faktum, at det i detaljer beskriver strukturen af ethvert stof (oftere strukturen af gasser end faste og flydende legemer), baseret på tre grundlæggende bestemmelser, der blev indsamlet fra antagelserne fra så fremtrædende videnskabsmænd som Robert Hooke, Isaac Newton, Daniel Bernoulli, Mikhail Lomonosov og mange andre.

De vigtigste bestemmelser i den molekylære kinetiske teori lyder således:

Absolut alle stoffer (uanset om de er flydende, faste eller gasformige) har en kompleks struktur, bestående af mindre partikler: molekyler og atomer. Atomer kaldes nogle gange "elementære molekyler".
Alle disse elementære partikler er altid i en tilstand af kontinuerlig og kaotisk bevægelse. Hver af os er stødt på et direkte bevis for dette forslag, men har højst sandsynligt ikke lagt stor vægt på det. For eksempel så vi alle på baggrund af solens stråler, at støvpartikler konstant bevæger sig i en kaotisk retning. Dette skyldes det faktum, at atomerne producerer gensidige skub med hinanden, hvilket konstant giver kinetisk energi til hinanden. Dette fænomen blev først undersøgt i 1827, og det blev opkaldt efter opdageren - "Brownsk bevægelse".
Alle elementære partikler er i færd med kontinuerlig interaktion med hinanden medvisse kræfter, der har en elektrisk sten.

Det er værd at bemærke, at et andet eksempel, der beskriver position nummer to, som også kan gælde for for eksempel den molekylære kinetiske teori om gasser, er diffusion. Vi støder på det i hverdagen og i flere tests og kontroller, så det er vigtigt at have en idé om det.

Tænk først på følgende eksempler:

Lægen spildte ved et uheld alkohol fra en kolbe på bordet. Eller måske tabte du din parfumeflaske, og den spredte sig over hele gulvet.

Hvorfor, i disse to tilfælde, vil både lugten af alkohol og duften af parfume fylde hele rummet efter nogen tid, og ikke kun det område, hvor indholdet af disse stoffer blev spildt?

Svaret er enkelt: diffusion.

Diffusion - hvad er det? Hvordan flyder det?

Dette er en proces, hvor partiklerne, der udgør et bestemt stof (norm alt en gas), trænger ind i de intermolekylære hulrum i et andet. I vores eksempler ovenfor skete følgende: på grund af termisk, det vil sige kontinuerlig og dissocieret bevægelse, faldt alkohol- og/eller parfumemolekyler ind i hullerne mellem luftmolekylerne. Gradvist, under påvirkning af kollision med atomer og luftmolekyler, spredte de sig rundt i rummet. Forresten afhænger diffusionsintensiteten, det vil sige hastigheden af dens strømning, af tætheden af de stoffer, der er involveret i diffusion, såvel som af bevægelsesenergien af deres atomer og molekyler, kaldet kinetisk. Jo større kinetisk energi, jo højere er henholdsvis disse molekylers hastighed og intensitet.

Den hurtigste diffusionsproces kan kaldes diffusion i gasser. Dette skyldes, at gassen ikke er homogen i sin sammensætning, hvilket betyder, at intermolekylære hulrum i gasser henholdsvis optager en betydelig mængde plads, og processen med at få atomer og molekyler af et fremmed stof ind i dem forløber lettere og hurtigere.

Denne proces er lidt langsommere i væsker. Opløsningen af sukkerterninger i et krus te er blot et eksempel på diffusionen af et fast stof i en væske.

Men den længste tid er diffusion i legemer med en solid krystallinsk struktur. Det er præcis sådan, fordi strukturen af faste stoffer er homogen og har et stærkt krystalgitter, i hvis celler atomerne i det faste stof vibrerer. Hvis f.eks. overfladerne på to metalstænger rengøres godt og derefter bringes i kontakt med hinanden, vil vi efter tilstrækkelig lang tid være i stand til at opdage stykker af det ene metal i det andet, og omvendt.

Som enhver anden grundlæggende sektion er den grundlæggende fysikteori opdelt i separate dele: klassifikation, typer, formler, ligninger og så videre. Således har vi lært det grundlæggende i molekylær kinetisk teori. Det betyder, at du trygt kan gå videre til behandlingen af individuelle teoretiske blokke.

Molekylær-kinetisk teori om gasser

Der er behov for at forstå gasteoriens bestemmelser. Som vi sagde tidligere, vil vi overveje de makroskopiske egenskaber ved gasser, såsom tryk og temperatur. Dette ervil være nødvendig senere for at udlede ligningen for den molekylær-kinetiske teori for gasser. Men matematik - senere, og lad os nu beskæftige os med teori og dermed fysik.

Forskere har formuleret fem bestemmelser i den molekylære teori om gasser, som tjener til at forstå den kinetiske model for gasser. De lyder sådan her:

Alle gasser er opbygget af elementarpartikler, der ikke har en bestemt størrelse, men har en vis masse. Med andre ord er volumen af disse partikler minimal sammenlignet med længden mellem dem.
Atomer og molekyler af gasser har praktisk t alt ingen potentiel energi, henholdsvis ifølge loven er al energi lig med kinetisk.
Vi har allerede stiftet bekendtskab med denne holdning tidligere - Brownsk bevægelse. Det vil sige, at gaspartikler altid er i kontinuerlig og kaotisk bevægelse.
Absolut alle gensidige kollisioner af gaspartikler, ledsaget af budskabet om hastighed og energi, er fuldstændig elastiske. Det betyder, at der ikke er noget tab af energi eller skarpe spring i deres kinetiske energi under en kollision.
Under normale forhold og konstant temperatur er den gennemsnitlige energi af partikelbevægelse for næsten alle gasser den samme.

Vi kan omskrive den femte position gennem denne type ligning af den molekylær-kinetiske teori om gasser:

E=1/2mv^2=3/2kT, hvor k er Boltzmann-konstanten; T - temperatur i Kelvin.

Denne ligning får os til at forstå sammenhængen mellem hastigheden af elementarpartikler af gas og deres absolutte temperatur. Følgelig, jo højere deres absoluttetemperatur, jo større er deres hastighed og kinetiske energi.

Gastryk

Sådanne makroskopiske komponenter af karakteristikken, såsom trykket af gasser, kan også forklares ved hjælp af den kinetiske teori. For at gøre dette, lad os forestille os følgende eksempel.

Lad os antage, at et molekyle af en eller anden gas er i en kasse, hvis længde er L. Lad os bruge bestemmelserne i gasteorien beskrevet ovenfor og tage højde for det faktum, at den molekylære sfære kun bevæger sig langs x -akse. Således vil vi være i stand til at observere processen med elastisk kollision med en af fartøjets vægge (kasse).

Momentum af den igangværende kollision, som vi ved, bestemmes af formlen: p=mv, men i dette tilfælde vil denne formel antage en projektionsform: p=mv(x).

Da vi kun betragter dimensionen af x-aksen, det vil sige x-aksen, vil den samlede ændring i momentum blive udtrykt ved formlen: mv(x) - m(-v(x))=2mv(x).

Dernæst skal du overveje den kraft, som vores objekt udøver ved hjælp af Newtons anden lov: F=ma=P/t.

Fra disse formler udtrykker vi trykket fra gassiden: P=F/a;

Lad os nu erstatte kraftudtrykket i den resulterende formel og få: P=mv(x)^2/L^3.

Derefter kan vores færdige trykformel skrives for det N-te antal gasmolekyler. Med andre ord vil det se sådan ud:

P=Nmv(x)^2/V, hvor v er hastighed og V er volumen.

Lad os nu prøve at fremhæve nogle få grundlæggende bestemmelser om gastryk:

Det manifesterer sig igennemkollisioner af molekyler med molekyler af væggene i det objekt, hvori det er placeret.
Størrelsen af trykket er direkte proportional med kraften og hastigheden af molekylers anslag på karrets vægge.

Nogle korte konklusioner om teori

Før vi går videre og overvejer den grundlæggende ligning for molekylær kinetisk teori, tilbyder vi dig et par korte konklusioner fra ovenstående punkter og teori:

Målet for dens atomers og molekylers gennemsnitlige bevægelsesenergi er den absolutte temperatur.
Når to forskellige gasser har samme temperatur, har deres molekyler den samme gennemsnitlige kinetiske energi.
Gaspartiklernes energi er direkte proportional med den gennemsnitlige kvadratiske hastighed: E=1/2mv^2.
Selvom gasmolekyler har henholdsvis en gennemsnitlig kinetisk energi og en gennemsnitlig hastighed, bevæger individuelle partikler sig med forskellige hastigheder: nogle hurtige, nogle langsomme.
Jo højere temperatur, jo højere hastighed har molekylerne.
Hvor mange gange øger vi gassens temperatur (for eksempel fordobles), øges bevægelsesenergien for dens partikler lige så mange gange (henholdsvis fordobles).

Grundlæggende ligning og formler

Den grundlæggende ligning for den molekylære kinetiske teori giver dig mulighed for at etablere forholdet mellem mængderne af mikroverdenen og følgelig de makroskopiske, det vil sige målte, mængder.

En af de enkleste modeller, som molekylær teori kan overveje, er den ideelle gasmodel.

Det kan man sigedette er en slags imaginær model studeret af den molekylære kinetiske teori for en ideel gas, hvor:

de enkleste gaspartikler betragtes som perfekt elastiske kugler, der interagerer både med hinanden og med molekylerne i ethvert kars vægge i kun ét tilfælde - en absolut elastisk kollision;
tiltrækningskræfterne inde i gassen er fraværende, eller de kan faktisk blive forsømt;
elementer i gassens indre struktur kan tages som materielle punkter, det vil sige, at deres volumen også kan negligeres.

I betragtning af en sådan model skrev den tyskfødte fysiker Rudolf Clausius en formel for gastryk gennem forholdet mellem mikro- og makroskopiske parametre. Det ser ud som:

p=1/3m(0)nv^2.

Senere vil denne formel blive kaldt som den grundlæggende ligning for den molekylær-kinetiske teori for en ideel gas. Det kan præsenteres i flere forskellige former. Vores pligt nu er at vise sektioner såsom molekylær fysik, molekylær kinetisk teori og dermed deres komplette ligninger og typer. Derfor giver det mening at overveje andre variationer af grundformlen.

Vi ved, at den gennemsnitlige energi, der karakteriserer gasmolekylers bevægelse, kan findes ved hjælp af formlen: E=m(0)v^2/2.

I dette tilfælde kan vi erstatte udtrykket m(0)v^2 i den oprindelige trykformel med den gennemsnitlige kinetiske energi. Som et resultat af dette vil vi have mulighed for at sammensætte den grundlæggende ligning for den molekylære kinetiske teori for gasser i følgende form: p=2/3nE.

Desuden ved vi alle, at udtrykket m(0)n kan skrives som et produkt af to kvotienter:

m/NN/V=m/V=ρ.

Efter disse manipulationer kan vi omskrive vores formel for ligningen for den molekylær-kinetiske teori for en ideel gas i en tredje, anderledes form:

p=1/3ρv^2.

Tja, det er måske alt, du behøver at vide om dette emne. Det er kun tilbage at systematisere den opnåede viden i form af korte (og ikke så) konklusioner.

Alle generelle konklusioner og formler om emnet "Molekylær-kinetisk teori"

Så lad os komme i gang.

Først:

Fysik er en grundlæggende videnskab, der indgår i naturvidenskabens forløb, som studerer stofs og energis egenskaber, deres struktur, mønstre af uorganisk natur.

Det inkluderer følgende sektioner:

mekanik (kinematik og dynamik);
statisk;
termodynamik;
elektrodynamik;
molekylær sektion;
optik;
fysik af kvanter og atomkernen.

Second:

Partikelfysik og termodynamik er nært beslægtede grene, der studerer den udelukkende makroskopiske komponent af det samlede antal fysiske systemer, det vil sige systemer, der består af et stort antal elementarpartikler.

De er baseret på molekylær kinetisk teori.

Tredje:

Sagens kerne er dette. Den molekylære kinetiske teori beskriver detaljeret strukturen af et stof (oftere strukturen af gasser end faste stoffer).og flydende kroppe), baseret på tre grundlæggende antagelser, der blev indsamlet fra antagelser fra fremtrædende videnskabsmænd. Blandt dem: Robert Hooke, Isaac Newton, Daniel Bernoulli, Mikhail Lomonosov og mange andre.

Fjerde:

Tre grundlæggende principper i molekylær kinetisk teori:

Alle stoffer (uanset om de er flydende, faste eller gasformige) har en kompleks struktur bestående af mindre partikler: molekyler og atomer.
Alle disse simple partikler er i kontinuerlig kaotisk bevægelse. Eksempel: Brownsk bevægelse og diffusion.
Alle molekyler under alle forhold interagerer med hinanden med visse kræfter, der har en elektrisk sten.

Hver af disse bestemmelser i den molekylære kinetiske teori er et solidt fundament i studiet af stoffets struktur.

Femte:

Flere hovedpunkter i molekylær teori for gasmodellen:

Alle gasser er opbygget af elementarpartikler, der ikke har en bestemt størrelse, men har en vis masse. Med andre ord er volumenet af disse partikler minimal sammenlignet med afstanden mellem dem.
Atomer og molekyler af gasser har praktisk t alt ingen potentiel energi, henholdsvis, deres samlede energi er lig med den kinetiske.
Vi har allerede stiftet bekendtskab med denne holdning tidligere - Brownsk bevægelse. Det vil sige, at gaspartikler altid er i kontinuerlig og tilfældig bevægelse.
Absolut alle gensidige kollisioner af atomer og molekyler af gasser, ledsaget af budskabet om hastighed og energi, er fuldstændig elastiske. Dette erbetyder, at der ikke er noget tab af energi eller skarpe spring i deres kinetiske energi under en kollision.
Under normale forhold og konstant temperatur er den gennemsnitlige kinetiske energi for næsten alle gasser den samme.

Sixth:

Konklusioner fra teorien om gasser:

Absolut temperatur er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi af dets atomer og molekyler.
Når to forskellige gasser har samme temperatur, har deres molekyler den samme gennemsnitlige kinetiske energi.
Den gennemsnitlige kinetiske energi af gaspartikler er direkte proportional med kvadratrodens middelhastighed: E=1/2mv^2.
Selvom gasmolekyler har henholdsvis en gennemsnitlig kinetisk energi og en gennemsnitlig hastighed, bevæger individuelle partikler sig med forskellige hastigheder: nogle hurtige, nogle langsomme.
Jo højere temperatur, jo højere hastighed har molekylerne.
Hvor mange gange vi øger gassens temperatur (f.eks. det dobbelte), stiger dens partiklers gennemsnitlige kinetiske energi også så mange gange (henholdsvis fordobles).
Forholdet mellem trykket af en gas på væggene af beholderen, hvori den er placeret, og intensiteten af molekylers påvirkning af disse vægge er direkte proportional: Jo flere stød, jo højere tryk, og omvendt.

Syvende:

En ideel gasmodel er en model, hvor følgende betingelser skal være opfyldt:

Gasmolekyler kan og betragtes som perfekt elastiske kugler.
Disse bolde kan interagere med hinanden og med væggene på enhverfartøj i kun ét tilfælde - absolut elastisk kollision.
De kræfter, der beskriver den gensidige fremdrift mellem atomer og molekyler i en gas, er fraværende eller kan faktisk negligeres.
Atomer og molekyler betragtes som materielle punkter, det vil sige, at deres volumen også kan negligeres.

ottende:

Lad os give alle de grundlæggende ligninger og vise formlerne i emnet "Molekylær-kinetisk teori":

p=1/3m(0)nv^2 - den grundlæggende ligning for den ideelle gasmodel, udledt af den tyske fysiker Rudolf Clausius.

p=2/3nE - den grundlæggende ligning for den molekylær-kinetiske teori for en ideel gas. Afledt af den gennemsnitlige kinetiske energi af molekylerne.

р=1/3ρv^2 - den samme ligning, men betragtet gennem densiteten og den gennemsnitlige kvadratiske hastighed for ideelle gasmolekyler.

m(0)=M/N(a) - formlen til at finde massen af et molekyle gennem Avogadro-tallet.

v^2=(v(1)+v(2)+v(3)+…)/N - formel til at finde den gennemsnitlige kvadratiske hastighed for molekyler, hvor v(1), v(2), v (3) og så videre - hastigheden af det første molekyle, det andet, det tredje og så videre op til det n'te molekyle.

n=N/V - formel til at finde koncentrationen af molekyler, hvor N er antallet af molekyler i et gasvolumen til et givet volumen V.

E=mv^2/2=3/2kT - formler til at finde den gennemsnitlige kinetiske energi af molekyler, hvor v^2 er molekylernes middelkvadrathastighed, k er en konstant værdi opkaldt efter østrigeren Ludwig Boltzmanns fysik, og T er gassens temperatur.

p=nkT - trykformel i form af koncentration, konstantBoltzmann og den absolutte temperatur T. Fra den følger en anden grundlæggende formel, opdaget af den russiske videnskabsmand Mendeleev og den franske fysiker-ingeniør Claiperon:

pV=m/MRT, hvor R=kN(a) er den universelle konstant for gasser.

Lad os nu vise konstanter for forskellige iso-processer: isobarisk, isokorisk, isotermisk og adiabatisk.

pV/T=const - udføres, når massen og sammensætningen af gassen er konstant.

рV=konst - hvis temperaturen også er konstant.

V/T=konst - hvis gastrykket er konstant.

p/T=konst - hvis lydstyrken er konstant.

Måske er det alt, du behøver at vide om dette emne.

I dag kastede vi os ud i et sådant videnskabeligt område som teoretisk fysik, dets mange sektioner og blokke. Mere detaljeret berørte vi et sådant område af fysik som grundlæggende molekylær fysik og termodynamik, nemlig molekylær-kinetisk teori, som, det ser ud til, ikke giver nogen vanskeligheder i den indledende undersøgelse, men faktisk har mange faldgruber. Det udvider vores forståelse af den ideelle gasmodel, som vi også studerede i detaljer. Derudover er det værd at bemærke, at vi også har stiftet bekendtskab med de grundlæggende ligninger for molekylær teori i deres forskellige variationer, og også overvejet alle de mest nødvendige formler for at finde visse ukendte mængder om dette emne. Dette vil være særligt nyttigt, når du forbereder at skrive alle prøver, undersøgelser og prøver eller for at udvide det generelle syn på og viden om fysik.

Vi håber, at denne artikel var nyttig for dig, og du har kun uddraget den mest nødvendige information fra den, hvilket styrker din viden inden for sådanne søjler inden for termodynamikken som de grundlæggende bestemmelser i molekylær kinetisk teori.