Основні положення мкт

Молекулярно-кінетична теорія (МКТ) – це вчення, яке пояснює теплові явища в макроскопічних тілах і внутрішні властивості цих тіл рухом і взаємодією атомів, молекул і іонів, з яких складаються тіла. В основі МКТ будови речовини лежать три положення:

  1. Речовина складається з частинок – молекул, атомів та іонів. До складу цих частинок входять більш дрібні елементарні частинки. Молекула – найменша стійка частинка даної речовини. Молекула володіє основними хімічними властивостями речовини. Молекула є межею ділення речовини, тобто найменшою частиною речовини, яка здатна зберігати
    властивості цієї речовини. Атом – це найменша частинка даного хімічного елемента.
  2. Частинки, з яких складається речовина, перебувають у безперервному хаотичному (безладному) русі.
  3. Частинки речовини взаємодіють один з одним – притягуються і відштовхуються.

Ці основні положення підтверджуються експериментально і теоретично.

Склад речовини

Сучасні прилади дозволяють спостерігати зображення окремих атомів і молекул. За допомогою електронного мікроскопа або іонного проектора (мікроскопа) можна отримати зображення окремих атомів і оцінити їх розміри.

Діаметр будь-якого атома має порядок d = 10-8 см (10-10 му). Розміри молекул більше розмірів атомів. Оскільки молекули складаються з декількох атомів, то чим більше кількість атомів в молекулі, тим більше її розмір.

Розміри молекул лежать у межах від 10-8 см (10-10 му) до 10-5 см (10-7 му).

Хаотичний рух частинок

Безперервний хаотичний рух частинок підтверджується броунівським рухом і дифузією. Хаотичність руху означає, що у молекул не існує будь-яких бажаних шляхів і їх рух має випадковий напрямок. Це означає, що всі напрямки рівноймовірні.

Дифузія (від латинського diffusion – розтікання, поширення) – явище, коли в результаті теплового руху речовини відбувається мимовільне проникнення однієї речовини в іншу (якщо ці речовини стикаються).

Взаємне перемішування речовин відбувається внаслідок безперервного і безладного руху атомів або молекул (або інших частинок) речовини. З плином часу глибина проникнення молекул однієї речовини в іншу збільшується. Глибина проникнення залежить від температури: чим вище температура, тим більше швидкість руху частинок речовини і тим швидше протікає дифузія.

Дифузія спостерігається у всіх станах речовини – в газах, рідинах і твердих тілах. Прикладом дифузії в газах служить поширення запахів в повітрі при відсутності прямого перемішування. Дифузія в твердих тілах забезпечує поєднання металів при зварюванні, паянні, хромуванні і т. п. В газах і рідинах дифузія відбувається набагато швидше, ніж у твердих тілах.

Взаємодія частинок

Існування стійких рідких і твердих тіл пояснюється наявністю сил міжмолекулярної взаємодії (сил взаємного тяжіння і відштовхування). Цими ж причинами пояснюється мала стисливість рідин і здатність твердих тіл чинити опір деформаціям стиснення і розтягування.

Сили міжмолекулярної взаємодії мають електромагнітну природу – це сили електричного походження. Причиною цього є те, що молекули і атоми складаються із заряджених частинок з протилежними знаками зарядів – електронів і позитивно заряджених атомних ядер. В цілому молекули електрично нейтральні. По електричним властивостям молекулу можна
наближено розглядати як електричний диполь.

Сили тяжіння прийнято вважати негативними, а сили відштовхування – позитивними, хоча це ділення є умовним.

Сила взаємодії між молекулами має певну залежність від відстані між атомами. Ця залежність зображена на рис. 1.1. Тут показані проекції сил взаємодії на пряму, яка проходить через центри молекул.


Взаємодія частинок
Рис. 1.1. Залежність міжмолекулярних сил від відстані між взаємодіючими атомами.Як бачимо, у міру зменшення відстані між молекулами r сила тяжіння Fr пр збільшується (червона лінія на малюнку). Як вже було сказано, сили тяжіння прийнято вважати негативними, тому в міру зменшення відстані крива йде вниз, тобто у негативну зону графіка.

Сили тяжіння діють по мірі зближення двох атомів або молекул, поки відстань r між центрами молекул знаходиться в районі 10-9 м (2-3 діаметра молекул). По мірі збільшення цієї відстані сили тяжіння слабшають. Сили тяжіння є короткодіючими силами.

Сила тяжіння (формула) (1.1)

де a – коефіцієнт, що залежить від виду сил тяжіння і будови взаємодіючих молекул.

При подальшому зближенні атомів або молекул на відстанях між центрами молекул порядку 10-10 м (це відстань порівнянно з лінійними розмірами неорганічних молекул) з’являються сили відштовхування Fr (синя лінія на рис. 1.1). Ці сили з’являються за рахунок взаємного відштовхування позитивно заряджених атомів в молекулі і убувають зі збільшенням відстані r ще швидше, ніж сили тяжіння (що видно на графіку – синя лінія
«крутіше» прагне до нуля, ніж червона).

Сила відштовхування (формула) (1.2)

де b – коефіцієнт, що залежить від виду сил відштовхування і будови взаємодіючих молекул.

На відстані r = r0 (це відстань приблизно дорівнює сумі радіусів молекул) сили тяжіння врівноважують сили відштовхування, а проекція результуючої сили Fr = 0. Цьому стану відповідає найбільш стійке розташування взаємодіючих молекул.

В загальному випадку результуюча сила дорівнює:

Результуюча сила (формула) (1.3)

При r > r0 тяжіння молекул перевершує відштовхування, при r < r0 – відштовхування молекул перевищує їх тяжіння.

Залежність сил взаємодії молекул від відстані між ними якісно пояснює молекулярний механізм появи сил пружності в твердих тілах.

При розтягуванні твердого тіла частинки віддаляються один від одного на відстані, що перевищують r0. При цьому з’являються сили тяжіння молекул, які повертають частинки в початкове положення.

При стисканні твердого тіла частинки зближаються на відстані, менші відстані r0. Це призводить до збільшення сил відштовхування, які повертають частинки в початкове положення і перешкоджають подальшому стисненню.

Якщо зсув молекул з положень рівноваги малий, то сили взаємодії зростають лінійно із збільшенням зсуву. На графіку цей відрізок показаний потовщеною лінією світло-зеленого кольору.

Тому при малих деформаціях (в мільйони разів перевищують розмір молекул) виконується закон Гука, згідно з яким сила пружності пропорційна деформації. При великих зсувах закон Гука не діє.