Феноменологические модели строения вещества

                                                                                                                 

Введение:

1.Тепловые явления и внутренняя структура.

2. Моделирование тепловых  эффектов в газах.

3. Элементарная кинетическая  теория газов.

Заключение.

Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                          

Введение:

 

 

На протяжении многих веков в сознании человека господствовали натурфилософские представления об атомах, как мельчайших, неделимых, простейших по составу и неизменных «кирпичиках» вещества. Сначала химическая атомистика, как и атомное учение вообще, основывалась на представлениях о существовании лишь одного вида мельчайших частиц вещества - атомов, из которых образуются все тела окружающего мира. На протяжении всей истории развития естествознания, правда, не раз высказывались мысли о том, что, помимо атомов, существуют и другие, более сложные частицы. Такие идеи развивались в работах Гассенди (который ввел и сам термин «молекула»), Бернулли, Ньютона, Бойля, Ломоносова и других. Но достаточно убедительного естественнонаучного обоснования эти взгляды не имели. Дальтон, с именем которого связано утверждение атомного учения в химии, тоже говорил об атомах и молекулах, но не придавал значения их качественному различию, считая молекулы просто сложными атомами, а различия между ними лишь количественными. Развитие химии на базе идей атомизма доставляло между тем все больше и больше фактов, показывающих, что предположение о существовании только одного вида частиц вещества - атомов совершенно недостаточно для объяснения многих химических явлений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ВНУТРЕННЯ СТРУКТУРА.

 

Макроскопическое  состояние системы - определяется значениями ее термодинамических параметров: давления Р , температуры Т, удельного объема V, внутренней энергии U и т. п. Для определения макроскопического состояния однокомпонентной системы достаточно знать значения любых 2 независимых параметров (напр., Т и Р или Т и V).

Температура – это  средняя кинетическая энергия движения молекул

Удельный объем - это объем единицы массы

 Объем газа - пространство, заполняемое газом. Ввиду отсутствия  заметного притяжения между молекулами  газа, он занимает весь предоставленный  ему объем.

Внутренняя энергия  — это кинетическая энергия хаотического (теплового) движения частиц системы (молекул, атомов, ядер, электронов) и потенциальная энергия взаимодействия этих частиц.

Как же соотносилась молекулярная гипотеза теплоты с открытиями в  области строения веществ?

Ещё в 17-18 в.в. атомистические представления играли важную роль при объяснении химических явлений. В Англии атомистические представления развивались Бойлем и

Ньютоном.

 

Атомы и корпускулы рассматривались  как отдельные плотные и непроницаемые  частицы очень малых размеров. До середины 19 в. Конкретные представления об атомах и молекулах, как и основанные на них физические теории, были весьма наивны и относились более к фантазии, чем к науке.

Атомы представляли в виде шариков с крючками, с помощью которых они могли сцепляться друг с другом. Все теории носили качественный, описательный характер, подчас игнорировались даже законы Ньютовой механики. Исключения составляли работы Д. Бернулли и Ломоносова, они дали не только качественное описание, но и количественное объяснение газового давления, указали возможность отклонений от закона Бойля-Мариотта при достаточном сжигании газов.

 

Первый закон Ньютона (или закон инерции)-из всего многообразия систем отсчета выделяет класс так называемых инерциальных систем.

Существуют такие системы  отсчёта, относительно которых поступательно движущиеся тела сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела.

Свойство тел сохранять  свою скорость при отсутствии действия на него других тел называется инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют законом инерции.

 

Второй закон Ньютона – основной закон динамики. Этот закон выполняется только в инерциальных системах отсчета.

Второй закон  Ньютона -при действии одной и той же силы на разные тела оказывается одинаковым произведением массы тела на его ускорение.

 

Третий закон Ньютона- тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль

одной прямой, равными по модулю и  противоположными по направлению.

 

закон Бойля-Мариотта

При постоянной температуре и массе идеального газа произведение его давления и объёма постоянно.

 

Физическую структуру газа пытался  представить Джон Дальтон, он считается отцом теории атомного строения веществ, которое определяет их химические свойства.

(В 1894 г. Дальтон прочёл доклад  о цветовой слепоте, которой страдал и сам, получившей название «дальтонизм».) Дальтон вывел закон, носящий его имя: давление пара одинаково независимо от того, какое пространство он занимает - пустое или заполненное воздухом той же плотности. Дальтон экспериментировал с многими газами: он брал две герметически закрытые колбы, содержавшие разные газы, соединял их трубкой и помещал одну над другой (при этом в нижней колбе находился более тяжёлый газ, а в верхней- более лёгкий).Спустя несколько часов он исследовал содержимое колб.

 

Дальтон писал:-« Эти опыты убедили  меня в том, что два упругих  флюида, приведённые в соприкосновение, неизменно смешиваются между  собой даже в том случае, когда какие-либо движения внутри них тщательно устранены… причём удельный вес их не оказывает другого влияния, кроме замедления или ускорения процесса».

 

Закон кратных отношений гласит — Если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

 

Дальтон объяснял это тем, что атомы  разных веществ в химических реакциях соединяются в молекулы, причём все  молекулы чистых веществ построены  одинаково. С помощью закона Авогардо и Гей-Люссака в химии сформировались методы определения атомных и молекулярных весов, обоснование которым дано в кинетической теории газов.

 

АВОГА́ДРО ЗАКО́Н, один из основных законов идеальных газов: в равных объемах идеальных газов при одинаковых давлении и температуре содержится одинаковое число молекул. Число молекул в одном моле называют постоянной Авогадро или числом Авогадро. Закон был открыт Авогадро в 1811.

 

Закон Гей-Люссака 1802.

При постоянном давлении изменение объема газа прямо   пропорционально температуре.

 

Исследование явления  диффузии, открытого незадолго до этого, и привело Дальтона к его закону, который он считал очень важным для понимания поведения газов. От атомистов- Бойля и Ньютона –Дальтон взял только основную идею: все явления природы обусловлены силами притяжения и отталкивания, и затем развил свою теорию о постоянно движущихся атомах, но уже не на основе механики, а на основе представлений об особых теплородных оболочках, окружающих атомы. Он считал, что эти оболочки служат причиной сил отталкивания, поэтому у него газ являл собой статическую модель без внутренних движений.

 

Закон Дальтона о парциальных давлениях

В 1801 г. Джон Дальтон установил, что  давление смеси нескольких газов  равно сумме парциальных давлений всех газов, составляющих смесь. Этот закон  получил название закона парциальных  давлений газов. Парциальное давление каждого газа, входящего в состав смеси, это давление, которое создавалось бы той же массой данного газа, если он будет занимать весь объем смеси при той же температуре.

 

Закон Дальтона о парциальных давлениях  был подтверждён Гей- Люссаком в  опыте со смесью паров в 1816 г..Немецкий физик Генрих Магнус  показал, что закон Дальтона пригоден только для несмешивающихся жидкостей (типа «вода + масло»), тогда как, если жидкости смешиваются (типа «эфир + спирт»), то для них полное давление смеси паров меньше суммы давлений компонентов.

 

После того, как Гельмгольц выдвинул гипотезу о том, что внутреннюю причину взаимной превращаемости теплоты в работу, можно найти сведением тепловых явлений к механическим, появилось сразу несколько вариантов сопоставления теплоты с движением. Наиболее удачными оказались попытки Клаузиуса и Августа Крёнинга.

 

Крёнинг стал рассматривать газ как совокупность мельчайших упругих шариков- атомов, которые хаотично двигаются в пустоте, и впервые ввёл в свои оценки понятие вероятности.

Крёнинг пишет о хаотичности движения, что:-«По отношению атомов газа гладкая стенка должна рассматриваться как очень не ровная и потому траектория каждого атома настолько беспорядочна, что никакому расчёту не поддаётся. Однако, по законам теории вероятностей, вместо этой полной беспорядочности можно принять полную упорядоченность».

 

Крёнинг принял, что атомы газа движутся по трём взаимно перпендикулярным направлениям с одинаковой скоростью, и, сделав элементарный расчёт, получил уравнение, связывающее давление и объём газа с его массой и скоростью атомов. Но он неправильно оценил давление газа, ошибочно взяв коэффициент 1/6 вместо 1/3.Но зато, он верно указал на связь давления и объёма с кинетической энергией частиц. Он получил из кинетической модели закон Авогардо и объяснил охлаждение газа при адиабатическом охлаждении.

Работа Крёнинга подтолкнула Клаузиуса к публикации своих результатов в 1857 г..

Клаузиус вывел основную формулу  кинетической теории газов, согласно которой  давление газа равно двум третям средней  кинетической энергии всех молекул в единице объема.

ρ = Nmv2/3V или pV= (3/2)N(mv2/2) = (3/2)K,

где К — энергия поступательного движения всех частиц газа. Поскольку давление и объем идеального газа связаны уравнением Клапейрона, он получил: N(mv2/2) = кТ, здесь К — постоянная Больцмана.

При построении модели внутренней структуры, будем считать. Что все  тела состоят из частиц, называемых- атомами. В некоторых ситуациях  возможно их объединение в молекулы, причём молекулы или объединения  нескольких молекул могут играть в каких-то явлениях роль основных субчастиц, так что их внутренняя структура не будет иметь значения.

Чтобы построенная модель согласовывалась с экспериментальными данными, атомы должны быть неразличимы  даже в микроскоп.

При поглощении энергии  веществом обычно увеличивается объём тела, меняются его электрические свойства, может измениться фазовое состояние вещества, чаще всего повышается температура. Температура меняется по-разному. В зависимости от типа атомов(или других частиц )и их количества в веществе, от особенностей связи атомов друг с другом, от их движения.

 

Модель структуры вещества нужна для расчёта тепловых явлений.

 

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ЭФФЕКТОВ В ГАЗАХ

 

Атомы в газах находятся на значительном расстоянии друг от друга и обладают свободой движения, проще говоря, хаотически мечутся, сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда. Когда к газу подводится тепло, оно превращается в кинетическую энергию движения атомов(или молекул). Хаотическое движение атомов убыстряется, поэтому растёт давление.

Броуновское движение (или брауновское движение) – это непрерывное хаотическое движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе (при этом подразумевается, что сила тяжести не влияет на их движение).

 

Средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул газа прямо пропорциональна абсолютной температуре.

 

Расстояния между атомами  столь велики по сравнению с их размерами, и времена сближения  частиц столь малы, что все газы ведут себя одинаково.

Как только давление или  температура достигает высоких значений, возрастает вероятность столкновения между частицами, и сходство газов исчезает.

Газовые законы содержат нечто важное; подобных универсальных законов нет для жидкостей или твёрдых тел. Свойства твёрдых тел и жидкостей зависят от типа частиц, из которых они состоят. Силы взаимодействия между атомами и молекулами в них меняются в очень широких пределах.

1) при постоянной температуре  изменение объема газа обратно  пропорционально изменению давления (закон Бойля - Мариотта);

2) при постоянном давлении изменение объема газа прямо пропорционально изменению абсолютной температуры (закон Шарля - Гей-Люссака);

3) при постоянных температуре  и давлении изменение объема  прямо пропорционально изменению  количества вещества (закон Авогадро)

Газы из двухатомных молекул требуют для повышения температуры больше энергии, чем одноатомные. Дополнительная энергия может расходоваться не только на увеличение скоростей движения молекул, но и на колебания и взаимное вращение атомов внутри молекулы. Мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул является температура, для одноатомных газов теплоёмкость должна быть одинаковой, а для двухатомных выше.

 

Одноатомный газ — это такой газ, в котором атомы не образуют химических связей друг с другом. При стандартном давлении и температуре, все инертные газы являются одноатомными.

 

Можно предположить, что  у более сложных и больших  молекул удельная теплоёмкость должна быть ещё больше. При повышении  температуры энергия расходуется  на колебательные и вращательные степени свободы, которые начинают играть роль при определённых, критических значениях температуры.