Тепловые явления. Молекулярная физика. Введение

Механическое движение. В VIII классе подробно изучалась механическая форма движения материи, т. е. перемещение в пространстве одних тел относительно других с течением времени. То, что все тела состоят из атомов или молекул, не принималось во внимание. Тела рассматривались как сплошные, лишенные внутренней структуры.

Исследование свойств тел не входит в задачу механики. Ее цель – определение положения тел в пространстве и их скоростей в любой момент времени в зависимости от сил взаимодействий между ними при заданных начальных положениях и скоростях тел.

Тепловое движение. Атомы и молекулы вещества, как вам известно из курса физики VII класса, совершают беспорядочное (хаотическое) движение, называемое тепловым движением. В разделе «Тепловые явления. Молекулярная физика» в IX классе мы будем изучать основные закономерности тепловой формы движения материи.

Движение молекул беспорядочно в связи с тем, что число их в телах, которые нас окружают, необозримо велико и молекулы взаимодействуют друг с другом. Понятие теплового движения не применимо к системам из нескольких молекул. Хаотическое движение огромного числа молекул качественно отличается от упорядоченного механического перемещения отдельных тел. Именно поэтому оно представляет собой особую форму движения материи, обладающую специфическими свойствами.

Тепловое движение обуславливает внутренние свойства тел, и его изучение позволяет понять многие физические процессы, протекающие в телах.

Макроскопические тела. В физике тела, состоящие из очень большого числа атомов или молекул, называют макроскопическими. Размеры макроскопических тел во много раз превышают размеры атомов. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень, земной шар – все это примеры макроскопических тел (рис. 1).

Тепловые явления. Тепловое движение молекул зависит от температуры. Об этом говорилось в курсах физики VI и VII классов. Следовательно, изучая тепловое движение молекул, мы тем самым будем изучать явления, зависящие от температуры тел. При нагревании происходят переходы вещества из одного состояния в другое: твердые тела превращаются в жидкости, а жидкости – в газы. При охлаждении, наоборот, газы превращаются в жидкости, а жидкости – в твердые тела.

Эти и многие другие явления, обусловленные хаотическим движением атомов и молекул, называют тепловыми явлениями.

Значение тепловых явлений. Тепловые явления играют огромную роль в жизни людей, животных и растений. Изменение температуры воздуха на 20-30° C при смене времени года меняет все вокруг нас. С наступлением весны природа пробуждается, леса одеваются листвой, зеленеют луга. Зимой же богатые летние краски заменяются однообразным белым фоном, жизнь растений и многих насекомых замирает. При изменении температуры нашего тела всего лишь на один градус мы уже чувствуем недомогание.

Тепловые явления интересовали людей с древнейших времен. Люди добились относительной независимости от окружающих условий после того, как научились добывать и поддерживать огонь. Это было одним из величайших открытий, сделанных человеком.

Изменение температуры оказывает влияние на все свойства тел. Так, при нагревании или охлаждении изменяются размеры твердых тел и объем жидкостей. Значительно меняются также их механические свойства, например упругость. Кусок резиновой трубки не пострадает, если ударить по нему молотком. Но при охлаждении до температуры ниже –100° C резина становится хрупкой, как стекло. От легкого удара резиновая трубка разбивается на мелкие кусочки. Лишь после нагревания резина вновь обретет свои упругие свойства.

Все перечисленные выше и многие другие тепловые явления подчиняются определенным законам. Эти законы также точны и надежны, как и законы механики, но отличаются от них по содержанию и форме. Открытие законов, которым подчиняются тепловые явления, позволяет с максимальной пользой применять эти явления на практике, в технике. Современные тепловые двигатели, установки для сжижения газов, холодильные аппараты и другие устройства конструируют на основе знания этих законов.

Молекулярно-кинетическая теория. Теория, объясняющая тепловые явления в макроскопических телах и внутренние свойства этих тел на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных хаотически движущихся частиц, носит название молекулярно-кинетической теории. В теории ставится задача связать закономерности поведения отдельных молекул с величинами, характеризующими свойства макроскопических тел.

Еще философы древности догадывались о том, что теплота – это вид внутреннего движения частиц, слагающих тела. Большой вклад в развитие молекулярно-кинетической теории был сделан великим русским ученым М. В. Ломоносовым. Ломоносов рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории он дал вполне правильное в общих чертах объяснение явлений плавления, испарения и теплопроводности. Им был сделан вывод о существовании «наибольшей или последней степени холода», когда движение частичек вещества прекращается.

Ломоносов Михаил Васильевич (1711 – 1765) – великий русский ученый, энциклопедист, поэт и общественный деятель, основатель Московского университета, носящего его имя. Пушкин назвал М. В. Ломоносова «первым русским университетом». М. В. Ломоносову принадлежат выдающиеся труды по физике, химии, горному делу и металлургии. Он развил молекулярно-кинетическую теорию тепла, в его работах предвосхищены законы сохранения массы и энергии. М. В. Ломоносов создал фундаментальные труды по истории русского народа, он является основоположником современной русской грамматики.

Однако трудности построения молекулярно-кинетической теории привели к тому, что окончательную победу она одержала лишь в начале XX в. Дело в том, что число молекул в макроскопических телах огромно и проследить за движением каждой молекулы невозможно. Необходимо научиться на основе законов движения отдельных молекул находить тот средний результат, к которому приводит их совокупное движение. Именно этот средний результат движения всех молекул определяет тепловые явления в макроскопических телах.

Термодинамика. Вещество обладает многими свойствами, которые можно изучать, не углубляясь в его строение. Тепловые явления можно описывать с помощью величин, регистрируемых такими приборами, как манометр и термометр, которые не реагируют на воздействие отдельных молекул.

В середине XIX в. после открытия закона сохранения энергии была построена первая научная теория тепловых процессов – термодинамика. Термодинамика – это теория тепловых явлений, в которой не учитывается молекулярное строение тел. Она возникла при изучении оптимальных условий использования теплоты для совершения работы задолго до того, как молекулярно-кинетическая теория получила всеобщее признание.

Термодинамика и статистическая механика. В настоящее время в науке и в технике используют как термодинамику, так и молекулярно-кинетическую теорию, называемую также статистической механикой. Эти теории взаимно дополняют друг друга.

Все содержание термодинамики заключается в нескольких утверждениях, называемых законами термодинамики. Эти законы установлены опытным путем. Они справедливы для всех веществ, независимо от их внутреннего строения. Статистическая механика – более глубокая, но зато и более сложная теория тепловых явлений. С ее помощью можно обосновать теоретически все законы термодинамики.

Вначале мы остановимся на основных положениях молекулярно-кинетической теории, известных нам частично из курса физики VI и VII классов. Затем познакомимся с количественной молекулярно-кинетической теорией простейшей системы – газа сравнительно небольшой плотности.