Явление, которое позволило косвенно наблюдать движение молекул было открыто в 1827 г. английским ботаником Робертом Броуном, который в микроскоп увидел хаотическое движение частиц цветочной пыльцы. Но только 50 лет спустя этому эффекту было дано правильное объяснение. Но окончательный триумф молекулярно-кинетической теории был достигнут после проведения францусским ученым Ж.Б.Перреном в 1909 г. опытов по распределению частиц эмульсии по высоте под воздействием силы тяжести.
Количественным воплощением молекулярно-кинетических представлений служат опытные газовые законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро, Дальтона, уравнение состояния Клапейрона-Менделеева, основное уравнение кинетической теории идеальных газов, закон Максвелла для распределения скоростей молекул и др. На базе молекулярно-кинетической теории теплоты и представлений об энергии в середине XIX в. появилась наука о теплоте - термодинамика.
Термодинамика - наука о наиболее общих свойствах макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями.
Термодинамика строится на основе фундаментальных принципов («Начал»), которые являются обобщением многочисленных наблюдений и выполняются независимо от конкретной природы образующих систему тел. Поэтому закономерности в соотношениях между физическими величинами, к которым приводит термодинамика, носит универсальный характер. Обоснование законов термодинамики, их связь с законами движения частиц, из которых построены тела, дается статистической физикой, задачей которой является выражение свойств макроскопических тел, т.е. систем, состоящих из очень большого числа одинаковых частиц (молекул, атомов, электронов и т.п.) через свойства этих частиц и взаимодействие между ними.
В основе молекулярно-кинетических представлений о строении и свойствах макросистем лежат три положения:
- любое тело - твердое, жидкое или газообразное - состоит из большого числа малых частиц - молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы);
- молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-либо преимущественного направления движении;
- интенсивность движения молекул зависит от температуры вещества.
10.2. Некоторые положения современной термодинамики
Теплота - количество энергии, получаемое или отдаваемое системой при теплообмене при неизменных внешних параметрах-системы. Тепловое движение -беспорядочное (хаотическое) движение микрочастиц (молекул, атомов, электронов и др.), из которых состоят все тела. Тепловое движение - это особая форма движения материи, качественно отличная от обычного механического движения, при котором все части тела движутся упорядоченно. Наиболее убедительным эк-
спериментальным доказательством сущности теплового движения служит броуновское движение - беспорядочное движение малых (размером в несколько мкм и менее) частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием толчков со стороны молекул окружающей среды.
Температура - физическая величина, характеризующая энергетическое состояние среды. Кинетическая температура - параметр, характеризующий среднюю кинетическую энергию теплового движения частиц, вычисляемый по формуле:
mv1 ЗкТ _ mv2 2 ~ 2 ’ Зк
где m - масса частицы, v - скорость теплового движения частиц,
к - 1,38 10'23Дж1, К - постоянная Больцмана, Т - температура газа, К.
Давление - физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на другое. Давление в газовой среде связано с передачей импульса при столкновениях находящихся в тепловом движении молекул газа друг с другом или с поверхностью граничащих с газом тел.
Энтропия - мера необратимого рассеяния энергии, связанного с превращением тепла в работу. Связь энтропии S с внутренней энергией U, давлением р, объемом V и абсолютной температурой Т определяется дифференциалом:
dS = {dU + pdV)/T.
Энтропия определяет характер процессов при отсутствии теплообмена с окружающей средой в адиабатической системе: возможны только такие процессы, при которых энтропия либо остается неизменной (обратимые процессы), либо возрастает (необратимые процессы). Термодинамическому равновесию в этом случае соответствует состояние с максимумом энтропии.
Тепловые процессы связаны со строением вещества и его внутренней структурой. Изменение температуры может изменить агрегатное состояние вещества, например, расплавить его или превратить в пар при повышении температуры или, наоборот, газ превратить в жидкость и даже в твердое вещество при охлаждении.
Теплообмен - самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве, обусловленный неоднородным полем температуры. Различают три вида теплообмена - теплопроводность, конвекцию и лучистый теплообмен. На практике теплообмен обычно осуществляется всеми тремя видами одновременно.
Теплопроводность - перенос теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температур. При теплопроводности перенос энергии в теле осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомов, электронов), обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией.
