Молекулярно-кінетична теорія і статистичний метод у молекулярній фізиці
ФІЗИКА
Частина 2 МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА
Розділ 4 ОСНОВИ МОЛЕКУЛЯРНО-КІНЕТИЧНОЇ ТЕОРІЇ ГАЗІВ
4.1. Молекулярно-кінетична теорія і статистичний метод у молекулярній фізиці
Молекулярна фізика вивчає фізичні властивості речовини в різних агрегатних станах – твердому, рідкому та газоподібному – у зв’язку з її будовою, міжмолекулярною взаємодією та особливостями руху молекул.
Відповідно до молекулярно-кінетичних уявлень будь-яке тіло – тверде, рідке або газоподібне – складається з великої кількості
Безпосереднім доказом існування хаотичного руху молекул є броунівський рух. Це явище полягає в тому, що дуже малі (їх можна спостерігати лише за допомогою мікроскопа) завислі в рідині частинки завжди перебувають у стані безперервного, безладного руху, який не залежить від зовнішніх причин, а є проявом внутрішнього руху частинок, з яких складається речовина. Броунівські частинки рухаються під впливом безладних
Молекулярно-кінетична теорія має на меті пояснити властивості тіл, що безпосередньо спостерігаються на досліді (тиск, температуру тощо), як сумарний ефект дії молекул. Для цього вона використовує статистичний метод, розглядаючи не рух окремих молекул, а лише деякі усереднені величини, які характеризують рух великої сукупності частинок.
Молекулярна фізика розглядає явища, які є результатом сукупності дії багатьох частинок. Ці явища, в яких бере участь величезна кількість частинок, підлягають законам великих чисел, або законам статистики.
Сукупність великої кількості молекул має властивості, яких не має кожна молекула окремо. Такими властивостями сукупності є, наприклад, тиск, температура, теплопровідність, в’язкість тощо. Тому рух такої сукупності молекул є вже новою, що якісно відрізняється від механічної, формою руху матерії, хоча рух кожної молекули окремо підлягає законам механіки. Виникнення у сукупності молекул нових властивостей, яких немає в окремих молекулах, є одним з конкретних проявів положення діалектичного матеріалізму про виникнення нової властивості внаслідок кількісних змін.
Існує певний якісний і кількісний зв’язок між властивостями сукупності молекул і середніми значеннями тих фізичних властивостей, які характеризують поведінку та властивості кожної молекули окремо. Наприклад, температура газу зв’язана із середнім значенням кінетичної енергії молекули. Для встановлення цього зв’язку не потрібно точно знати положення або швидкість кожної окремої молекули, а досить знати ймовірні значення їх.
Статистика оперує середніми значеннями тих фізичних величин, які характеризують поведінку і властивості кожної окремої молекули. Тому ні напрям руху, ні швидкість окремої молекули, ні концентрація їх у кожному малому об’ємі тепер не відіграють істотної ролі, а важливі тільки середні значення цих величин. Уведення середніх значень величин у молекулярній фізиці зумовлене не лише тим, що ми не можемо стежити за рухом кожної молекули окремо через велику кількість їх, а й тим, що сукупність величезної кількості молекул має нові властивості, яких немає в кожної молекули окремо, і підлягає новим статистичним законам.
Категорії ймовірності відіграють у науці всезростаючу роль і тісно пов’язані з пізнанням внутрішніх властивостей, з розкриттям внутрішньої структури відносно елементарних об’єктів. Динамічні закони діють тільки там, де можна не враховувати внутрішню структуру об’єктів. Урахування структури, аналіз багатьох фізичних властивостей неодмінно пов’язані з уведенням ймовірностей і застосуванням імовірнісних методів. Статистичні закони виражають об’єктивну необхідність у її нерозривному зв’язку з випадковістю, вони не нехтують випадковістю, а розглядають її як форму виявлення необхідності.
Звертаючись до історії розвитку молекулярно-кінетичних уявлень, слід насамперед зазначити, що уявлення про атомістичну будову речовини були висловлені ще стародавніми греками. Вони стверджували, що основою всіх речей є матерія, розуміючи під нею речовину.
Фалес уявляв матерію як нескінченний прояв основної речовини – води. Анаксімен за єдину матеріальну першооснову брав повітря. Основоположник старогрецької діалектики Геракліт пішов далі Фалеса та Анаксімена. Він стверджував, що світ єдиний із всього не створений ніким із богів і ніким із людей, а був, є і буде вічно живим вогнем, який закономірно спалахує і закономірно згасає.
За Гераклітом, вогонь є першоосновою, рухомою силою. Грецькі філософи Левкіпп (V ст. до н. е.), Демокріт (бл. 460-370 до н. е.) та Епікур (341-270 до н. е.) були впевнені в існуванні межі подільності матерії. З надзвичайною переконливістю, з поетичним пафосом вчення атомістів викладено у філософській поемі Лукреція Кара (бл. 96-55 до н. е.) під назвою “Про природу речей”, що дійшла до наших днів. У грецьких філософів атоми неподільні в геометричному і механічному розумінні. Саме слово “атом” грецького походження і означає “неподільний”. Взаємодію між атомами філософи-атомісти зводили до суто механічної, наділяючи атоми спеціальним механічним пристроєм, щоб забезпечити їм можливість зчеплення.
У XVIII – XIX ст. вчені вважали, що існує спеціальний вид сил, так звані сили хімічної “спорідненості”, внаслідок яких відбувається взаємодія між атомами і молекулами речовини. Тоді був поширений метод з’ясування нового явища введенням спеціальних сил.
Вагомий внесок у розвиток атомно-молекулярних уявлень зробив М. В. Ломоносов (1711-1765). Він піднявся до розуміння закону збереження матерії і руху як єдиного і загального закону природи, чим випередив розвиток фізики більш як на півтораста років. М. В. Ломоносов є основоположником молекулярно-кінетичної теорії, він розкрив природу теплоти, зв’язаної з рухом частинок тіла, та взаємну перетворюваність теплової і механічної форм руху.
Велике значення для науки в цілому і для атомістичної теорії зокрема мало відкриття 1869 р. періодичного закону Д. І. Менделєєвим, за допомогою якого він установив періодичну залежність властивостей простих тіл і сполук елементів від атомних мас елементів. На підставі цього закону Д. І. Менделєєв дійшов висновку, що кількість елементів обмежена, періодичність елементів є законом природи, передбачив існування ряду елементів та їхні властивості. Ці далекосяжні теоретичні передбачення дали змогу на досліді перевірити закон, на багато років уперед вказати шлях розвитку не тільки хімії, а й фізики. До Д. І. Менделєєва хімічні елементи розглядались ізольовано, поза зв’язком між ними, поза розвитком їх, тому спроби систематизації елементів не давали істотних наслідків. Відкриття Д. І. Менделєєва було не тільки науковим, а й філософським узагальненням. Періодичний закон є одним із наочних проявів діалектичного закону виникнення нової властивості в результаті кількісних змін.
Отже, у XIX ст. молекулярні уявлення закріпились у науці остаточно. Визнання реального існування атомів було покладено в основу молекулярно-кінетичної теорії газів Дж. Максвеллом, Л. Больцманом, М. М. Пироговим та іншими фізиками, які спирались у своїх наукових дослідженнях на матеріалістичні уявлення про навколишній світ.
_________________________________________________________
*Атоми можна розглядати як одноатомні молекули.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...