07-д. Систематизирующая роль МКТ

      § 07-д. Систематизирующая роль МКТ

В § 7-а мы отметили, что молекулярная (атомная, атомическая) теория оставалась гипотезой более двух тысячелетий. Что же должно произойти для превращения гипотезы в теорию? Уверенность в правильности гипотезы возникает, когда из неё вытекают следствия, которые можно подтвердить экспериментально. Какие же следствия может объяснить или предсказать МКТ?

Пропорциональность количества теплоты массе вещества. Изучая термодинамику, мы познакомились с четырьмя формулами для расчёта количества теплоты: Q=cmΔt°, Q=λm, Q=rm, Q=qm (см. § 6-в, 6-г, 6-й). В этих формулах количество теплоты прямо пропорционально массе тела. Поясним это утверждение.

Рассмотрим примеры. Увеличив массу горячей воды в 2 раза, мы обнаружим, что количество теплоты, отдаваемое ею при охлаждении, тоже увеличится в 2 раза (формула Q=cmΔt°). Или, увеличив массу льда в 3 раза, мы обнаружим, что количество теплоты, требуемое для его плавления, также возрастёт в 3 раза (формула Q=λm). Аналогично, для превращения в пар в 5 раз большей массы жидкости потребуется в 5 раз больше теплоты (формула Q=rm). И так далее, и тому подобное.

Допустим, в стакане налито 200 г воды. Это значит, что общая масса всех молекул воды, находящихся в стакане, составляет именно 200 г.

Рассмотрим, как МКТ могла бы объяснить (предсказать) эти факты. Очевидно, что масса любого тела (вещества) складывается из масс всех частиц, его образующих (молекул, ионов и атомов). Например, в стакане помещается 200 г воды. Это значит, что в стакане находится столько частиц, что их общая масса равна именно 200 г. Это будет справедливым для любого вещества – воздуха, воды, льда, спирта и так далее.

Как вы знаете, при нагревании тела получаемая им теплота идёт на увеличение кинетической энергии его частиц (см. § 7-в). Они начинают двигаться быстрее. И если количество частиц в теле станет, например, в 2 раза больше, то потребуется в 2 раза больше теплоты, чтобы увеличить скорость движения всех его частиц. Другими словами, количество теплоты пропорционально количеству частиц вещества, то есть массе тела. При плавлении или кипении аналогично: во сколько раз больше частиц должно перейти в расплав или пар, во столько раз больше требуется энергии. Это предсказание МКТ подтверждено опытами.

Закон сохранения и превращения энергии. Изучая физику 7 класса, вы узнали, что при любых явлениях энергия никогда не исчезает и не возникает «из ничего»: она лишь переходит из одного вида в другой или от одного тела к другому. Это утверждение называется законом сохранения и превращения энергии. Рассмотрим его с точки зрения МКТ.

Окружающий нас мир состоит из частиц: молекул, атомов, ионов. Все они находятся в никогда не прекращающемся движении, поэтому обладают кинетической энергией. Частицы любого вещества взаимодействуют: притягиваются и отталкиваются, поэтому обладают потенциальной энергией. При столкновениях или колебаниях частиц их энергия может переходить друг к другу. Однако сумма кинетических и потенциальных энергий всех частиц тела не может измениться сама собой, без вмешательства других частиц или тел.

Вы видите простой физический прибор – маятник Максвелла. Он представляет собой тяжёлый диск на оси, подвешенный на двух нитях. Подкручивая диск, намотаем нити на ось. После отпускания диск начнет двигаться вверх-вниз, непрерывно вращаясь при этом.

Например, у изображённого на рисунке маятника Максвелла массивный диск вращается и движется вверх-вниз, то есть обладает механической энергией. Но постепенно его движение «затухает», так как диск взаимодействует с молекулами воздуха, «подталкивает» их, отдавая им часть своей энергии. Важно: маятник тоже состоит из частиц, поэтому уменьшение кинетической энергии диска как целого означает уменьшение суммарной кинетической энергии его частиц.

Микроскопическое определение внутренней энергии. В предыдущих абзацах мы фактически определили внутреннюю энергию тела как сумму энергий слагающих его частиц.

Сумма энергий движения всех частиц тела и энергий их взаимодействия друг с другом – это внутренняя энергия тела. Такое определение внутренней энергии можно назвать микроскопическим определением. А определение, сформулированное нами в курсе 7 класса, – это макроскопическое определение, так как в нём речь идёт о телах и нет упоминаний о частицах, из которых эти тела состоят (см. § 5-е). Эти два определения внутренней энергии не противоречат друг другу, а описывают её с разных сторон, взаимно дополняя друг друга.

Источник

Поделитесь с другими:

Если материал понравился Вам и оказался для Вас полезным, поделитесь им со своими друзьями!

Читать по теме:

Интересные статьи: