Молекулно-кинетична теория за строежа на веществата

Молекулно-кинетична теория за строежа на веществата. Методи на изследване в
молекулната физика и термодинамиката. Агрегатни състояния на веществата.
Основни макроскопични параметри – налягане, обем, температура
Молекулно-кинетична теория за строежа на веществата. Методи на изследване в молекулната
физика и термодинамиката
Топлинните явления са известни на хората от дълбока древност. Тяхното систематично изучаване и
описание обаче, е започнало през 17-18 век. Така се е развил този дял от физиката, който сега наричаме
термодинамика. При термодинамичното разглеждане на процесите ние основно изучаваме топлинните
свойства на телата и предаването на топлина между тях, без да се интересуваме от строежа на телата
или от причините, поради които те са по-топли или по-студени. В началото на 19 век е установено
експериментално, че всички тела са изградени от голям брой малки частици, наречени молекули.
Техните размери са много малки (около 10
-10
m) и се намират в непрекъснато движение. Така, наред с
термодинамиката, се оформил нов дял на физиката – молекулната физика. Основата на молекулната
физика е молекулно-кинетичната теория за строежа на веществата. Нейните основни положения са:
– Всички вещества имат прекъснат (дискретен) строеж. Те са съставени от малки, неделими в химично
отношение частици, наречени атоми. Съединенията на атомите се наричат молекули. Молекулите
могат да бъдат прости – съдържащи еднакви атоми, и сложни – съставени от два или повече
различни атома.
– Атомите и молекулите, изграждащи всички вещества, се намират в състояние на непрекъснато
хаотично движение независимо от агрегатното състояние, в което се намират. Това движение се
нарича топлинно.
– Между отделните молекули на дадено вещество действат сили на привличане и отблъскване, които
се наричат междумолекулни сили. Тези сили имат електромагнитен произход.
Оказало се, че хаотичното движение на молекулите определя температурата на телата, която е една
от основните величини в термодинамиката. Така, за изясняване на причините за топлинните явления, се
оказало важно да се опише механичното движение на градивните частици на телата.
В механиката разглеждахме поведението на системи, които се състоят от сравнително малък брой
тела. За описанието на такава система е достатъчно да напишем уравненията на движение на всички
тела и от тях да получим уравненията на движение на системата. Ако телата в системата са много обаче,
ние не сме в състояние (математически) да решим система от толкова много уравнения. Затова
съществуват два метода за изучаване свойствата на макросистемите: статистически и термодинамичен.
Двата метода са тясно свързани помежду си и взаимно се допълват. В молекулната физика се използва
статистическият метод на изследване. При този метод се изучават физичните закони в една
макроскопична система, като се използват средните стойности на физичните величини (наричат се
просто средни физични величини), характеризиращи поведението на отделните частици в системата.
Така например във всеки момент от време молекулите се движат с различни скорости и е невъзможно
да се определи скоростта на всяка молекула поотделно. Средната стойност на скоростта на топлинното
движение на молекулите обаче, определя температурата на тялото. Средните физични величини,
използвани при статистическия метод, се подчиняват на законите на теорията на вероятностите и
математическата статистика, затова и методът се нарича статистически. С други думи, използвайки
средните стойности на микроскопичните величини (напр. скоростта на отделната молекула),
получаваме стойността на макроскопичните, описващи цялата система, величини (напр. температурата
на тялото).
Статистическият метод е приложим с достатъчна достоверност само за системи, съдържащи много
голям брой частици т.е. за макроскопични системи. Размерите на молекулите на всички вещества
независимо от агрегатното им състояние са много малки и следователно броят им е огромен. Например
в 1 m
3
газ при нормални условия се съдържат приблизително 10
25
молекули, а в твърдите тела и
течностите – 10
28
. Ето защо всяко тяло или определено количество от него (независимо от агрегатното
му състояние) от гледна точка на молекулната физика и термодинамиката може да се разглежда като
макроскопична система.
Виждаме, че в молекулната физика се акцентира основно върху броя частици, които съдържа една
система. Затова се налага да въведем и величина, която да е свързана с този брой – количество вещество.
В система SI за единица количество вещество е приета единицата мол [mol]. Един мол е количеството
вещество на система, съдържаща толкова структурни единици (атоми, молекули, йони), колкото атоми
се съдържат в 0,012 kg от химичния елемент въглерод-12 (C
12
). Масата на един мол вещество се нарича
Comment [I1]: Основни положения
на молекулно-кинетичната теория

моларна маса и се означава с . Следователно в 1 mol от кое да е вещество се съдържат един и същ брой
атоми или молекули, наречен число на Авогадро, NA=6,022.10
23
mol
-1
.
С помощта на молекулно-кинетичната теория се обясняват редица явления, свързани с топлинните
свойства на телата, като дифузия, топлопроводност, топене, изпарение, кристализация и др.
Термодинамиката е раздел от физиката, в който се изследват макроскопичните параметри, свързани
главно с топлообмена, на дадено тяло или съвкупност от тела. Всяка макроскопична система,
разглеждана във такъв аспект, се нарича термодинамична система. Предмет на термодинамиката е
изучаването на закономерностите при различните преобразувания на енергията в дадена
термодинамична система.
Една термодинамична система може да съдържа съвкупност от тела или само едно тяло. Когато се
говори за едно тяло в термодинамичен смисъл, обикновено се има предвид определено количество от
дадено вещество, което се характеризира с физичните величини обем, плътност, температура, налягане
и др. Тези величини определят вътрешното състояние на системата като цяло. Наричат се
термодинамични (макроскопични) параметри. (Формата на тялото и движението му не представляват
интерес за термодинамичния метод.) На всяка съвкупност от стойности на термодинамичните
параметри съответства определено състояние на системата, наречено термодинамично състояние. При
промяна на някой от параметрите се променя и съответното състояние на системата.
Термодинамичните състояния и свързаните с тях процеси могат да се разделят на две основни
групи: равновесни и неравновесни. Състоянието на една термодинамична система, в което тя може да
остане неопределено дълго време, се нарича равновесно (или топлинно равновесие). За да се изведе
системата от това състояние, е необходимо външно въздействие. Преходът от едно равновесно
състояние в друго се нарича термодинамичен процес. Ако този преход се извършва за някакво крайно
време, процесът е неравновесен. Следователно, всички реални термодинамични процеси са
неравновесни тъй като протичат с крайна скорост. В много случаи обаче, тяхната неравновесност може
да се пренебрегне и всеки реален процес може да се представи като непрекъсната последователност от
равновесни състояния.
Особено значение в термодинамиката имат равновесните процеси, които протичат в системи с
постоянна маса и при постоянна стойност на един от макроскопичните параметри. Това са т.нар.
изотермодинамични процеси, или изопроцеси: напр. ако температурата е постоянна имаме изотермен
процес, ако обемът не се променя – изохорен.
Агрегатни състояния на веществата
Знаем, че веществата могат да съществуват основно в три агрегатни състояния – твърдо, течно и
газообразно. В зависимост от стойностите на термодинамичните параметри на системата и процесите,
които протичат в нея, тя може да преминава от едно агрегатно състояние в друго. Напр. ако повишаваме
температурата на едно тяло, то може да премине от твърдо в течно, а след това и в газообразно
състояние. Обратно – ако понижаваме температурата можем да имаме обратните процеси. Ако
повишаваме налягането на един газ, той може да се втечни, а при по-голямо налягане – и да се втвърди.
Има обаче вещества (напр. хелий), които не можем така просто да втечним или втвърдим. Следователно,
не макроскопичните параметри са определящи за това, в какво агрегатно състояние ще се намира
дадено вещество. Оказва се, че основният критерий за агрегатното състояние на дадено вещество е
съотношението на кинетичната и потенциалната енергия на молекулите му. Според основните
положения на молекулно-кинетичната теория, молекулите се намират в непрекъснато движение (т.е.
притежават кинетична енергия Ek) и взаимодействат помежду си (следователно притежават
потенциална енергия на взаимодействие Ep). В зависимост от съотношението на тези енергии можем да
дефинираме трите основни агрегатни състояния:
– твърдо (кристално) – кинетичната енергия на молекулите е много по-малка от потенциалната
енергия на взаимодействие помежду им (kp
EE ). Градивните частици не могат да се движат
свободно, те само трептят около равновесните си положения в кристалната решетка. Тялото има
собствена форма и обем, които много трудно променят. (Ако изобщо пренебрегнем кинетичната
енергия спрямо потенциалната, ще стигнем до модела на идеално твърдо тяло.)
– газообразно – кинетичната енергия на молекулите е много по-голяма от потенциалната енергия на
взаимодействие помежду им (kp
EE ). Частиците на газа са почти свободни, тъй като почти не
взаимодействат помежду си, поради което заемат целия обем, който им е предоставен. Тялото няма
собствена форма и обем – приема формата и обема на съда, в който е поставено. (Ако изобщо
Comment [I2]: Твърдо агрегатно
състояние – определение
Comment [I3]: Газообразно агрегатно
състояние – определение

пренебрегнем потенциалната енергия спрямо кинетичната, ще стигнем до модела на идеален газ, с
който ще се запознаем по-късно.)
– течно – кинетичната енергия на молекулите и потенциалната енергия на взаимодействие помежду
им са приблизително равни (kp
EE ). Атомите и молекулите на течностите през повечето време
трептят около равновесното си положение, както при кристалите, но имат възможност да сменят
местоположението си (да се движат в течността) както в газовете. Течностите, също както и
твърдите кристални тела имат собствен обем и собствена форма (сферична за всички течности), но
много лесно променят формата си при външно въздействие, затова изглежда, че заемат формата на
съда.
Съществуват и други състояния на веществата, които могат да се разглеждат като отделни агреганти
състояния, но всъщност се