Молекулярно-кинетическая теория
Молекуля́рно-кинети́ческая тео́рия (МКТ) — теория, созданная в XIX веке, рассматривающая строение вещества, в основном газов, с точки зрения трёх основных приближённо верных положений:
- все тела состоят из частиц: атомов, молекул и ионов;
- частицы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловом);
- частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений.
МКТ стала одной из самых успешных физических теорий и была подтверждена многочисленными опытными фактами, в частности, диффузии, броуновского движения и изменением агрегатных состояний вещества.
Агрегатное состояние вещества[править]
Агрега́тное состоя́ние вещества — физическое состояние вещества, зависящее от соответствующего сочетания температуры и давления.
Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других физических величин.
Традиционно выделяют три агрегатных состояния: твёрдое, жидкое и газообразное. К агрегатным состояниям принято причислять также плазму, в которую переходят газы при повышении температуры и фиксированном давлении. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию. Существуют и другие агрегатные состояния.
Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Так, существуют аморфные тела, сохраняющие структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять форму; жидкие кристаллы текучи, но при этом обладают некоторыми свойствами твёрдых тел, в частности, могут поляризовать проходящее через них электромагнитное излучение.
Для описания различных состояний в физике используется более широкое понятие термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы от одной фазы к другой, называют критическими явлениями.
Основным термодинамическим признаком различия видов агрегатного состояния вещества является наличие энергетической границы между фазами: теплота испарения как граница между жидкостью и её паром и теплота плавления как граница между твёрдым веществом и жидкостью[1].
Четыре основных состояния[править]
Твёрдое тело[править]
В твёрдом состоянии вещество сохраняет как форму, так и объём. При низких температурах все вещества замерзают — превращаются в твёрдые тела. Температура затвердевания может быть несколько повышена при увеличении давления. Твёрдые тела делятся на кристаллические и аморфные.
С микроскопической точки зрения твёрдые тела характерны тем, что молекулы или атомы в них в течение длительного времени сохраняют своё среднее положение неизменным, только совершая колебания с небольшой амплитудой вокруг них. В кристаллах средние положения атомов или молекул строго упорядочены. Кристаллы характеризуются пространственной периодичностью в расположении равновесных положений атомов, которая достигается наличием дальнего порядка и носит название кристаллической решётки. Естественная форма кристаллов — правильные многогранники.
В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек, у них отсутствует дальний порядок, но сохраняется ближний, при котором молекулы расположены вплотную на расстояниях, сравнимых с расстояниями между атомами в молекулах.
Согласно классическим представлениям, устойчивым состоянием (с минимумом потенциальной энергии) твёрдого тела является кристаллическое.
Частным случаем аморфного состояния является стеклообразное состояние. Аморфное тело находится в метастабильном состоянии и с течением времени должно перейти в кристаллическое состояние, однако время кристаллизации бывает столь велико, что метастабильность вовсе не проявляется. Аморфное тело можно рассматривать как жидкость с очень большой (часто бесконечно большой) вязкостью.
Кристаллические твёрдые тела имеют анизотропные свойства, то есть их отклик на приложенные внешние силы зависит от ориентации сил относительно кристаллографических осей.
Жидкость[править]
В жидком состоянии вещество сохраняет объём, но не сохраняет форму. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом.
Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведёт себя как упругая мембрана. Так, вода может собираться в капли. При перемешивании и различии температур внутри жидкости и на поверхности жидкость способна течь под своей неподвижной поверхностью. Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии.
Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит в твёрдое состояние (происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние — стекло), выше — в газообразное (происходит испарение). Границы этого интервала зависят от давления.
Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. (Наиболее важные исключения — это квантовые жидкости и жидкие кристаллы.) Поэтому в большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической фазой (жидкая фаза). Как и газ, жидкости тоже в основном изотропные. Однако, существуют жидкости с анизотропными свойствами — жидкие кристаллы.
Газ[править]
Газообразное состояние характерно тем, что оно не сохраняет ни форму, ни объём, но заполняет весь доступный ему объём. Это состояние, свойственное веществам с малой плотностью. Переход из жидкого в газообразное состояние называют испарением, а противоположный ему переход из газообразного состояния в жидкое — конденсацией. Переход из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое, называют сублимацией или возгонкой.
С микроскопической точки зрения газ — это состояние вещества, в котором его отдельные молекулы взаимодействуют слабо и движутся хаотически. Взаимодействие между ними сводится к спорадическим столкновениям. Кинетическая энергия молекул превышает потенциальную. Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма и не образуют свободной поверхности, а стремятся заполнить весь доступный объём (например, сосуда). Газам свойственна изотропия, то есть независимость характеристик от направления. В привычных для человека земных условиях, газ имеет одинаковую плотность в любой точке, однако это не является универсальным законом, во внешних полях, например в поле тяготения Земли, или в условиях различных температур плотность газа может меняться от точки к точке. Газообразное состояние вещества в условиях, когда возможно существование устойчивой жидкой или твёрдой фазы этого же вещества, обычно называется паром.
Плазма[править]
Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто называют плазму. Плазма является частично или полностью ионизированным газом и в равновесном состоянии обычно возникает при высокой температуре, от нескольких тысяч К[2] и выше. В земных условиях плазма образуется в газовых разрядах. Свойства плазмы напоминают свойства газообразного состояния вещества, за исключением того, что для плазмы принципиальную роль играет электродинамика, то есть равноправной с ионами и электронами составляющей плазмы является электромагнитное поле. Плазма — самое распространённое во Вселенной агрегатное состояние вещества. В этом состоянии находится вещество звёзд и вещество, наполняющее межпланетное, межзвёздное и межгалактическое пространство.
Примечания[править]
- ↑ Белоконь, Н. И. Основные принципы термодинамики, 1968. — С. 25.
- ↑ Агрегатные состояния вещества // Большая советская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969. — Т. 1 : А — Ангоб. — 608 с.
Литература[править]
- Физическая Энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — Москва: Советская Энциклопедия, 1988. — Т. 1. — 704 с.
- Белоконь Н. И. Основные принципы термодинамики. — Москва: Недра, 1968. — 112 с.
- Вукалович М. П. Техническая термодинамика. — Москва: Энергия, 1968. — 496 с.
- Перельман Я. И. Занимательная физика. — Чебоксары: ТОО Арта, 1994. — Т. 2. — 272 с..
- Кириллин В. А. Техническая термодинамика. — 4-е. — Москва: Энергоатомиздат, 1983. — 416 с.
- Крокстон, К. Физика жидкого состояния. Статистическое введение. — Москва: Мир, 1984. — 400 с.
- Давыдов А. С. Теория твёрдого тела. — Москва: Наука, 1976. — 640 с.
- Юрий Петрович Райзер Физика газового разряда. Изд. 3-ое, доп. и перераб. — Долгопрудный: Издательский дом: "Интеллект", 2009. — 736 с.
- Франк-Каменецкий Д. А. Лекции по физике плазмы. — Москва: Атомиздат, 1968. — 285 с. — 21 500 экз.
- Арцимович Л. А., Сагдеев Р. З. Физика плазмы для физиков. — Москва: Атомиздат, 1979. — 320 с.
- Котельников И. А. Лекции по физике плазмы. Том 1: Основы физики плазмы. — 3-е изд. — Спб.: Лань, 2021. — 400 с.
 | Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Молекулярно-кинетическая теория», расположенная по адресу:
Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?». |
|---|