§ 7-д. Систематизирующая роль МКТ

В § 7-а мы отметили, что молекулярная (атомная, атомическая) гипотеза была гипотезой более двух тысячелетий. Красивой, во многих случаях очень удобной, но – гипотезой. Что же должно было произойти для превращения этой золушки-гипотезы в принцессу-теорию? Уверенность в правильности гипотезы возникает, когда из неё вытекают следствия, которые можно подтвердить экспериментально. Какие же следствия – факты – может объяснить или предсказать МКТ?

Пропорциональность количества теплоты массе вещества. Изучая термодинамику, мы познакомились с четырьмя формулами для расчёта количества теплоты: $$ \begin{array}{1} \boldsymbol{Q=c\cdot m\cdot \Delta t}, \\ \boldsymbol{Q=l \cdot m}, \\ \boldsymbol{Q=r \cdot m },\\ \boldsymbol{Q=q \cdot m} \end{array} $$ (см. § 6-в, 6-г, 6-к). В этих формулах количество теплоты прямо пропорционально массе тела.

Например, увеличив массу горячей воды в 2 раза, мы обнаружим, что количество теплоты, отдаваемое ею при охлаждении, тоже увеличится в 2 раза (формула $Q = cm\Delta t$). Или, увеличив массу льда в 3 раза, мы обнаружим, что количество теплоты, требуемое для его плавления, также возрастёт в 3 раза (формула Q = lm). Аналогично для превращения в пар в 5 раз большей массы жидкости потребуется в 5 раз больше теплоты (формула Q = rm).

      

Рассмотрим, как МКТ может 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 граммов воды. Это значит, что в стакане находится столько молекул, 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 тел или кипении жидкостей аналогично: во сколько раз больше частиц должно перейти в расплав или пар, во столько раз больше требуется энергии. Это «предсказание» МКТ подтверждается опытами.

 
 

Закон сохранения и превращения энергии. Изучая физику 7-го 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 хаотическом 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.

        

Например, изображённый на рисунке справа так называемый «маятник Максвелла» вращается и движется вверх-вниз, поэтому обладает некоторым запасом механической энергии. Если бы не было силы сопротивления воздуха, то маятник качался бы вечно. Однако он взаимодействует с молекулами воздуха, «подталкивает» их, то есть передаёт им часть своей кинетической энергии. Поэтому энергия маятника уменьшается.

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.Следовательно, определение, сформулированное нами в курсе физики 7-го класса (см. § 5-е), – это макроскопическое определение, так как в нём речь идёт о телах и нет упоминания о частицах вещества.

Эти определения одной и той же величины не противоречат друг другу, а описывают внутреннюю энергию с двух разных сторон. В следующих темах это фундаментальное физическое понятие предстанет перед вами и с других точек зрения. С новым аспектом внутренней энергии вы ещё столкнётесь в темах «Электронно-ионная теория» и «Атомная и ядерная физика».

  1. Как рождается доверие к истинности гипотезы?
  2. Сведения, истинность которых проверена, мы назовём словом ...
  3. Перечисленные формулы служат ...
  4. В каждой из перечисленных формул ...
  5. Как понимать, что количество теплоты при изменении температуры тела пропорционально его массе?
  6. Проиллюстрируйте, что количество теплоты при плавлении или кристаллизации тела пропорционально его массе.
  7. Поясните, что количество теплоты при парообразовании способом кипячения вещества пропорционально его массе.
  8. Из каких физических величин складывается масса тела или вещества?
  9. Если в сосуде находятся молекулы или атомы вещества общей массой 200 г, значит, масса этого вещества ...
  10. Тепловая энергия, получаемая телом при нагревании, ...
  11. При увеличении в 2 раза массы нагреваемого тела или вещества ...
  12. Фразу «количество теплоты всегда прямо пропорционально массе тела» можно иначе выразить как ...
  13. Пропорциональность количества теплоты массе тела при плавлении или парообразовании можно выразить так: ...
  14. Сформулируйте всеобщий закон природы – закон сохранения и превращения энергии.
  15. Хаотическим называют движение всех ...
  16. Частицы любого вещества (твёрдого, жидкого или газа) обладают кинетической энергией, так как ...
  17. Частицы вещества обладают потенциальной энергией, так как они ...
  18. Без взаимодействия с другими частицами или другими телами ...
  19. Изображённый маятник Максвелла обладает механической энергией, так как он ...
  20. Качания маятника Максвелла постепенно «затухают», так как ...
  21. При микроскопическом подходе внутренняя энергия – это ...

Источник: fizika.ru