2. Кинетическая теория вещества

Зачатки кинетической теории вещества можно проследить с 18-го столетия. Уже М. В. Ломоносов полагал, что основой тепловой энергии является движение мельчайших частичек вещества.

Современная кинетическая теория вещества исходит из теории английского ученого Дж. К. Максвелла (1831 - 1879) и немецкого физика Л. Больцмана (1844 - 1905). Кинетическая теория вещества возводит возникновение тепла и тепловых явлений к движению атомов и молекул.

Наиболее разработана кинетическая теория газов, согласно которой молекулы газов движутся прямолинейно с большой скоростью, сталкиваются друг с другом и ударяются о стенки сосуда, в котором газ находится. После каждого столкновения меняется направление и скорость движения отдельных молекул. Скорость движения молекул находится в прямой зависимости от температуры газа и увеличивается при ее повышении. Удары молекул газа о стенки сосуда и создают то, что мы называем давлением газа. Поэтому легко себе представить, что с уменьшением объема газа (например, в цилиндре с плотно прилегающим поршнем) увеличится число ударов молекул о стенки и возрастет давление газа. Если повысится температура газа, то одновременно увеличится и скорость движения его молекул, т. е. увеличится число ударов молекул о стенку - давление газа возрастет. Как правило давление газа (или напряжение) определяется как сила, действующая перпендикулярно на единицу поверхности сосуда. Давление одного килограмма на один квадратный сантиметр называется технической (метрической) атмосферой (1 ат). Приборы для измерения давления газа называются манометрами.

Молекулы газа далеко не заполняют всего пространства, в котором они двигаются; кроме того, силы взаимного притяжения молекул очень незначительны. Поэтому газы обладают свойством расширяться, т. е. занимать как можно больший объем. Иначе говоря, газы не имеют определенного объема и если говорить об объеме газа, то необходимо всегда указать давление и температуру. Объем, который занимает газ при температуре 0°С (273°К) и давлении 760 мм рт. ст. (1,033 кг на 1 см² 1 ат), т. е. при нормальных условиях, считается нормальным объемом газа.

Рис. 12. Схема броуновского движения

Также молекулы жидких тел находятся в постоянном движении. Об этом свидетельствует так наз. броуновское движение (обнаруженное уже в 1827 году ботаником Робертом Броуном); его можно наблюдать под микроскопом в капле жидкости, в которой распылены мельчайшие (прибл. 0,01 мм) частички твердого вещества. Быстрое колебательное движение частичек происходит в результате столкновения с ними быстро движущихся молекул жидкости (рис. 12). Молекулы жидкости находятся однако гораздо ближе друг к другу, чем у газов; поэтому и взаимное воздействие у них сильнее, но еще и у жидкостей молекулы движутся свободно. Поэтому жидкие тела хотя и имеют определенный объем, но не имеют определенной формы (их форма определяется сосудом, в котором они находятся). Силы притяжения молекул жидкостей проявляются в так наз. поверхностном напряжении, стремящемся уменьшить поверхность жидких тел до минимального возможного значения. Например, капли масла, плавающие в воде, шарообразны, потому что у шара из всех тел того же объема наименьшая поверхность.

Жидкости испаряются при любой температуре, т. к. быстро движущиеся молекулы не только сталкиваются между собой и ударяются о стенки сосуда, но и движутся по направлению к поверхности жидкости и как бы вылетают таким образом из сосуда. В закрытом пространстве устанавливается через некоторое время определенное напряжение - упругость пара (конечно при определенной температуре). При нагревании жидкости в открытом сосуде движение ее молекул увеличивается настолько, что упругость пара становится равной атмосферному давлению. Мы говорим тогда, что жидкость кипит. Температуpa, при которой жидкие тела закипают, зависит от давления и называется точкой кипения.

У твердых тел частицы, создающие кристалл, не движутся свободно в пространстве, а занимают определенное положение, образуя так наз. пространственную решетку. Однако, и они не находятся в покое, но совершают колебательное движение вокруг этих равновесных точек. Это движение тем интенсивнее, чем выше температура вещества. Если температура твердого вещества достигнет определенной высоты, то движение частиц становится настолько быстрым, что силы сцепления их молекул разрываются и молекулы становятся свободными. Это происходит при температуре, которая называется точкой плавления.