Основные положения молекулярно-кинетической теории газов

Глава: Кинетическая теория газов: Изложите предположения кинетической теории газов... Применение кинетической теории к идеальным газам предполагает следующие допущения: Газ состоит из очень мелких частиц. Малость их размеров такова, что сумма объемов отдельных молекул газа пренебрежимо мала по сравнению с объемом контейнера с газом. Это эквивалентно утверждению, что среднее расстояние между частицами газа велико по сравнению с их размером, и что время столкновения частиц со стенкой контейнера пренебрежимо мало по сравнению со временем между последовательными столкновениями. Частицы имеют одинаковую массу. Число частиц настолько велико, что статистический подход к задаче вполне оправдан. Это предположение иногда называют термодинамическим пределом. Быстро движущиеся частицы постоянно сталкиваются между собой и со стенками контейнера. Все эти столкновения являются идеально упругими, что означает, что молекулы представляют собой идеальные твердые сферы. За исключением столкновений, взаимодействия между молекулами пренебрежимо малы. Они не оказывают друг на друга никаких других сил. Таким образом, динамику движения частиц можно описать классическим методом, и уравнения движения обратимы во времени. Более современные разработки ослабляют эти допущения и основаны на уравнении Больцмана. Они могут точно описывать свойства плотных газов, поскольку включают объем частиц. Необходимыми допущениями являются отсутствие квантовых эффектов, молекулярный хаос и малые градиенты объемных свойств. Разложения до более высоких порядков по плотности известны как вириальные разложения. Кинетическая теория газов — это простая, исторически значимая модель термодинамического поведения газов, с помощью которой были установлены многие основные концепции термодинамики. Модель описывает газ как большое количество одинаковых субмикроскопических частиц (атомов или молекул), все из которых находятся в постоянном, быстром, случайном движении. Предполагается, что их размер намного меньше среднего расстояния между частицами. Частицы подвергаются случайным упругим столкновениям между собой и со стенками контейнера. Базовая версия модели описывает идеальный газ и не рассматривает никаких других взаимодействий между частицами. Кинетическая теория газов объясняет макроскопические свойства газов, такие как объем, давление и температура, а также транспортные свойства, такие как вязкость, теплопроводность и массовая диффузия. Модель также учитывает связанные явления, такие как броуновское движение. В 1857 году Рудольф Клаузиус разработал аналогичную, но более сложную версию теории, которая включала поступательное и, в отличие от Крёнига, также вращательное и колебательное движение молекул. В этой же работе он ввел понятие средней длины свободного пробега частицы. В 1859 году, после прочтения работы Клаузиуса о диффузии молекул, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл сформулировал распределение Максвелла скоростей молекул, которое давало долю молекул, имеющих определенную скорость в определенном диапазоне. Это был первый в истории статистический закон в физике. Максвелл также выдвинул первое механистическое доказательство того, что молекулярные столкновения приводят к выравниванию температур и, следовательно, к стремлению к равновесию. В своей тринадцатистраничной статье 1873 года «Молекулы» Максвелл утверждает: «Нам говорят, что «атом» — это материальная точка, окруженная «потенциальными силами», и что когда «летающие молекулы» постоянно сталкиваются с твердым телом, это вызывает то, что называется давлением воздуха и других газов». В 1871 году Людвиг Больцман обобщил достижение Максвелла и сформулировал распределение Максвелла-Больцмана. Также он впервые сформулировал логарифмическую связь между энтропией и вероятностью. Однако в начале XX века многие физики считали атомы чисто гипотетическими конструкциями, а не реальными объектами. Важным поворотным моментом стали работы Альберта Эйнштейна (1905) и Мариана Смолуховского (1906) о броуновском движении, которые позволили установить определенные закономерности. точные количественные прогнозы, основанные на кинетической теории.