Кинетическая теория вещества - Строение и превращение веществ

Движением атомов и молекул с давних пор уже пытались объяснить тепловые явления. Параллельно с развитием этого, несомненно, существовавшего общего убеждения в механической природе тепла шло чисто опытным путем развитие вещественной теории тепла, видевшей причину тепловых явлений в особом веществе, "теплороде". Представления теории вещественного теплорода были столь просты и изящны, язык ее столь удобен был для описания явлений, что не было пока никаких причин оставлять ее и заменять заманчивой, но неопределенной механической теорией. Убеждение в механической природе тепла еще более укоренилось, когда Майер, Джоуль и другие показали, что теплота может исчезнуть, превратившись в механическую работу, что, наоборот, исчезнувшая механическая работа может дать тепло и что между количествами исчезнувшей работы и возникшего тепла существует постоянное отношение. Но никто из них не решался точнее характеризовать движение молекул в теле и привести его в непосредственную числовую связь с тепловыми свойствами тел. Заслуга эта принадлежит Клаузиусу (1857), который для случая газообразного состояния вещества дал наглядную и полную картину движения молекул; Клаузиус исследовал это движение и вывел из него как необходимость характерные свойства газов; он предсказал на основании своей теории ряд числовых зависимостей между свойствами газов - зависимостей, которые впоследствии нашли блестящее подтверждение. Таким образом, Клаузиус положил основание одному из замечательнейших отделов физики - кинетической теории газов (от греческого слова ??????? - движение), а вместе с тем утвердил и кинетическую теорию вещества. Согласно кинетической теории, всякий объем газа состоит из множества абсолютно упругих молекул, несущихся в полном хаотическом беспорядке по различным направлениям и с различными скоростями. Расстояния между отдельными молекулами вообще на столько больше радиусов сфер действия их, что молекулы газа необходимо признать в механическом отношении совершенно свободными. Двигаясь под влиянием одной инерции, молекула несется с равномерной скоростью по прямой линии, пока не встретится с соседней, тоже движущейся, молекулой или с каким-либо препятствием (стенкой сосуда, напр.). При встрече с соседней молекулой или препятствием данная молекула отражается от них, как отражается абсолютно упругий шар от другого шара или от стенки. Скорости различных молекул весьма различны, и скорость одной и той же молекулы должна непрерывно меняться вследствие столкновения с другими. Длины путей молекул от одного столкновения до другого весьма разнообразны, направления этих путей могут быть всевозможные и тоже вследствие столкновений непрерывно меняются. Такое движение есть движение вполне беспорядочное; все направления движения в нем равновозможны. Скорости движения молекул весьма различны; можно, поэтому говорить лишь о средней скорости их, причем средней скоростью называют ту скорость, которую должны были бы иметь все молекулы для того, чтобы полная энергия движения в данном объеме газа была та же самая, что и при данном неизвестном сложном распределении скоростей. Эта средняя скорость, как учит кинетическая теория газов, тем больше, чем выше температура газа и чем плотность газа меньше. Длины путей молекул между двумя столкновениями могут быть весьма различны; мы можем, поэтому говорить только о средних длинах путей. Эта средняя длина пути тем меньше, чем больше упругость или плотность газа; действительно, в сжатом газе число столкновений должно быть больше, а, следов., средняя длина пути должна быть меньше. Кинетическая теория газов (см.) дает даже возможность рассчитать как среднюю скорость движения молекул в газе, так и среднюю длину пути, и число столкновений в секунду. Некоторый объем газа, представляя комплекс движущихся молекул, обладает известным запасом кинетической энергии. Так как средняя скорость молекул с понижением температуры уменьшается, то уменьшается и запас энергии газа. Кинетическая теория газов отождествляет ее с запасом тепловой энергии газа; согласно этой теории, тепло есть не что иное, как движение молекул, температура - некоторая характеристика теплового состояния, пропорциональная квадрату средней скорости их. При понижении температуры средняя скорость молекул уменьшается; законным является вопрос: возможна ли температура, при которой скорость молекул сделается равной нулю? До настоящего времени такая температура не получена и нет никаких данных для предположения, что она когда-либо достигнута будет. При весьма сильном охлаждении все без исключения известные нам газы переходят в жидкое, и затем твердое состояние; к этим состояниям пока еще рискованно прилагать выводы кинетической теории газов. Однако такая температура мыслима; ее называют абсолютным нулем температуры. Закон, связующий среднюю скорость газовых частиц с температурой, и закон расширения газов дают нам возможность приблизительно определить, при какой температуре по шкале Цельсия должен был бы лежать абсолютный нуль; если бы мы вправе были прилагать эти законы к столь значительным температурным интервалам, мы нашли бы таким путем температуру в -273° Ц. Понятно, что никакого реального значения это число иметь не может: оно дает нам только новую исходную точку для счета температур, а следовательно, и новую (абсолютную) температурную шкалу, градус которой равен градусу шкалы Цельсия, а нуль - лежит на 273° Ц. ниже температуры таяния льда и которая является в высшей степени удобной при трактовании многих вопросов теории газов, жидкостей и твердых тел.

В начале 1870-х годов кинетическая теория двинулась на значительный шаг вперед: Ван дер Ваальсу удалось распространить ее и на газы, близкие к насыщению (пары), и на явления перехода паров в жидкость. Опытные факты, доказывавшие, что между жидким и газообразным состоянием нет резкой границы и что возможны переходные состояния, в которых мы вещество с одинаковым правом можем назвать и жидкостью, и паром, были известны и до Ван дер Ваальса; но лишь работы этого ученого дали нам более или менее ясную картину состояния вещества в переходных ступенях его от жидкости к газу и обратно. Несомненно, что и в жидкости существует молекулярное движение и что запас тепловой энергии жидкости есть запас кинетической энергии движущихся молекул ее. Кинетическая картина жидкостей настолько сложна, что не поддалась еще аналитическому исследованию, и в науке нет еще кинетической теории жидкости. Но в самом движении молекул жидкости сомнения быть не может; явления диффузии - медленного проникновения одной жидкости в другую, соприкасающуюся с ней, явление испарения с поверхности жидкости не могут быть объяснены иначе, как с точки зрения кинетической теории. Еще сложнее должны быть формы движения молекул в твердом теле. Связанные прочными молекулярными связями частицы твердого тела, вероятно, лишь колеблются по сложным кривым вокруг некоторых положений равновесия и, вероятно, лишь в высшей степени медленно перемещаются от одного места твердого тела к другому. Мы должны все же признать возможность такого, хотя и медленного, перемещения молекул и у твердого тела, так как недавние опыты Спринга несомненно доказали существование диффузии одного твердого тела в другое, с ним соприкасающееся.

Похожие статьи




Кинетическая теория вещества - Строение и превращение веществ

Предыдущая | Следующая