Fisika molekul – cabang fisika yang mempelajari sifat fisik benda dalam berbagai keadaan agregasi berdasarkan pertimbangan struktur molekulnya, gaya interaksi antara partikel yang membentuk benda, dan sifat gerakan termal partikel tersebut.

Sejumlah penelitian yang dilakukan oleh para ilmuwan ini memungkinkan untuk merumuskan ketentuan utama teori kinetika molekuler - MKT.

MKT menjelaskan struktur dan sifat benda berdasarkan hukum gerak dan interaksi molekul yang membentuk benda .

MCT didasarkan pada tiga ketentuan penting, dikonfirmasi secara eksperimental dan teoritis.

1. Semua benda terdiri dari partikel terkecil - atom, molekul, yang termasuk partikel elementer yang lebih kecil (elektron, proton, neutron). Struktur zat apa pun adalah diskrit (tidak kontinu).
2. Atom dan molekul materi selalu dalam gerakan kacau terus menerus.
3. Di antara partikel-partikel zat apa pun ada kekuatan interaksi - tarik-menarik dan tolak-menolak. Sifat dari gaya-gaya ini adalah elektromagnetik.

Ketentuan ini dikonfirmasi secara empiris.

Pembuktian eksperimental dari posisi pertama.

Semua tubuh terdiri dari partikel-partikel kecil. Pertama, ini dibuktikan dengan kemungkinan pembagian materi (semua benda dapat dibagi menjadi beberapa bagian).

Konfirmasi eksperimental yang paling mencolok dari ide-ide teori kinetik molekuler tentang gerakan acak atom dan molekul adalah Gerak Brown.

Ini ditemukan oleh ahli botani Inggris R. Brown (1827). Pada tahun 1827, Inggris ahli botani Brown, mempelajari struktur internal tanaman dengan mikroskop, menemukan bahwa partikel materi padat dalam media cair membuat gerakan kacau terus menerus.

Gerak termal partikel yang tersuspensi dalam cairan (atau gas) disebutgerak Brown.

Partikel Brown bergerak di bawah pengaruh tumbukan acak molekul. Karena gerakan termal molekul yang kacau, tumbukan ini tidak pernah seimbang satu sama lain. Akibatnya, kecepatan partikel Brown berubah secara acak dalam besar dan arah, dan lintasannya adalah kurva zig-zag yang kompleks. Teori gerak Brown diciptakan oleh A. Einstein (1905). Teori Einstein secara eksperimental dikonfirmasi dalam eksperimen fisikawan Prancis J. Perrin (1908–1911).

Alasan gerakan Brown adalah gerakan kacau terus menerus dari molekul cairan atau gas, yang, secara acak mengenai partikel dari semua sisi, membuatnya bergerak. Alasan gerakan Brown partikel adalah bahwa dampak molekul di atasnya tidak dikompensasi. Ini berarti bahwa gerak Brown juga merupakan pembuktian eksperimental dari posisi ke-2 MKT.

Pergerakan molekul zat apa pun (padat, cair, gas) secara terus-menerus dikonfirmasi oleh berbagai eksperimen difusi.

dengan difusidisebut fenomena penetrasi spontan molekul dari satu zat ke dalam celah antara molekul lain. Itu. itu adalah pencampuran spontan zat.

Jika suatu zat bau (parfum) dibawa ke dalam ruangan, maka lama kelamaan bau zat tersebut akan menyebar ke seluruh ruangan. Ini menunjukkan bahwa molekul dari satu zat tanpa pengaruh kekuatan eksternal menembus ke yang lain. Difusi diamati pada cairan dan padatan.

Ketika mempelajari struktur materi, ditemukan bahwa gaya tarik menarik dan gaya tolak menolak, yang disebut gaya molekul, bekerja secara simultan di antara molekul. Ini adalah kekuatan elektromagnetik.

Kemampuan padatan untuk menahan peregangan, sifat khusus dari permukaan cairan mengarah pada kesimpulan bahwa ada: kekuatan menarik.

Kompresibilitas rendah dari gas yang sangat padat dan terutama cairan dan padatan berarti bahwa ada: kekuatan tolak.

Kekuatan-kekuatan ini bertindak secara bersamaan. Jika tidak demikian, maka benda-benda itu tidak akan stabil: mereka akan pecah menjadi partikel atau saling menempel.

Interaksi antarmolekul adalah interaksi molekul dan atom yang netral secara elektrik.

Gaya yang bekerja antara dua molekul bergantung pada jarak antara mereka. Molekul adalah struktur spasial kompleks yang mengandung muatan positif dan negatif. Jika jarak antar molekul cukup besar, maka gaya tarik antarmolekul mendominasi. Pada jarak pendek, gaya tolak mendominasi. Ketergantungan gaya yang dihasilkan F dan energi potensial ep interaksi antara molekul pada jarak antara pusatnya secara kualitatif digambarkan pada gambar. Pada jarak tertentu r = r 0, gaya interaksi menghilang. Jarak ini dapat diambil secara kondisional sebagai diameter molekul. Energi interaksi potensial di r = r 0 adalah minimal. Untuk menghilangkan dua molekul yang saling berjauhan r 0, Anda perlu memberi mereka energi tambahan E 0 . Nilai E 0 disebut kedalaman sumur potensial atau energi ikat .

Antara elektron dari satu molekul dan inti dari yang lain, gaya tarik menarik bekerja, yang secara konvensional dianggap negatif (bagian bawah grafik). Pada saat yang sama, gaya tolak bekerja antara elektron molekul dan intinya, yang secara kondisional dianggap positif (bagian atas grafik). Pada jarak yang sama dengan ukuran molekul, gaya yang dihasilkan adalah nol, mis. gaya tarik menarik menyeimbangkan gaya tolak menolak. Ini adalah susunan molekul yang paling stabil. Dengan bertambahnya jarak, daya tarik melebihi gaya tolak; ketika jarak antara molekul berkurang, sebaliknya.

Atom dan molekul berinteraksi dan karena itu memiliki energi potensial.

Atom dan molekul berada dalam gerakan konstan, dan karena itu memilikienergi kinetik.

Massa dan ukuran molekul

Sebagian besar zat terdiri dari molekul, oleh karena itu, untuk menjelaskan sifat-sifat benda makroskopik, menjelaskan dan memprediksi fenomena, penting untuk mengetahui karakteristik dasar molekul.

molekuldisebut partikel stabil terkecil dari zat tertentu, yang memiliki sifat kimia dasarnya.

Sebuah molekul terdiri dari partikel yang lebih kecil yang disebut atom, yang pada gilirannya terdiri dari elektron dan inti.

atomnama partikel terkecil dari suatu unsur kimia tertentu.

Ukuran molekul sangat kecil.

Urutan besaran diameter molekul adalah 1 * 10 - 8 cm = 1 * 10 - 10 m

Urutan besarnya volume molekul adalah 1 * 10 - 20 m 3

Fakta bahwa ukuran molekul kecil juga dapat dinilai dari pengalaman. Dalam 1 liter (m 3) air murni kita akan mengencerkan 1 m 3 tinta hijau, kita akan mengencerkan tinta 1.000.000 kali. Kita akan melihat bahwa larutan tersebut berwarna hijau dan sekaligus homogen. Ini menunjukkan bahwa bahkan ketika diencerkan 1.000.000 kali, ada sejumlah besar molekul pewarna di dalam air. Percobaan ini menunjukkan betapa kecilnya ukuran molekul.

1 cm 3 air mengandung 3,7 * 10 -8 molekul.

Urutan besarnya massa molekul adalah 1 * 10 -23 g \u003d 1 * 10 -26 kg

Dalam fisika molekuler, merupakan kebiasaan untuk mengkarakterisasi massa atom dan molekul bukan dengan nilai absolutnya (dalam kg), tetapi dengan nilai massa atom relatif dan massa molekul relatif tanpa dimensi.

Dengan kesepakatan internasional, 1/12 massa isotop karbon 12 C (m 0C) diambil sebagai satuan massa atom m 0 :

m 0 \u003d 1/12 m 0С \u003d 1,66 * 10 -27

Berat molekul relatif dapat ditentukan jika nilai mutlak massa molekul (m mol dalam kg) dibagi dengan satuan massa atom.

M 0 \u003d m mol / 1/12 m 0С

Massa molekul relatif (atom) suatu zat (dari tabel periodik)

7 14 N Nitrogen M 0 N = 14 M 0 N 2 = 28

Jumlah relatif atom atau molekul yang terkandung dalam suatu zat ditandai dengan besaran fisika yang disebut jumlah zat.

jumlah zatע – adalah perbandingan jumlah molekul (atom)Ndi tubuh makroskopik bawah dengan jumlah molekul dalam 0,012 kg karbontidak ada

Banyaknya suatu zat dinyatakan dalam mol

Satu tahi lalatini adalah jumlah suatu zat yang jumlah molekul (atomnya) sama banyaknya dengan jumlah atom dalam 0,012 kg karbon.

Satu mol zat apa pun mengandung jumlah molekul yang sama. Nomor ini disebut Avogadro konstantidak ada\u003d 6,02 * 10 23 mol -1

Massa satu mol zat disebut masa molar.

Jumlah molekul dalam massa tertentu suatu zat:

Massa suatu zat (berapapun jumlah zat):

Penentuan massa molar:

Sumber video: Massa molekul. Jumlah zat.

(youtube)bfPw9aZJVqk&list=PLhOzgnnk_5jyM6NXfLniX5sX3rZTrpoea&index=18(/youtube)

Konsep suhu adalah salah satu yang paling penting dalam fisika molekuler.

Suhu adalah kuantitas fisik yang mencirikan tingkat pemanasan tubuh.

Pergerakan acak acak molekul disebutgerakan termal.

Energi kinetik gerak termal meningkat dengan meningkatnya suhu. Pada suhu rendah, energi kinetik rata-rata molekul bisa kecil. Dalam hal ini, molekul mengembun menjadi cairan atau padat; dalam hal ini, jarak rata-rata antara molekul akan kira-kira sama dengan diameter molekul. Ketika suhu naik, energi kinetik rata-rata molekul menjadi lebih besar, molekul-molekul terbang terpisah, dan zat gas terbentuk.

Konsep suhu berkaitan erat dengan konsep kesetimbangan termal. Tubuh yang bersentuhan satu sama lain dapat bertukar energi. Energi yang dipindahkan dari satu benda ke benda lain melalui kontak termal disebut jumlah panas.

Pertimbangkan sebuah contoh. Jika Anda meletakkan logam yang dipanaskan di atas es, es akan mulai mencair, dan logam akan mendingin sampai suhu benda menjadi sama. Setelah kontak antara dua benda dengan suhu yang berbeda, pertukaran panas terjadi, akibatnya energi logam berkurang, dan energi es meningkat.

Energi selama perpindahan panas selalu ditransfer dari benda yang bersuhu lebih tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah. Pada akhirnya, keadaan sistem benda terjadi, di mana tidak akan ada pertukaran panas antara benda-benda sistem. Keadaan seperti itu disebut kesetimbangan termal.

Kesetimbangan termal– ini adalah keadaan sistem benda dalam kontak termal, di mana tidak ada perpindahan panas dari satu benda ke benda lain, dan semua parameter makroskopik benda tetap tidak berubah.

Suhu– ini adalah parameter fisik yang sama untuk semua benda dalam kesetimbangan termal. Kemungkinan memperkenalkan konsep suhu mengikuti dari pengalaman dan disebut hukum ke-nol termodinamika.

Benda-benda dalam kesetimbangan termal memiliki suhu yang sama.

Untuk mengukur suhu, sifat cairan untuk mengubah volume saat dipanaskan (dan didinginkan) paling sering digunakan.

Alat yang digunakan untuk mengukur suhu disebuttermometer.

Untuk membuat termometer, perlu untuk memilih zat termometrik (misalnya, merkuri, alkohol) dan kuantitas termometrik yang mencirikan sifat zat (misalnya, panjang kolom merkuri atau alkohol). Berbagai desain termometer menggunakan berbagai sifat fisik suatu zat (misalnya, perubahan dimensi linier padatan atau perubahan hambatan listrik konduktor saat dipanaskan). Termometer harus dikalibrasi. Untuk melakukan ini, mereka dibawa ke dalam kontak termal dengan benda-benda yang suhunya dianggap diberikan. Paling sering, sistem alami sederhana digunakan, di mana suhu tetap tidak berubah, meskipun ada pertukaran panas dengan lingkungan - ini adalah campuran es dan air dan campuran air dan uap saat mendidih pada tekanan atmosfer normal.

Biasa termometer cair terdiri dari tangki kaca kecil yang terpasang tabung kaca dengan saluran internal yang sempit. Reservoir dan sebagian tabung diisi dengan air raksa. Suhu media tempat termometer dicelupkan ditentukan oleh posisi tingkat atas merkuri dalam tabung. Pembagian skala disepakati untuk diterapkan sebagai berikut. Angka 0 ditempatkan di tempat timbangan di mana ketinggian kolom cairan ditetapkan ketika termometer diturunkan menjadi salju (es) yang mencair, angka 100 ditempatkan di tempat ketinggian kolom cairan ditetapkan ketika termometer direndam dalam uap air yang mendidih pada tekanan normal (10 5 Pa). Jarak antara tanda-tanda ini dibagi menjadi 100 bagian yang sama yang disebut derajat. Cara membagi skala ini diperkenalkan oleh Celsius. Derajat Celcius dilambangkan sebagai .

Menurut suhu skala Celcius Titik leleh es ditetapkan pada suhu 0 °C, dan titik didih air adalah 100 °C. Perubahan panjang kolom cairan dalam kapiler termometer dengan seperseratus panjang antara tanda 0 °C dan 100 °C diasumsikan 1 °C.

Di sejumlah negara (AS) ini banyak digunakan Fahrenheit (T F), di mana suhu beku air diasumsikan 32 °F, dan titik didih air adalah 212 °F. Karena itu,

Termometer air raksa digunakan untuk mengukur suhu dalam kisaran dari -30 hingga +800 . Sebaik cairan Termometer air raksa dan alkohol digunakan listrik dan gas termometer.

Termometer listrik - Termometer hambatan - menggunakan ketergantungan resistensi logam pada suhu.

Tempat khusus dalam fisika ditempati termometer gas , di mana zat termometrik adalah gas yang dijernihkan (helium, udara) dalam bejana dengan volume konstan ( V= const), dan kuantitas termometrik adalah tekanan gas p. Pengalaman menunjukkan bahwa tekanan gas (at V= const) meningkat dengan meningkatnya suhu yang diukur dalam Celcius.

Ke mengkalibrasi termometer gas volume konstan, tekanan dapat diukur pada dua suhu (misalnya 0 °C dan 100 °C), titik p 0 dan p 100 pada grafik, dan kemudian tarik garis lurus di antara mereka. Dengan menggunakan kurva kalibrasi yang diperoleh, suhu yang sesuai dengan tekanan lain dapat ditentukan.

Termometer gas berukuran besar dan tidak nyaman untuk penggunaan praktis: mereka digunakan sebagai standar presisi untuk mengkalibrasi termometer lain.

Pembacaan termometer yang diisi dengan berbagai benda termometrik biasanya agak berbeda. Untuk menentukan suhu secara akurat tidak tergantung pada zat yang mengisi termometer, kami memperkenalkan skala suhu termodinamika.

Untuk memperkenalkannya, pertimbangkan bagaimana tekanan gas bergantung pada suhu ketika massa dan volumenya tetap konstan.

Skala suhu termodinamika. nol mutlak.

Mari kita ambil bejana tertutup dengan gas, dan kita akan memanaskannya, awalnya menempatkannya di es yang mencair. Kami menentukan suhu gas t dengan termometer, dan tekanan p dengan manometer. Ketika suhu gas meningkat, tekanannya akan meningkat. Ketergantungan ini ditemukan oleh fisikawan Prancis Charles. Plot p versus t berdasarkan pengalaman ini adalah garis lurus.

Jika kita melanjutkan grafik ke daerah bertekanan rendah, kita dapat menentukan beberapa suhu "hipotetis" di mana tekanan gas akan menjadi sama dengan nol. Pengalaman menunjukkan bahwa suhu ini adalah -273,15 °C dan tidak bergantung pada sifat-sifat gas. Tidak mungkin diperoleh secara eksperimental dengan mendinginkan gas dalam keadaan tanpa tekanan, karena pada suhu yang sangat rendah semua gas berubah menjadi cair atau padat. Tekanan gas ideal ditentukan oleh tumbukan molekul yang bergerak secara acak pada dinding bejana. Ini berarti bahwa penurunan tekanan selama pendinginan gas dijelaskan oleh penurunan energi rata-rata dari gerakan translasi molekul gas E; tekanan gas akan menjadi nol ketika energi gerak translasi molekul menjadi nol.

Fisikawan Inggris W. Kelvin (Thomson) mengemukakan gagasan bahwa nilai nol mutlak yang diperoleh sesuai dengan penghentian gerakan translasi molekul semua zat. Suhu di bawah nol mutlak tidak mungkin ada di alam. Ini adalah suhu pembatas di mana tekanan gas ideal adalah nol.

Suhu di mana gerakan translasi molekul harus berhenti disebutnol mutlak ( atau nol Kelvin).

Kelvin pada tahun 1848 mengusulkan penggunaan titik tekanan gas nol untuk membangun skala suhu baru - skala suhu termodinamika(skala kelvin). Suhu nol mutlak diambil sebagai titik acuan pada skala ini.

Dalam sistem SI, satuan ukuran suhu dalam skala Kelvin disebut kelvin dan dilambangkan dengan huruf K.

Besarnya derajat Kelvin ditentukan sedemikian rupa sehingga bertepatan dengan derajat Celcius, yaitu 1K sesuai dengan 1ºС.

Suhu yang diukur pada skala suhu termodinamika dilambangkan dengan T. Disebut suhu mutlak atau suhu termodinamika.

Skala suhu Kelvin disebut skala suhu mutlak . Ternyata paling nyaman dalam konstruksi teori fisika.

Selain titik tekanan gas nol, yang disebut suhu nol mutlak , itu cukup untuk menerima satu lagi titik referensi tetap. Dalam skala Kelvin, titik ini adalah suhu titik tiga air(0,01 °C), di mana ketiga fase berada dalam kesetimbangan termal - es, air, dan uap. Pada skala Kelvin, suhu titik tripel diasumsikan 273,16 K.

Hubungan antara suhu mutlak dan suhu skala Celsius dinyatakan dengan rumus T = 273,16 +t, di mana t adalah suhu dalam derajat Celcius.

Lebih sering mereka menggunakan rumus perkiraan T \u003d 273 + t dan t \u003d T - 273

Suhu mutlak tidak boleh negatif.

Suhu gas adalah ukuran energi kinetik rata-rata dari gerakan molekul.

Dalam percobaan Charles, ketergantungan p pada t ditemukan. Hubungan yang sama akan terjadi antara p dan T: yaitu. antara p dan T berbanding lurus.

Di satu sisi, tekanan gas berbanding lurus dengan suhunya, di sisi lain, kita sudah tahu bahwa tekanan gas berbanding lurus dengan energi kinetik rata-rata dari gerak translasi molekul E (p = 2/3*E *n). Jadi E berbanding lurus dengan T.

Ilmuwan Jerman Boltzmann mengusulkan untuk memasukkan faktor proporsionalitas (3/2)k ke dalam ketergantungan E pada T

E = (3/2)kT

Dari rumus ini berikut bahwa nilai rata-rata energi kinetik dari gerak translasi molekul tidak bergantung pada sifat gas, tetapi hanya ditentukan oleh suhunya.

Karena E \u003d m * v 2 / 2, maka m * v 2 / 2 \u003d (3/2) kT

dari mana kecepatan akar-rata-rata-kuadrat molekul gas

Nilai konstanta k disebut konstanta Boltzmann.

Dalam SI memiliki nilai k = 1,38 * 10 -23 J / K

Jika kita mensubstitusi nilai E dalam rumus p \u003d 2/3 * E * n, maka kita mendapatkan p = 2/3*(3/2)kT* n, dikurangi, kita peroleh p = n* k*T

Tekanan gas tidak bergantung pada sifatnya, tetapi hanya ditentukan oleh konsentrasi molekulndan suhu gas T

Rasio p = 2/3*E*n menetapkan hubungan antara parameter gas mikroskopis (nilai ditentukan menggunakan perhitungan) dan makroskopik (nilai dapat ditentukan dari pembacaan instrumen), sehingga biasa disebut persamaan dasar molekul - teori kinetik gas.

DEFINISI

Persamaan yang mendasari teori kinetik molekuler menghubungkan besaran makroskopik yang menggambarkan (misalnya, tekanan) dengan parameter molekulnya (dan kecepatannya). Persamaan ini terlihat seperti:

Di sini, adalah massa molekul gas, adalah konsentrasi partikel tersebut per satuan volume, dan adalah kuadrat rata-rata dari kecepatan molekul.

Persamaan dasar MKT dengan jelas menjelaskan bagaimana gas ideal terbentuk pada dinding bejana yang mengelilinginya. Molekul sepanjang waktu menabrak dinding, bekerja padanya dengan gaya tertentu F. Di sini harus diingat: ketika sebuah molekul menabrak benda, gaya -F bekerja padanya, akibatnya molekul "memantul" dari dinding. Dalam hal ini, kita menganggap tumbukan molekul dengan dinding bersifat lenting mutlak: energi mekanik molekul dan dinding kekal sepenuhnya tanpa melewati . Ini berarti bahwa hanya molekul yang berubah selama tumbukan, dan pemanasan molekul dan dinding tidak terjadi.

Mengetahui bahwa tumbukan dengan dinding adalah elastis, kita dapat memprediksi bagaimana kecepatan molekul akan berubah setelah tumbukan. Modulus kecepatan akan tetap sama seperti sebelum tumbukan, dan arah gerak akan berubah ke arah yang berlawanan terhadap sumbu Ox (kita asumsikan bahwa Ox adalah sumbu yang tegak lurus terhadap dinding).

Ada banyak molekul gas, mereka bergerak secara acak dan sering menabrak dinding. Setelah menemukan jumlah geometris gaya yang bekerja dengan setiap molekul di dinding, kami menemukan gaya tekanan gas. Untuk rata-rata kecepatan molekul, perlu menggunakan metode statistik. Itulah sebabnya persamaan dasar MKT menggunakan kuadrat rata-rata dari kecepatan molekul , dan bukan kuadrat dari kecepatan rata-rata: kecepatan rata-rata molekul yang bergerak secara acak sama dengan nol, dan dalam hal ini kita tidak akan mendapatkan tekanan apa pun.

Sekarang arti fisik dari persamaan tersebut jelas: semakin banyak molekul yang terkandung dalam volume, semakin berat mereka dan semakin cepat mereka bergerak, semakin banyak tekanan yang mereka buat pada dinding bejana.

Persamaan dasar MKT untuk model gas ideal

Perlu dicatat bahwa persamaan dasar MKT diturunkan untuk model gas ideal dengan asumsi yang sesuai:

1. Tumbukan molekul dengan benda-benda di sekitarnya benar-benar elastis. Untuk gas nyata, ini tidak sepenuhnya benar; beberapa molekul masih masuk ke energi internal molekul dan dinding.
2. Gaya interaksi antar molekul dapat diabaikan. Jika gas nyata berada pada tekanan tinggi dan suhu yang relatif rendah, gaya-gaya ini menjadi sangat signifikan.
3. Kami menganggap molekul sebagai titik material, mengabaikan ukurannya. Namun, dimensi molekul gas nyata mempengaruhi jarak antara molekul itu sendiri dan dinding.
4. Dan, akhirnya, persamaan utama MKT menganggap gas homogen - dan pada kenyataannya kita sering berurusan dengan campuran gas. Seperti, .

Namun, untuk gas yang dimurnikan, persamaan ini memberikan hasil yang sangat akurat. Selain itu, banyak gas nyata pada suhu kamar dan pada tekanan yang mendekati atmosfer sangat mirip sifatnya dengan gas ideal.

Seperti diketahui dari hukum, energi kinetik dari setiap benda atau partikel. Mengganti produk dari massa masing-masing partikel dan kuadrat kecepatannya dalam persamaan yang kita tulis, kita dapat menyatakannya sebagai:

Juga, energi kinetik molekul gas dinyatakan dengan rumus , yang sering digunakan dalam masalah. Di sini k adalah konstanta Boltzmann, yang menetapkan hubungan antara suhu dan energi. k=1,38 10 -23 J/K.

Persamaan dasar dari MKT mendasari termodinamika. Ini juga digunakan dalam praktik dalam astronotika, kriogenik, dan fisika neutron.

Contoh pemecahan masalah

CONTOH 1

Latihan	Tentukan kecepatan gerakan partikel udara dalam kondisi normal.
Keputusan	Kami menggunakan persamaan dasar MKT, dengan menganggap udara sebagai gas homogen. Karena udara sebenarnya adalah campuran gas, pemecahan masalah tidak akan sepenuhnya akurat. Tekanan gas: Kita dapat melihat bahwa produknya adalah gas, karena n adalah konsentrasi molekul udara (kebalikan volume), dan m adalah massa molekul. Maka persamaan sebelumnya menjadi: Dalam kondisi normal, tekanannya adalah 10 5 Pa, kerapatan udara adalah 1,29 kg / m 3 - data ini dapat diambil dari literatur referensi. Dari ekspresi sebelumnya kami memperoleh molekul udara:
Menjawab	MS

CONTOH 2

Latihan	Tentukan konsentrasi molekul gas homogen pada suhu 300 K dan 1 MPa. Anggap gas itu ideal.
Keputusan	Mari kita mulai penyelesaian masalah dengan persamaan dasar MKT: , serta partikel material apa pun: . Kemudian rumus perhitungan kami akan mengambil bentuk yang sedikit berbeda:

Ketentuan dasar teori kinetika molekuler.

Teori kinetik-molekul (MKT) berkaitan dengan studi tentang sifat-sifat zat, berdasarkan ide-ide tentang partikel materi.

TIK didasarkan pada tiga prinsip utama:

1. Semua zat tersusun dari partikel – molekul, atom dan ion.

2. Partikel materi bergerak secara konstan dan acak.

3. Partikel materi berinteraksi satu sama lain.

Pergerakan acak (chaotic) atom dan molekul dalam suatu zat disebut gerakan termal, karena kecepatan gerakan partikel meningkat dengan meningkatnya suhu. Konfirmasi eksperimental dari gerak terus menerus atom dan molekul dalam materi adalah gerak Brown dan difusi.

Partikel materi.

Semua zat dan benda di alam terdiri dari atom dan molekul – kelompok atom. Benda besar seperti itu disebut makroskopik. Atom dan molekul adalah benda mikroskopis. Instrumen modern (proyektor ion, mikroskop terowongan) memungkinkan untuk melihat gambar atom dan molekul individu.
Dasar dari struktur materi adalah atom. Atom juga memiliki struktur yang kompleks, mereka terdiri dari partikel elementer - proton, neutron, yang merupakan bagian dari inti atom, elektron, dan partikel elementer lainnya.
Atom dapat bergabung menjadi molekul, dan ada zat yang hanya terdiri dari atom. Atom secara keseluruhan bersifat netral secara listrik. Atom yang memiliki terlalu banyak atau terlalu sedikit elektron disebut ion. Ada ion positif dan negatif.

Ilustrasi menunjukkan contoh zat yang berbeda memiliki struktur, masing-masing, dalam bentuk atom, molekul dan ion.

Gaya interaksi antar molekul.

Pada jarak yang sangat kecil antara molekul, gaya tolak bekerja. Karena itu, molekul tidak saling menembus dan potongan materi tidak pernah menyusut seukuran satu molekul. Molekul adalah sistem kompleks yang terdiri dari partikel bermuatan individu: elektron dan inti atom. Meskipun, secara umum, molekul-molekul netral secara listrik, gaya listrik yang signifikan bekerja di antara mereka pada jarak pendek: interaksi elektron dan inti atom molekul tetangga terjadi. Jika molekul terletak pada jarak yang melebihi ukurannya beberapa kali, maka gaya interaksi praktis tidak berpengaruh. Gaya-gaya antara molekul-molekul yang netral secara elektrik adalah jarak pendek. Pada jarak yang melebihi 2-3 diameter molekul, gaya tarik menarik bekerja. Ketika jarak antara molekul berkurang, gaya tarik pertama meningkat, dan kemudian mulai berkurang dan berkurang menjadi nol, ketika jarak antara dua molekul menjadi sama dengan jumlah jari-jari molekul. Dengan penurunan lebih lanjut dalam jarak, kulit elektron atom mulai tumpang tindih, dan gaya tolak yang meningkat dengan cepat muncul di antara molekul.

Gas ideal. Persamaan dasar dari MKT.

Diketahui bahwa partikel dalam gas, tidak seperti cairan dan padatan, terletak relatif satu sama lain pada jarak yang jauh melebihi dimensinya sendiri. Dalam hal ini, interaksi antar molekul dapat diabaikan dan energi kinetik molekul jauh lebih besar daripada energi interaksi antarmolekul. Untuk memperjelas sifat paling umum yang melekat pada semua gas, digunakan model gas nyata yang disederhanakan - gas ideal. Perbedaan utama antara gas ideal dan gas nyata adalah:

1. Partikel gas ideal adalah benda bulat dengan ukuran yang sangat kecil, praktis merupakan titik material.
2. Tidak ada gaya interaksi antarmolekul antar partikel.
3. Tumbukan partikel bersifat lenting mutlak.

Gas murni yang nyata memang berperilaku seperti gas ideal. Mari kita gunakan model gas ideal untuk menjelaskan asal mula tekanan gas. Karena gerakan termal, partikel gas dari waktu ke waktu menabrak dinding bejana. Dengan setiap tumbukan, molekul bekerja pada dinding pembuluh dengan beberapa kekuatan. Menambahkan satu sama lain, kekuatan tumbukan partikel individu membentuk kekuatan tekanan tertentu yang terus-menerus bekerja di dinding. Jelas bahwa semakin banyak partikel yang terkandung dalam bejana, semakin sering partikel itu mengenai dinding bejana, dan semakin besar gaya tekanan, dan karenanya tekanan. Semakin cepat partikel bergerak, semakin keras mereka menabrak dinding pembuluh. Mari kita bayangkan secara mental eksperimen paling sederhana: bola yang menggelinding menabrak dinding. Jika bola menggelinding perlahan, maka akan membentur dinding dengan gaya tumbukan yang lebih kecil dibandingkan jika bergerak cepat. Semakin besar massa partikel, semakin besar gaya tumbukan. Semakin cepat partikel bergerak, semakin sering mereka menabrak dinding kapal. Jadi, gaya yang digunakan molekul pada dinding bejana berbanding lurus dengan jumlah molekul yang terkandung dalam satuan volume (jumlah ini disebut konsentrasi molekul dan dilambangkan dengan n), massa molekul m o , kuadrat rata-rata kecepatannya dan luas dinding bejana. Akibatnya, kita memperoleh: tekanan gas berbanding lurus dengan konsentrasi partikel, massa partikel, dan kuadrat kecepatan partikel (atau energi kinetiknya). Ketergantungan tekanan gas ideal pada konsentrasi dan energi kinetik rata-rata partikel dinyatakan oleh persamaan dasar teori kinetik molekuler gas ideal. Kami telah memperoleh persamaan dasar MKT untuk gas ideal dari pertimbangan umum, tetapi dapat diturunkan secara ketat berdasarkan hukum mekanika klasik. Berikut adalah salah satu bentuk penulisan persamaan utama MKT:
P=(1/3) n m o V 2 .

Teori Kinetik Molekuler(disingkat MKT) - sebuah teori yang muncul pada abad ke-19 dan mempertimbangkan struktur materi, terutama gas, dari sudut pandang tiga ketentuan utama yang kira-kira benar:

Semua benda terdiri dari partikel. atom, molekul dan ion;

partikel terus menerus kacau gerakan (termal);

partikel berinteraksi satu sama lain tumbukan lenting mutlak.

MKT telah menjadi salah satu teori fisika paling sukses dan telah dikonfirmasi oleh sejumlah fakta eksperimental. Bukti utama dari ketentuan TIK adalah:

Difusi

Gerak Brown

Mengubah keadaan agregat zat

Berdasarkan MCT, sejumlah cabang fisika modern telah dikembangkan, khususnya, kinetika fisik dan mekanika statistik. Dalam cabang-cabang fisika ini, tidak hanya sistem molekuler (atom atau ionik) yang dipelajari, yang tidak hanya bergerak "termal", dan berinteraksi tidak hanya melalui tumbukan lenting mutlak. Istilah teori kinetik-molekul secara praktis tidak digunakan dalam fisika teoretis modern, meskipun istilah ini ditemukan dalam buku teks untuk mata kuliah fisika umum.

gas ideal - model matematika gas, yang mengasumsikan bahwa: 1) energi potensial interaksi molekul dapat diabaikan dibandingkan dengan energi kinetik; 2) volume total molekul gas dapat diabaikan. Antara molekul tidak ada gaya tarik-menarik atau tolak menolak, tumbukan partikel antara mereka sendiri dan dengan dinding bejana benar-benar elastis, dan waktu interaksi antar molekul dapat diabaikan dibandingkan dengan waktu rata-rata antara tumbukan. Dalam model gas ideal yang diperluas, partikel-partikel penyusunnya juga memiliki bentuk yang elastis bola atau elipsoid, yang memungkinkan memperhitungkan energi tidak hanya translasi, tetapi juga gerak rotasi-osilasi, serta tidak hanya tumbukan partikel pusat, tetapi juga non-pusat, dll.

Ada gas ideal klasik (sifatnya diturunkan dari hukum mekanika klasik dan dijelaskan statistik Boltzmann) dan gas ideal kuantum (sifat ditentukan oleh hukum mekanika kuantum, dijelaskan oleh ahli statistik Fermi - Dirac atau Bose - Einstein)

Gas ideal klasik

Volume gas ideal tergantung secara linier pada suhu pada tekanan konstan

Sifat-sifat gas ideal berdasarkan konsep kinetika molekuler ditentukan berdasarkan model fisik gas ideal, di mana asumsi berikut dibuat:

Dalam hal ini, partikel gas bergerak secara independen satu sama lain, tekanan gas di dinding sama dengan total momentum yang ditransfer selama tumbukan partikel dengan dinding per satuan waktu, energi dalam- jumlah energi partikel gas.

Menurut rumusan ekivalen, gas ideal adalah gas yang secara bersamaan mematuhi Hukum Boyle - Mariotte dan Gay Lussac , yaitu:

di mana adalah tekanan dan suhu mutlak. Sifat-sifat gas ideal dijelaskan persamaan Mendeleev-Clapeyron

,

di mana - , - bobot,- masa molar.

di mana - konsentrasi partikel, -Konstanta Boltzmann.

Untuk setiap gas ideal, rasio mayer:

di mana - konstanta gas universal, - mol kapasitas panas pada tekanan konstan, - kapasitas panas molar pada volume konstan.

Perhitungan statistik distribusi kecepatan molekul dilakukan oleh Maxwell.

Perhatikan hasil yang diperoleh Maxwell dalam bentuk grafik.

Molekul gas terus-menerus bertabrakan saat bergerak. Kecepatan setiap molekul berubah pada saat tumbukan. Itu bisa naik dan turun. Namun, kecepatan RMS tetap tidak berubah. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa dalam gas pada suhu tertentu, distribusi kecepatan stasioner molekul tertentu tidak berubah terhadap waktu, yang mematuhi hukum statistik tertentu. Kecepatan molekul individu dapat berubah dari waktu ke waktu, tetapi proporsi molekul dengan kecepatan dalam kisaran kecepatan tertentu tetap tidak berubah.

Tidak mungkin mengajukan pertanyaan: berapa banyak molekul yang memiliki kecepatan tertentu. Faktanya adalah bahwa, meskipun jumlah molekul sangat besar dalam volume sekecil apa pun, jumlah nilai kecepatan sangat besar (seperti angka dalam deret berurutan), dan dapat terjadi bahwa tidak ada satu molekul pun yang memiliki nilai tertentu. kecepatan.

Beras. 3.3

Masalah distribusi molekul pada kecepatan harus dirumuskan sebagai berikut. Biarkan dalam satuan volume n molekul. Berapa proporsi molekul yang memiliki kecepatan dari v 1 sampai v 1 + v? Ini adalah tugas statistik.

Berdasarkan pengalaman Stern, dapat diharapkan bahwa jumlah molekul terbesar akan memiliki kecepatan rata-rata, dan proporsi molekul cepat dan lambat tidak terlalu besar. Pengukuran yang diperlukan menunjukkan bahwa fraksi molekul , mengacu pada interval kecepatan v, yaitu , memiliki bentuk yang ditunjukkan pada Gambar. 3.3. Maxwell pada tahun 1859 secara teoritis menentukan fungsi ini berdasarkan teori probabilitas. Sejak itu, ini disebut fungsi distribusi kecepatan molekul atau hukum Maxwell.

Mari kita turunkan fungsi distribusi kecepatan molekul gas ideal

- interval kecepatan mendekati kecepatan .

adalah jumlah molekul yang kecepatannya terletak pada selang
.

adalah jumlah molekul dalam volume yang dipertimbangkan.

- sudut molekul yang kecepatannya termasuk dalam interval
.

adalah fraksi molekul dalam interval kecepatan satuan dekat kecepatan .

- Rumus Maxwell.

Menggunakan metode statistik Maxwell, kami memperoleh rumus berikut:

.

adalah massa satu molekul,
adalah konstanta Boltzmann.

Kecepatan yang paling mungkin ditentukan dari kondisi
.

Pemecahan kita dapatkan
;
.

Tunjukkan b/w
.

Kemudian
.

Mari kita hitung fraksi molekul dalam rentang kecepatan tertentu di dekat kecepatan tertentu dalam arah tertentu.

.

.

adalah proporsi molekul yang memiliki kecepatan dalam interval
,
,
.

Mengembangkan ide Maxwell, Boltzmann menghitung distribusi kecepatan molekul dalam medan gaya. Berbeda dengan distribusi Maxwell, distribusi Boltzmann menggunakan jumlah energi kinetik dan potensial daripada energi kinetik molekul.

Dalam distribusi Maxwell:
.

Dalam distribusi Boltzmann:
.

Dalam medan gravitasi

.

Rumus konsentrasi molekul gas ideal adalah:

dan masing-masing.

adalah distribusi Boltzmann.

adalah konsentrasi molekul di permukaan bumi.

- konsentrasi molekul pada ketinggian .

Kapasitas panas.

Kapasitas kalor suatu benda adalah besaran fisis yang sama dengan rasio

,
.

Kapasitas panas satu mol - kapasitas panas molar

.

Karena
- fungsi proses
, kemudian
.

Mempertimbangkan

;

;



.

- Rumus Mayer.

Itu. masalah menghitung kapasitas panas dikurangi menjadi menemukan .

.

Untuk satu mol:

, karena itu
.

Gas diatomik (O 2, N 2, Cl 2, CO, dll).

(model dumbbell keras).

Jumlah total derajat kebebasan:

.

Kemudian
, kemudian

;
.

Ini berarti bahwa kapasitas panas harus konstan. Namun, pengalaman menunjukkan bahwa kapasitas panas tergantung pada suhu.

Ketika suhu diturunkan, pertama derajat kebebasan vibrasinya "dibekukan" dan kemudian derajat kebebasan rotasi.

Menurut hukum mekanika kuantum, energi osilator harmonik dengan frekuensi klasik hanya dapat mengambil nilai-nilai diskrit.

Gas poliatomik (H 2 O, CH 4, C 4 H 10 O, dll).

;
;
;

Mari kita bandingkan data teoretis dengan data eksperimental.

Sudah jelas itu 2 gas atom sama dengan , tetapi berubah pada suhu rendah bertentangan dengan teori kapasitas panas.

Kursus kurva seperti itu dari bersaksi tentang "pembekuan" derajat kebebasan. Sebaliknya, pada suhu tinggi, derajat kebebasan tambahan terhubung data ini meragukan teorema distribusi seragam. Fisika modern memungkinkan untuk menjelaskan ketergantungan dari menggunakan konsep kuantum.

Statistik kuantum telah menghilangkan kesulitan dalam menjelaskan ketergantungan kapasitas panas gas (khususnya, gas diatomik) pada suhu. Menurut ketentuan mekanika kuantum, energi gerak rotasi molekul dan energi getaran atom hanya dapat mengambil nilai diskrit. Jika energi gerak termal jauh lebih kecil daripada perbedaan antara energi tingkat energi tetangga (), maka tumbukan molekul praktis tidak membangkitkan derajat kebebasan rotasi dan vibrasi. Oleh karena itu, pada suhu rendah, perilaku gas diatomik mirip dengan gas monoatomik. Karena perbedaan antara tingkat energi rotasi tetangga jauh lebih kecil daripada antara tingkat getaran tetangga ( ), maka derajat kebebasan rotasi pertama-tama tereksitasi dengan meningkatnya suhu. Akibatnya, kapasitas panas meningkat. Dengan peningkatan suhu lebih lanjut, derajat kebebasan vibrasi juga tereksitasi, dan peningkatan kapasitas panas lebih lanjut terjadi. A. Einstein, kira-kira percaya bahwa getaran atom-atom kisi kristal adalah independen. Menggunakan model kristal sebagai satu set osilator harmonik independen berosilasi dengan frekuensi yang sama, ia menciptakan teori kuantum kualitatif kapasitas panas kisi kristal. Teori ini kemudian dikembangkan oleh Debye, yang memperhitungkan bahwa getaran atom dalam kisi kristal tidak independen. Setelah mempertimbangkan spektrum frekuensi kontinu osilator, Debye menunjukkan bahwa kontribusi utama terhadap energi rata-rata osilator kuantum dibuat oleh osilasi pada frekuensi rendah yang sesuai dengan gelombang elastis. Eksitasi termal padatan dapat digambarkan sebagai gelombang elastis yang merambat dalam kristal. Menurut dualisme gelombang sel darah dari sifat materi, gelombang elastis dalam kristal dibandingkan dengan quasipartikel-fonon yang memiliki energi. Sebuah fonon adalah kuantum energi dari gelombang elastis, yang merupakan eksitasi dasar yang berperilaku seperti mikropartikel. Sama seperti kuantisasi radiasi elektromagnetik mengarah pada gagasan foton, demikian pula kuantisasi gelombang elastis (sebagai akibat dari getaran termal molekul padatan) mengarah pada gagasan fonon. Energi kisi kristal adalah jumlah energi gas fonon. Kuasipartikel (khususnya, fonon) sangat berbeda dari mikropartikel biasa (elektron, proton, neutron, dll.), karena mereka terkait dengan gerakan kolektif banyak partikel sistem.

Phonon tidak dapat muncul dalam ruang hampa, mereka hanya ada dalam kristal.

Momentum fonon memiliki sifat khusus: ketika fonon bertabrakan dalam kristal, momentumnya dapat ditransfer ke kisi kristal dalam bagian-bagian yang terpisah - momentum tidak kekal dalam kasus ini. Oleh karena itu, dalam kasus fonon, seseorang berbicara tentang momentum kuasi.

Phonon memiliki putaran nol dan merupakan boson, dan oleh karena itu gas phonon mematuhi statistik Bose–Einstein.

Phonon dapat dipancarkan dan diserap, tetapi jumlahnya tidak konstan.

Penerapan statistik Bose–Einstein untuk gas fonon (gas partikel Bose independen) membawa Debye ke kesimpulan kuantitatif berikut. Pada suhu tinggi, yang jauh lebih tinggi daripada suhu Debye karakteristik (wilayah klasik), kapasitas panas zat padat dijelaskan oleh hukum Dulong dan Petit, yang menyatakan bahwa kapasitas panas molar benda sederhana secara kimia dalam keadaan kristal adalah sama. dan tidak bergantung pada suhu. Pada suhu rendah, ketika (daerah kuantum), kapasitas panas sebanding dengan pangkat tiga suhu termodinamika: Suhu karakteristik Debye adalah: , di mana adalah frekuensi pembatas dari getaran elastis kisi kristal.

Konsep sentral dari topik ini adalah konsep molekul; Kompleksitas asimilasinya oleh anak sekolah disebabkan oleh fakta bahwa molekul adalah objek yang tidak dapat diamati secara langsung. Oleh karena itu, guru harus meyakinkan siswa kelas sepuluh tentang realitas mikrokosmos, tentang kemungkinan pengetahuannya. Dalam hal ini, banyak perhatian diberikan pada pertimbangan eksperimen yang membuktikan keberadaan dan gerakan molekul dan memungkinkan seseorang untuk menghitung karakteristik utamanya (eksperimen klasik Perrin, Rayleigh, dan Stern). Selain itu, disarankan untuk membiasakan siswa dengan metode perhitungan untuk menentukan karakteristik molekul. Ketika mempertimbangkan bukti keberadaan dan pergerakan molekul, siswa diberitahu tentang pengamatan Brown tentang pergerakan acak partikel tersuspensi kecil, yang tidak berhenti selama pengamatan. Pada saat itu, penjelasan yang benar tentang penyebab gerakan ini tidak diberikan, dan hanya setelah hampir 80 tahun A. Einstein dan M. Smoluchovsky membangun, dan J. Perrin secara eksperimental mengkonfirmasi teori gerakan Brown. Dari pertimbangan percobaan Brown perlu ditarik kesimpulan sebagai berikut: a) gerak partikel Brown disebabkan oleh tumbukan molekul zat yang tersuspensi; b) Gerak Brown bersifat kontinu dan acak, bergantung pada sifat-sifat zat tempat partikel tersuspensi; c) pergerakan partikel Brown memungkinkan untuk menilai pergerakan molekul medium di mana partikel-partikel ini berada; d) Gerak Brown membuktikan keberadaan molekul, geraknya, dan sifat gerak yang kontinu dan kacau ini. Konfirmasi sifat pergerakan molekul ini diperoleh dalam percobaan fisikawan Prancis Dunoyer (1911), yang menunjukkan bahwa molekul gas bergerak ke arah yang berbeda dan tanpa adanya tumbukan, gerakannya lurus. Saat ini, tidak ada yang meragukan fakta keberadaan molekul. Perkembangan teknologi memungkinkan untuk mengamati molekul besar secara langsung. Disarankan untuk mengiringi cerita tentang gerak Brown dengan peragaan model gerak Brown dalam proyeksi vertikal menggunakan lampu proyeksi atau codoscope, serta menampilkan potongan film "Gerakan Brown" dari film "Molecules and Molecular Motion" . Selain itu, berguna untuk mengamati gerak Brown dalam cairan menggunakan mikroskop. Obat ini dibuat dari campuran bagian yang sama dari dua larutan: larutan asam sulfat 1% dan larutan hiposulfit 2% dalam air. Sebagai hasil dari reaksi, partikel belerang terbentuk, yang tersuspensi dalam larutan. Dua tetes campuran ini ditempatkan pada slide kaca dan perilaku partikel belerang diamati. Sediaan dapat dibuat dari larutan susu yang sangat encer dalam air atau dari larutan cat air dalam air. Ketika membahas masalah ukuran molekul, inti dari percobaan R. Rayleigh dipertimbangkan, yaitu sebagai berikut: setetes minyak zaitun ditempatkan di permukaan air yang dituangkan ke dalam bejana besar. Tetesan menyebar di atas permukaan air dan membentuk film bundar. Rayleigh menyarankan bahwa ketika tetesan berhenti menyebar, ketebalannya menjadi sama dengan diameter satu molekul. Percobaan menunjukkan bahwa molekul dari berbagai zat memiliki ukuran yang berbeda, tetapi untuk memperkirakan ukuran molekul mereka mengambil nilai yang sama dengan 10 -10 m.Percobaan serupa dapat dilakukan di kelas. Untuk mendemonstrasikan metode penghitungan untuk menentukan ukuran molekul, diberikan contoh penghitungan diameter molekul berbagai zat dari kerapatannya dan konstanta Avogadro. Sulit bagi anak sekolah untuk membayangkan ukuran molekul yang kecil, oleh karena itu, ada baiknya memberikan sejumlah contoh yang bersifat komparatif. Misalnya, jika semua dimensi dinaikkan berkali-kali sehingga molekul terlihat (yaitu, hingga 0,1 mm), maka sebutir pasir akan berubah menjadi batu setinggi seratus meter, seekor semut akan bertambah besar menjadi ukuran kapal laut. , seseorang akan memiliki ketinggian 1700 km. Jumlah molekul dalam jumlah zat 1 mol dapat ditentukan dari hasil percobaan dengan lapisan monomolekul. Mengetahui diameter molekul, Anda dapat menemukan volumenya dan volume jumlah zat 1 mol, yang sama dengan di mana p adalah massa jenis cairan. Dari sini, konstanta Avogadro ditentukan. Metode perhitungan terdiri dalam menentukan jumlah molekul dalam jumlah 1 mol zat dari nilai massa molar dan massa satu molekul zat yang diketahui. Nilai konstanta Avogadro, menurut data modern, adalah 6,022169 * 10 23 mol -1. Siswa dapat diperkenalkan dengan metode perhitungan untuk menentukan konstanta Avogadro dengan menyarankan agar dihitung dari nilai massa molar berbagai zat. Anak-anak sekolah harus diperkenalkan dengan bilangan Loschmidt, yang menunjukkan berapa banyak molekul yang terkandung dalam satuan volume gas dalam kondisi normal (sama dengan 2,68799 * 10 -25 m -3). Siswa kelas sepuluh dapat secara mandiri menentukan nomor Loschmidt untuk beberapa gas dan menunjukkan bahwa itu sama dalam semua kasus. Dengan memberikan contoh, Anda dapat memberi gambaran kepada teman-teman tentang seberapa besar jumlah molekul dalam satuan volume. Jika sebuah balon karet ditusuk sangat tipis sehingga 1.000.000 molekul akan keluar melaluinya setiap detik, maka dibutuhkan sekitar 30 miliar molekul. tahun untuk semua molekul untuk keluar. Salah satu metode untuk menentukan massa molekul didasarkan pada pengalaman Perrin, yang berangkat dari fakta bahwa tetesan resin dalam air berperilaku dengan cara yang sama seperti molekul di atmosfer. Perrin menghitung jumlah tetesan di berbagai lapisan emulsi, menyoroti lapisan dengan ketebalan 0,0001 cm menggunakan mikroskop.Tinggi di mana ada tetesan seperti itu dua kali lebih sedikit daripada di bagian bawah sama dengan h = 3 * 10 -5 m Massa satu tetes resin ternyata sama dengan M \u003d 8,5 * 10 -18 kg. Jika atmosfer kita hanya terdiri dari molekul oksigen, maka pada ketinggian H = 5 km, kerapatan oksigen akan menjadi setengahnya di permukaan bumi. Proporsi m/M=h/H dicatat, dari mana massa molekul oksigen m=5,1*10 -26 kg ditemukan. Siswa ditawari untuk menghitung sendiri massa molekul hidrogen, yang kerapatannya setengah dari permukaan bumi, pada ketinggian H = 80 km. Saat ini, nilai massa molekul telah disempurnakan. Misalnya, oksigen diatur ke 5,31*10 -26 kg, dan hidrogen diatur ke 0,33*10 -26 kg. Ketika membahas masalah kecepatan pergerakan molekul, siswa diperkenalkan dengan eksperimen klasik Stern. Saat menjelaskan eksperimen, disarankan untuk membuat modelnya menggunakan perangkat "Memutar disk dengan aksesori". Beberapa korek api dipasang di tepi disk dalam posisi vertikal, di tengah disk - tabung dengan alur. Ketika piringan tidak bergerak, bola diturunkan ke dalam tabung, menggelinding ke bawah parasut, menjatuhkan salah satu korek api. Kemudian piringan diputar dengan kecepatan tertentu, yang ditentukan oleh takometer. Bola yang baru diluncurkan akan menyimpang dari arah gerakan semula (relatif terhadap piringan) dan menjatuhkan korek api yang terletak agak jauh dari yang pertama. Mengetahui jarak ini, jari-jari piringan dan kecepatan bola di tepi piringan, adalah mungkin untuk menentukan kecepatan bola di sepanjang jari-jari. Setelah itu, disarankan untuk mempertimbangkan esensi eksperimen Stern dan desain pemasangannya, dengan menggunakan potongan film "Eksperimen Stern" sebagai ilustrasi. Ketika membahas hasil eksperimen Stern, perhatian tertuju pada fakta bahwa ada distribusi molekul tertentu di atas kecepatan, sebagaimana dibuktikan dengan adanya strip atom yang disimpan dengan lebar tertentu, dan ketebalan strip ini berbeda. Selain itu, penting untuk dicatat bahwa molekul yang bergerak dengan kecepatan tinggi mengendap lebih dekat ke tempat yang berlawanan dengan celah. Jumlah molekul terbesar memiliki kecepatan yang paling mungkin. Perlu untuk menginformasikan siswa bahwa, secara teoritis, hukum distribusi molekul menurut kecepatan ditemukan oleh J. K. Maxwell. Distribusi kecepatan molekul dapat dimodelkan pada papan Galton. Pertanyaan tentang interaksi molekul sudah dipelajari oleh anak-anak sekolah di kelas 7, di kelas 10, pengetahuan tentang masalah ini diperdalam dan diperluas. Hal-hal berikut perlu ditekankan: a) interaksi antarmolekul bersifat elektromagnetik; b) interaksi antarmolekul dicirikan oleh gaya tarik-menarik dan gaya tolak menolak; c) gaya interaksi antarmolekul bekerja pada jarak tidak lebih besar dari 2-3 diameter molekul, dan pada jarak ini hanya gaya tarik menarik yang terlihat, gaya tolak praktis sama dengan nol; d) saat jarak antar molekul berkurang, gaya interaksi meningkat, dan gaya tolak bertambah lebih cepat (sebanding dengan r -9) daripada gaya tarik-menarik (sebanding dengan r -7 ). Oleh karena itu, ketika jarak antar molekul berkurang, gaya tarik-menarik pertama berlaku, kemudian pada jarak tertentu gaya tarik-menarik sama dengan gaya tolak, dan dengan pendekatan lebih lanjut, gaya tolak menang. Adalah bijaksana untuk mengilustrasikan semua hal di atas dengan grafik ketergantungan pada jarak, pertama gaya tarik menarik, gaya tolak menolak, dan kemudian gaya resultan. Sangat berguna untuk membuat grafik energi potensial interaksi, yang nantinya dapat digunakan ketika mempertimbangkan keadaan agregat materi. Perhatian siswa kelas sepuluh tertuju pada fakta bahwa keadaan keseimbangan stabil dari partikel yang berinteraksi sesuai dengan persamaan gaya resultan interaksi menjadi nol dan nilai terkecil dari energi potensial timbal baliknya. Dalam benda padat, energi interaksi partikel (energi ikat) jauh lebih besar daripada energi kinetik gerak termalnya, sehingga gerak partikel benda padat adalah getaran relatif terhadap simpul kisi kristal. Jika energi kinetik gerak termal molekul jauh lebih besar daripada energi potensial interaksinya, maka gerak molekul sepenuhnya acak dan zat berada dalam keadaan gas. Jika energi kinetik panas gerak partikel sebanding dengan energi potensial interaksinya, maka zat tersebut dalam keadaan cair.

Menurut teori kinetik molekuler, semua zat terdiri dari partikel terkecil - molekul. Molekul dipisahkan oleh celah, bergerak terus menerus dan berinteraksi satu sama lain. Molekul adalah partikel terkecil dari suatu zat yang memiliki sifat kimianya. Molekul terdiri dari partikel yang lebih sederhana - atom unsur kimia. Molekul zat yang berbeda memiliki komposisi atom yang berbeda.

Molekul memiliki energi kinetik dan pada saat yang sama energi potensial interaksi. Dalam keadaan gas, W kin >> W berkeringat. Dalam keadaan cair dan padat, energi kinetik partikel sebanding dengan energi interaksinya (Wkin ~ Wpot).

Mari kita jelaskan tiga ketentuan utama dari teori kinetik-molekul.

1. Semua zat terdiri dari molekul, mis. memiliki struktur diskrit, molekul dipisahkan oleh celah.

2. Molekul berada dalam gerakan acak (kacau) terus menerus.

3. Di antara molekul-molekul tubuh ada gaya interaksi.

Teori kinetika molekuler didukung oleh banyak eksperimen dan sejumlah besar fenomena fisik.

Adanya celah antar molekul mengikuti, misalnya, dari percobaan pencampuran berbagai cairan: volume campuran selalu lebih kecil dari jumlah volume cairan campuran.

Berikut adalah beberapa bukti pergerakan acak (kacau) molekul:

a) keinginan gas untuk menempati seluruh volume yang disediakan untuknya (distribusi gas berbau ke seluruh ruangan);

b) Gerak Brown - gerakan acak partikel terkecil dari materi yang terlihat di mikroskop, yang berada dalam suspensi dan tidak larut di dalamnya. Gerakan ini terjadi di bawah pengaruh dampak kacau dari molekul yang mengelilingi cairan, yang berada dalam gerakan kacau konstan;

c) difusi - penetrasi timbal balik molekul zat yang berdekatan. Selama difusi, molekul-molekul dari satu benda, yang terus bergerak, menembus celah di antara molekul-molekul benda lain yang bersentuhan dengannya dan menyebar di antara mereka. Difusi memanifestasikan dirinya di semua benda - dalam gas, cairan dan padatan - tetapi pada tingkat yang berbeda-beda.

Difusi gas dapat diamati jika bejana dengan gas berbau dibuka di dalam ruangan. Setelah beberapa saat, gas akan menyebar ke seluruh ruangan.

Difusi dalam cairan jauh lebih lambat daripada di gas. Sebagai contoh, mari kita tuangkan larutan tembaga sulfat ke dalam gelas, dan kemudian, dengan sangat hati-hati, tambahkan lapisan air dan tinggalkan gelas di ruangan dengan suhu konstan dan di mana tidak boleh diguncang. Setelah beberapa waktu, kita akan mengamati hilangnya batas tajam antara vitriol dan air, dan setelah beberapa hari cairan akan bercampur, meskipun faktanya kerapatan vitriol lebih besar daripada kerapatan air. Itu juga berdifusi air dengan alkohol dan cairan lainnya.

Difusi dalam padatan bahkan lebih lambat daripada dalam cairan (dari beberapa jam hingga beberapa tahun). Ini hanya dapat diamati pada benda-benda yang ditanahkan dengan baik, ketika jarak antara permukaan benda-benda dasar dekat dengan jarak antar molekul (10 -8 cm). Dalam hal ini, laju difusi meningkat dengan meningkatnya suhu dan tekanan.

Bukti interaksi gaya molekul:

a) deformasi benda di bawah pengaruh gaya;

b) pengawetan bentuk dengan benda padat;

c) tegangan permukaan cairan dan, sebagai akibatnya, fenomena pembasahan dan kapilaritas.

Ada gaya tarik menarik dan gaya tolak menolak antar molekul. Gaya-gaya ini bersifat elektromagnetik.

Mari kita pertimbangkan berbagai kasus pengaturan molekul yang saling menguntungkan dan tunjukkan gaya mana yang berlaku. Mari kita perkenalkan notasi berikut:

r - Jarak antar molekul

d adalah diameter molekul

F np – gaya gravitasi

F om – kekuatan tolak

→ - berusaha

Karena itu

r→∞=>F=0(kekuatan jarak pendek)

r> d(≈2-3 diameter)=>F np > F om

r→d=>F np →0