|
Молекулярно-кинетические представления
В 1848-1851 гг. Джоуль старался доказать, так же как и Ломоносов, что
вращательное движение атомов «...способно объяснить закон Бойля-Мариотта, а
также другие явления, представляемые упругими жидкостями». Однако вскоре он
вместо вращательного движения атомов стал рассматривать их поступательное
движение и оценил скорость молекул газа. Оказалось, что эта скорость очень большая.
По его оценкам молекулы водорода при комнатной температуре движутся со
скоростью около 1800 м/с, т.е. вдвое быстрее артиллерийского снаряда. В 1847 г.
английский физик Джон Герапат (1790-1868) в книге «Математическая физика»
изложил свою кинетическую теорию, построенную на основе гипотезы о движении и
столкновениях частиц газа, которые он считал упругими шарами. На основе этой
модели он объяснил законы идеальных газов, явление диффузии, распространение
звука в газах. В 1856 г. немецкий физик Август Крѐниг (1822-1879) в статье
«Основания теории газов» высказал гипотезу, что газы состоят из атомов, ведущих
себя как упругие шарики, которые движутся с определенной скоростью в пустом
пространстве. Он считал, что атомы взаимодействуют друг с другом только при
столкновениях. Он высказал идею о необходимости применения вероятностных
методов для описания газов: «Путь каждой молекулы настолько неупорядочен, что
вычислить его не представляется возможным. Однако, привлекая законы теории
вероятностей, можно, тем не менее, вместо полного беспорядка получить полный
порядок». Он впервые показал, что «живая сила атомов есть ничто иное, как
отсчитанная от абсолютного нуля температура», и доказал закон Авогадро.
Аналогичные воззрения развивал немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-1888). В
1857 г. он опубликовал статью «О роде движения, которое мы называем теплотой»,
которая стала началом современного развития кинетической теории газов.
В отличие от Крѐнига, Клаузиус считал, что молекулы газа обладают не только
поступательным, но также вращательным и колебательным движениями. Скорость
всех молекул он считал одинаковой и равной некоторой средней скорости. В 1859г. он
ввел понятия средней длины свободного пробега молекул в газе и о сфере действия
молекул. Клаузиус показал, что газовые законы могут выполняться при следующих
условиях: действительный объем молекул должен быть мал по сравнению со всем
объемом газа, время столкновения должно быть мало по сравнению со временем
между двумя последовательными соударениями и влияние межмолекулярных сил
должно быть пренебрежимо мало. Это - условия идеальности газов. Иначе
«наступают различные отклонения от простых газовых законов, которые тем
значительнее, чем меньше молекулярное состояние газа соответствует этим
условиям».
Дальнейший крупный шаг в развитии молекулярно-кинетической теории связан
с именем Максвелла, который продолжил и развил идеи Клаузиуса. Максвелл считал,
что в газе должно установиться равновесное состояние, которое характеризуется
вполне определенной стационарной функцией распределения частиц по скоростям.
Так он впервые нашел закон, по которому при заданной температуре молекулы газа
группируются по скоростям вокруг наиболее вероятной скорости. Это было
максвелловское распределение молекул по скоростям.
Максвелл считал, что для экспериментальной проверки определения «средней
длины пути частицы между двумя столкновениями» необходимо исследовать
внутреннее трение, как «наиболее прямой метод разрешения этой проблемы». Для
коэффициента внутреннего трения он нашел формулу
η = ρl
ρ- плотность газа, l -длина свободного пробега, - средняя скорость частиц.
Поскольку длина свободного пробега l = 1/ ρ, то отсюда следует вывод, «который
заключается в том, что если изложенное здесь толкование трения газов правильно,
то коэффициент трения не зависит от плотности». Этот вывод показался
Максвеллу странным но, проведя лично эксперименты, он убедился в его
правильности. Максвелл развил также общую теорию явлений переноса: вязкости,
диффузии, теплопроводности. Он впервые пришел к закону о равнораспределении
кинетической энергии по поступательным и вращательным степеням свободы:
«окончательное состояние любого числа движущихся частиц любой формы таково,
что средняя живая сила перемещения вдоль каждой их трех осей во всех системах
одинакова и равна средней живой силе вращения около каждой их трех. главных осей
каждой частицы». Позднее, в 1879г. Максвелл ввел термин «степени свободы», а
также понятие «фаза системы», как совокупность координат и импульсов системы
материальных точек. Максвелл считал, что в исследовании тепловых явлений очень
продуктивными являются идеи механики.
В то время некоторые ученые считали, что теория Максвелла ненаучна,
спекулятивна, поскольку истинная наука не должна иметь дело с «ненаблюдаемыми»
величинами. Его обвиняли также в механицизме, в его якобы слишком большом
увлечении средствами классической механики. Однако работы Максвелла стали
важным этапом на пути создания новой физической теории – статистической механи-
ки в той общей форме, которую ей придал впоследствии Гиббс.
В 1865 г. австрийский физик Лошмидт (1821-1895) оценил размеры молекул
газа. Он использовал опытные данные о коэффициенте трения в газообразном воздухе
и сопоставил их с подобными данными в жидком воздухе, в котором, как он
предположил, молекулы непосредственно соприкасаются друг с другом. По его рас-
четам «диаметр» молекул воздуха оказался равным 12х10
-8
см, при этом масса атома
водорода составила 10
-24
грамма. Он вычислил также число молекул в 1 см
3
при
нормальных условиях. Это число в 1909 г. Жан Перрен предложил называть
постоянной Лошмидта: N
t
= 2,68676х10
19
см
-3
.
Оценивая вклад Максвелла в развитие физики, Рэлей в 1890 г. говорил: «Можно
не сомневаться, что последующие поколения будут рассматривать как высшее
достижение в этой области его электромагнитную теорию света, благодаря
которой оптика становится разделом электричества. ... лишь немного менее
важным, если вообще менее важным, чем его труды по электричеству, было участие
Максвелла в развитии динамической теории газов».
Do'stlaringiz bilan baham: |
