1.4. Изопроцессы

1.4.1. Изотермический процесс

Процесс изменения системы при постоянной температуре называется изотермическим(рис. 1.5). Из уравнения идеального газа следует, что:

(1.22)

Знание коэффициента Kпозволяет проанализировать, как изменяетсяграфик изотермического процесса—изотермапри изменении параметров состояния.Чем температура больше, тем изотерма проходит выше.

Рис. 1.5.Изотермический процесс

1.4.2. Изобарный процесс

Процесс изменения состояния системы при постоянном давлении называется изобарнымилиизобарическим(рис. 1.6). Из уравнения состояния идеального газа следует:

(1.23)

Знание коэффициента Kпозволяет заключить, чтонаклон изобарыуменьшается с ростом давленияр.

Рис. 1.6.Изобарный процесс

1.4.3. Изохорный процесс

Процесс изменения состояния системы при постоянном объеме называется изохорнымилиизохорическим(рис. 1.7). Из уравнения состояния находим:

(1.24)

Наклон изохоры уменьшится с ростом V.

Рис. 1.7.Изохорный процесс

Уравнение состояния идеального газа можно записать в различных формах. В одной из них вводится плотностьρ:

(1.25)

Графики изопроцессов для уравнения состояния в записи с плотностью приведены на рис. 1.8.

Рис. 1.8.Изопроцессы в диаграммах с плотностью

Графики процессов, особенно в осях (в переменных) p, V, часто называютдиаграммами. Замкнутые диаграммы (графики!) часто называютциклами.

Оказывается, однако, что уравнение состояния не только более удобно, не только имеет более общий вид, чем частные экспериментальные законы, на основе которых оно получено. Уравнение состояния позволяет«влезть в душу» газа,связать параметры газа(p и T) со свойствами молекул и их движением.

1.5. Массы, размеры, энергии в мире молекул. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Сейчас будет сформулировано, может быть, самое главное, что сумели узнать ученые (физики и химики) об окружающем нас мире. Оказывается, что все тела состоят изочень маленькихчастиц, находящихся в непрерывном движении.Частицы притягиваются друг к другу на больших расстояниях и отталкиваются при непосредственном сближении. Этот закон, а на самом деле сразу несколько законов природы, содержитосновные положения молекулярно-кинетической теории.

Эту фразу считал самой информативной из всех возможных фраз наш великий современник, крупнейший ученый Ричард Фейнман.

В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат три положения, каждое из которых в настоящее время подтверждено на опыте:

1) вещество состоит из частиц — молекул;

2) эти частицы хаотически и непрерывно движутся;

3) частицы взаимодействуют друг с другом.

Перейдем к анализу и доказательству этих положений.

1.5.1. Доказательства существования молекул

Главное доказательство приходит из изучения химии и заключается в том, что коэффициенты всех без исключения химических реакций — целые числа. Вдумайтесь! Одни целые объекты — не половины, не четверти, только целые. Именно отсюда следует определение молекулы как мельчайшей частицы вещества,сохраняющей свои химические свойства.

О размерах молекул известно (см. п. 2.7). Ювелиры не умеют раскатывать металлы («благородные») тоньше, чем до 10^–8м; масло растекается слоем с толщиной не меньше 10^–9м. Сейчас в электронные и ионные микроскопы видны прямо отдельные молекулы (рис. 1.9).

Рис.1.9.Схема ионного микроскопа. УвеличениеН/d~ l

Ионный микроскоп — одно из реальных воплощений взаимодействия точечных зарядов. Атомная структура острия проявляется в том, что поле от острия — практически (в некоторой области углов) поле точки. При отрыве ионы летят по прямым линиям. Если острие «острое» (d — мало), то увеличение велико.

В мире молекул размер 10^–10м ₌1Å(читается«ангстрем») является характерным. Обычный размер молекулы (атома) от 0,5Å(радиус первой боровской стационарной орбиты атома водорода (см.п. 2.7)), до нескольких сотен ангстрем — размер вытянутой молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Хотелось бы привести наглядный пример, но размеры молекулы настолько малы, что попытки представить себе эти размеры наглядно далеко превосходят возможности человеческого воображения. Воображения автора, во всяком случае.

Вот сравнение: если шариковую ручку увеличить настолько, чтобы она доставала до Луны, то диаметр атома водорода будет как колпачок обычной, неувеличенной ручки. Но как представить себе расстояние от Земли до Луны? В общем, число лучше воображения. Как сказал поэт, «все оттенки смысла умное число передает».