Примерно каждое четвёртое задание в ЕГЭ по физике — это МКТ и термодинамика. Без понимания того, как устроено вещество, в каких видах оно бывает и что такое идеальный газ, высокий балл не набрать. Благодаря МКТ ты сможешь решать задачки по физике и знать, почему лёд твёрдый, почему воздух есть везде и что происходит с кипящей водой.
Основные положения МКТ
Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) — второй по величине и важности раздел на ЕГЭ по физике. Около четверти заданий приходится именно на него.
Первые основы МКТ были заложены ещё в 18 веке М. В. Ломоносовым. А в 19 веке были сформулированы следующие постулаты:
1. Все тела состоят из молекул (атомов, ионов).
Например, вода ($\text{H}_2\text{O}$) состоит из двух атомов водорода ($\text{H}$) и одного атома кислорода ($\text{O}$). Молекула гелия состоит из одного атома гелия.
Ионы являются атомами, имеющими заряд, отличный от нуля. Они способны взаимодействовать с другими ионами, атомами и молекулами.
2. Частицы находятся в непрерывном хаотичном движении.
3. Частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих соударений.
В результате абсолютно упругих взаимодействий частицы не изменяют свою структуру, а лишь изменяют направление своего движения.
Атом — наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.
Молекула — система атомов, связанных друг с другом.
Агрегатные состояния веществ
Агрегатное состояние — это физическое состояние вещества, зависящее от сочетания температуры и давления.
В физике выделяют четыре агрегатных состояния: твёрдое, жидкое, газообразное, а также плазму.
Твёрдое агрегатное состояние характеризуется тем, что молекулы имеют определённую структуру и упорядоченность. Они колеблются около некоторой точки и не могут сильно отдаляться от неё.
Энергия связи между молекулами больше кинетической энергии молекул:
$E_\text{св} > E_\text{к}$
Что произойдёт, если молекулы под действием внешней силы начнут сближаться? В таком случае возникнет сила отталкивания, которая при уменьшении расстояния будет стремиться к бесконечности. Построим график зависимости силы отталкивания молекул от расстояния между ними, где $R$ — расстояние между молекулами в положении равновесия.
При попытке увеличить расстояние между молекулами возникает сила притяжения, она будет направлена в противоположную сторону силе отталкивания и поэтому на графике она будет ниже оси абсцисс.
Однако при превышении некоторого значения силы тело разрушается, силы притяжения попросту не будут способны дальше удерживать молекулы на предельно допустимом расстоянии.
При нахождении в твёрдом агрегатном состоянии тело имеет форму и объём. Оно способно очень слабо сжиматься.
В жидком агрегатном состоянии молекулы также связаны между собой, однако энергия связи примерно равна кинетической энергии, с которой колеблются молекулы. Молекулы могут перемещаться относительно друг друга, но расположены довольно плотно, поэтому жидкости малосжимаемы.
Вещество, находящееся в таком агрегатном состоянии, не имеет формы, однако имеет определённый объём. Плотность одного и того же вещества в жидком агрегатном состоянии почти всегда меньше, чем плотность того же вещества в твёрдом агрегатном состоянии. Исключением является вода. Лёд менее плотный, чем вода, в связи с чем возможна жизнь на Земле. Максимальная плотность воды наблюдается при температуре $4^\circ\text{C}$.
Газообразное агрегатное состояние характеризуется тем, что расстояние между молекулами намного больше, чем в жидком и твёрдом агрегатных состояниях. При этом из-за хаотичного движения и большого количества молекул они абсолютно упруго сталкиваются друг с другом. В газообразном состоянии молекулы занимают весь предоставленный им объём.
Энергия связи ничтожно мала по сравнению с кинетической энергией движения молекул:
$E_\text{св} \ll E_\text{к}$
Из-за большого расстояния между молекулами газы легко поддаются сжатию.
Плазма — это ионизированный газ. С ростом температуры кинетическая энергия молекул достигает таких величин, что при соударении молекулярные связи разрушаются, вследствие чего образуются ионы. Особенностью плазмы является способность проводить электричество.
Проведём эксперимент: зарядим электрометр, в результате чего его стрелка будет отклонена от вертикального положения. Так как воздух — диэлектрик, то есть не проводит электричество, заряд будет оставаться на электрометре.
Поднесём пламя свечи к шару электрометра, в результате этого электрометр начнёт разряжаться, так как воздух, находящийся вокруг шара, в результате нагрева ионизируется и начнёт проводить электрический ток.
Процессы смены агрегатных состояний имеют собственные названия:
- Плавление — переход из твёрдого состояния в жидкое.
- Парообразование — переход из жидкого состояния в газообразное.
- Ионизация — переход из газообразного состояния в плазму.
- Рекомбинация — переход из плазмы в газообразное состояние.
- Конденсация — переход из газообразного состояния в жидкое.
- Кристаллизация — переход из жидкого состояния в твёрдое.
В некоторых случаях фазовый переход осуществляется сразу из твёрдого состояния в газообразное. Например, на поверхности Марса находится большое количество льда, при попадании солнечных лучей вода сразу сублимирует, минуя жидкое агрегатное состояние.
Модель идеального газа
Для упрощения расчётов физики часто пренебрегают некоторыми явлениями и процессами, создавая модели. В МКТ и термодинамике мы будем работать с моделью идеального газа.
Газ считается идеальным, если:
- Диаметр молекул значительно меньше расстояния между ними.
- Энергия связи значительно меньше кинетической энергии молекул.
- Столкновения молекул абсолютно упругие.
В реальном мире ближе всего к модели идеального газа находятся инертные или благородные газы: ксенон, аргон, гелий, криптон и другие. Особенностью этих газов является то, что они не могут образовывать связей и состоят из одноатомных молекул. Такие газы называют одноатомными.
Формула кинетической энергии молекулы выглядит следующим образом:
$E_\text{к} = \frac{m_0 v^2}{2}$
где $m_0$ — масса одной молекулы, кг.
Однако встаёт вопрос о том, какую скорость брать, чтобы найти кинетическую энергию газа, ведь каждая молекула движется со своей скоростью, отличающейся от скорости других, найдём среднее значение квадрата скорости:
$\overline{v^2} = \frac{v_1^2 + v_2^2 + \ldots + v_n^2}{N}$
Где:
$N$ — количество молекул, [—];
$v_1, v_2, \ldots, v_n$ — скорости молекул, м/с;
Тогда среднеквадратичная скорость имеет следующую формулу:
$v_\text{кв} = \sqrt{\overline{v^2} }$
Как и обычная скорость, среднеквадратичная скорость в СИ измеряется в м/с.
Стоит отметить, что формула нахождения квадрата скорости не используется при решении задач формата ЕГЭ, её мы продемонстрировали для понимания теории.
Заключение
Теперь ты владеешь тремя главными положениями МКТ: молекулы хаотично движутся, упруго сталкиваются и всё из них состоит. Отличаешь твёрдое тело от жидкости и газа, а также плазму с ионизацией. Тебе понятно, почему лёд не тонет и когда вода сублимирует прямо в газ. А ещё знаешь, откуда берутся давление, скорость молекул и кинетическая энергия. Так что четверть заданий ЕГЭ по физике тебе уже не страшны.
Авторы статьи
