Естествознание - Систематизирующая роль МКТ

Изучая термодинамику (§ 7в, § 7-г, § 7-д), мы познакомились с тремя формулами для расчета количества теплоты: Q=cmDt°, Q=lm, Q=rm. Как видите, в каждой из них присутствует масса тела. О чем это говорит? Например, увеличив массу горячей воды в 2 раза, мы обнаружим, что количество теплоты, запасенное этой водой, тоже стало в 2 раза больше (формула Q=cmDt°). Или, увеличив массу льда в 3 раза, мы обнаружим, что количество теплоты, требуемое для его плавления, также возрастет в 3 раза (формула Q=lm). Аналогичная пропорциональность будет наблюдаться и при выкипании некоторой массы жидкости (формула Q=rm). Обощая мы скажем: количество теплоты прямо пропорционально массе тела. Могла ли МКТ предсказать этот вывод? Конечно. Рассмотрим, как.

В обычном стакане помещается около 200 г воды. Это значит, что в стакане находится столько молекул, что их общая масса равна именно 200 г. Это будет справедливым для любого вещества - льда, спирта, кофе и т.д. Отсюда следует обобщение: масса любого тела складывается из масс частиц, его образующих.

Как вы знаете, при нагревании тела получаемая им теплота идет на увеличение кинетической энергии его частиц (см. § 8-в). Они начинают двигаться быстрее. И если количество частиц станет, например, в 2 раза больше, то потребуется и в 2 раза большее количество теплоты, чтобы скорость движения всех этих частиц увеличить до нужного значения. Другими словами, количество теплоты прямо пропорционально количеству частиц в теле, то есть массе тела.

При плавлении тел или выкипании жидкостей ситуация аналогичная. Чем большее количество частиц плавящегося тела должно от него отделиться и перейти в расплав, тем больше требуется теплоты. Например, увеличив массу льда в 3 раза, мы также в 3 раза увеличим и количество молекул, слагающих этот лед. Следовательно, на его плавление потребуется и в 3 раза больше теплоты.

2. Микроскопическая интерпретация закона сохранения энергии.

Изучая физику 7-8 классов, вы наверняка заметили, что при любых явлениях энергия никогда не исчезает и не возникает из ничего: она лишь переходит из одного вида в другой или от одного тела к другому. Это утверждение называется законом сохранения энергии. Рассмотрим этот закон с точки зрения МКТ.

Окружающий нас мир состоит из частиц: молекул, атомов, ионов. Все они находятся в никогда не прекращающемся хаотическом движении, и поэтому обладают кинетической энергией. Частицы любого вещества взаимодействуют: притягиваются и отталкиваются. Поэтому частицы вещества обладают потенциальной энергией. Сумма всех кинетических и потенциальных энергий всех частиц не может измениться сама собой, без вмешательства посторонних тел.

Например, качающийся маятник обладает некоторым запасом механической энергии. Если бы не было силы сопротивления воздуха, то маятник качался бы вечно, сохраняя свою механическую энергию неизменной. Однако маятник наталкивается на молекулы воздуха, "подталкивает" их, передавая им часть своей кинетической энергии. Поэтому механическая энергия маятника уменьшается, а внутренняя энергия воздуха увеличивается.

4. Объяснение возникновения силы упругости, объяснение давления газа и его увеличения при возрастании температуры, истолкование внутренней энергии тела (то есть макроскопического объекта) как суммы энергий слагающих его частиц (то есть микроскопических объектов) - все эти случаи мы уже рассмотрели. Существуют и другие факты, которые может предсказать МКТ.