Физика для "чайников"

Задумавшийся Андрей

Вкратце и поумнее: основных положений молекулярно-кинетической теории три: 1) все тела состоят из молекул, между которыми имеются промежутки; 2) все молекулы непрерывно хаотически двигаются; 3) между молекулами существуют силы притяжения и отталкивания (взаимодействия). Броуновское движение - хаотичное непрерывное движение малых частиц вещества под действием молекул жидкости или газа, в которых эти частицы находятся.

Теперь придётся сообразить, что значит ещё одно странное понятие. Количество вещества. Первая мысль, бросающаяся в голову, - а чем масса не угодила? Или объём? Всё было бы хорошо, если б все вещества имели одинаковую структуру - то есть количество молекул в любой массе или любом объёме было одинаковым. Но, как уверяют физики, в сказку мы не попали и на этот раз, и это не так. У каждого вещества своё строение, молекулы по-своему разбросаны (или построены), и одно и то же количество молекул у разных веществ будет давать разную массу или разный объём. А чтобы можно было померить именно количество молекул, взяли такое понятие - количество вещества. Единицу измерения взяли как будто с потолка,

да ещё и с непонятным названием - моль. Ну и что? Чему равен один моль? А кто его знает. Поэтому, чтобы знать, договорились о следующем. Один моль - это такое количество вещества, в котором число молекул равно так называемому числу Авогадро. Это чувак, который как раз и занимался тем, что молекулы считал. Конечно, делал это не на счётах и не глазами-пальцами, но сейчас не об этом. Дак вот, за число Авогадро взяли то количество, которое он, по заверениям, точно посчитал - а посчитал он число молекул в 12 г углерода. Не надо спрашивать, почему именно углерод и почему именно 12 грамм. Когда вводят какую-то совсем новую величину, которой не от чего оттолкнуться, берут что-то измеренное, договариваются и говорят: вот теперь все и всегда при подсчётах будем это считать за 1 единицу, а остальные как бы отсчитывать от неё. Хоть тот же метр был введён именно таким образом - взяли расстояние между Парижем и Северным полюсом и разделили его на 40 миллионов. (Сейчас метр определяют по-другому, но тоже мутно.) Почему Париж? Почему 40 миллионов? Почему Северный полюс? Ну вот так людям в голову взбрело. А нам теперь по всему этому отсчитывать... (Опять отвлекаясь: были товарищи, не согласные с французами, когда вводили метры, - так, на Руси длину мерили вершками, саженями, вёрстами, у англоязычных товарищей до сих пор используют фут и милю, до французов длину считали в шагах и т.д.)

Ладно, заматываем теперь этот заковыристый клубок обратно. Значит, вот число Авогадро - это число молекул, соответствующее одному молю вещества. Оно равно 6.03*10^23 штук/моль, или моль^-1 ("штука" в физике - величина безразмерная). Значит, в одном моле любого вещества будет содержаться столько молекул. В двух молях соответственно - 12.06*10^23 = 1.206*10^24 молекул. В трёх - 1.809*10^24 штук. И так далее.

Количество вещества и число Авогадро (больше даже последнее) будут использоваться при расчётах дальше.

Вкратце и поумнее: один моль - это такое количество вещества, в котором содержится число молекул, равное числу Авогадро. Число Авогадро - это число молекул в 12 г углерода-12. Оно равно 6.03*10^23 моль^-1.

Всё ещё в ожидании страшных формул? Формулы будут, но не то чтобы дико страшные - уж точно без синусов-косинусов. Только чтобы добраться до математики, нужно сначала сообразить, а что ей описать-то можно - как известно, жизнь с математикой дружат не всегда. Вот в молекулярной физике дружба сошлась только на газах. Почему именно они? Потому, что у газов самое слабое взаимодействие между молекулами. Случайность - страшнейший враг жёсткой математической логики (в принципе, математика пробралась и туда, но для школы это уже слишком сложно, и в школьные годы такими вещами головы не забивают), потому что когда точно не известно, что произойдёт после очередного удара молекул друг о друга, весь математический аппарат рушится, как карточный домик. Да даже если и удастся как-то посчитать все закономерности для одной молекулы, в реальности их не то что тысячи, миллионы или миллиарды - в одном моле (от единиц до сотен грамм, если пересчитать в массу) вещества содержится сами видите, сколько молекул - десять в двадцать третьей степени! Попробуй посчитай всё для каждой из них - жизни не хватит! А в твёрдых телах и жидкостях от этого взаимодействия никуда не денешься. Зато в газах, и то - при определённых условиях - им можно пренебречь. Газ при таких "определённых" условиях называют идеальным, и именно идеальные газы участвуют во всех дальнейших расчётах. А условие достаточно только одно: настоящий газ при не очень высоком давлении вполне может вести себя как идеальный - собственно, вот она, точка стыковки физики жизненной и физики-математики. Молекулы такого газа, как и любого другого вещества, тоже двигаются, и энергию их полёта туда-сюда описывает очень известная штука - температура. Больше температура - быстрее летают. Если взять два тела с разными температурами - например, горячий чай и коктейль со льдом, - налить каждый в свой стакан и поставить их в комнате, то горячий чай будет потихоньку остывать, а коктейль - потихоньку согреваться, и так до тех пор, пока температура каждого не сравняется с комнатной. Это что-то вроде того принципа минимума потенциальной энергии в механике - если считать, что комната изолирована (воздух в ней всегда один и тот же), то система "воздух-чай-коктейль" стремится к тому, чтобы уравновесить движение всех своих молекул до какого-то одного значения. А то так получится - одни молекулы летают быстрее, другие (неважно, что они другого вещества) - медленнее... Природа такое не терпит и стремится восстановить равновесие. Которое, если так вот выравнивается температура, так и называется - тепловым равновесием. Или термодинамическим равновесием, если речь идёт о термодинамике (она как раз отвечает за тепло и тому подобное. Но об этом - попозже.)

Вкратце и поумнее: идеальный газ - это газ, молекулы которого принимаются за материальные точки, и воздействием между ними пренебрегают. Реальный газ при невысоких давлениях можно считать идеальным. Температура - физическая величина, характеризующая кинетическую энергию поступательного движения молекул идеального газа. Тепловое равновесие - состояние, которое достигает изолированная система тел с разными температурами, заключается в равенстве температур между всеми частями системы.

Ну, вот теперь, когда окончательно обозначили, с чем будем иметь дело, - а именно с идеальными газами, - начнём сверлить их

математикой. Первое, самое-самое основное уравнение МКТ: p = 2*n*m0*v^2/3 = 2n*E/3. Буквы означают следующее: p - давление идеального газа, Па. n - концентрация молекул (число их в единице объёма, м^-3), m0 - масса одной молекулы, кг. v^2 - средний квадрат скорости теплового движения молекул, м^2/(с^2). E - средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул, Дж.

По-русски это значит следующее. Чем быстрее движутся молекулы газа, тем сильнее он давит на стенки сосуда, в котором находится. И чем больше число этих молекул, тоже тем сильнее он давит. Масса на скорость в квадрате пополам - это кинетическая энергия. Почему ещё умножить на 2/3? Сложный вопрос. Говорят, это получилось из экспериментов. Вместе с тем, эта дробь ещё зависит от того, из скольких атомов состоит молекула. Потому что когда он один - атом может дрыгать ногами аж в 6 направлениях, и всё это надо учесть; когда атомов два, они связаны, и дрыгать ногами могут уже в меньшем количестве направлений. В школе, к счастью, таких вещей не касаются. По крайней мере, без углублённого изучения физики. 2/3 используют, если в молекуле газа два атома (у большинства газов именно так).

С другой стороны, ну и что даёт эта формула? Концентрация - бог с ней, ещё как-то померить можно. А энергия? Джоульметр пока ещё никто не придумал и придумывать не собирается. Почему? Потому, что энергию молекул можно легко связать с их температурой. А именно: E = 3*k*T/2. Опять-таки, 3/2 - это если в молекуле два атома. E - энергия, T - температура, k называется постоянной Больцмана - по имени ещё одного физика. Она просто связывает энергию с температурой - данный товарищ обнаружил, что одно от другого отличается умножением на одно и то же число. И здесь есть ещё одна закавыка. Если температура ноль градусов, энергия тоже ноль получится? А если минусовая?..

Тут придётся чуть-чуть уйти в сторону. С измерением температуры примерно та же история, что с молями и метрами. Было несколько человек, каждый из которых решил мерить температуру по-своему. У нас чаще всего используют градусы Цельсия, в Америке - градусы Фаренгейта, есть ещё градусы Реомюра и Кельвина. Дак вот, две самые употребляемые из них - Цельсий и Кельвин. Отличие у них только в одном: Кельвин - это тот же Цельсий, только отодвинут на некое количество градусов вперёд. Да не на абы какое. Как принято считать, молекулы всё время двигаются - и чем ниже температура, тем медленнее они двигаются. Логичный вопрос: а ведь есть температура, при которой они должны вообще остановиться навсегда? Ответ: да, такая есть. Кучей экспериментов эту температуру пытались определить и пытались достичь, и получилось следующее: в градусах Цельсия это чуточку ниже -273 градусов, а именно - -273.15. Но вот получить ровно-ровно минус 273.15000... не получалось никак, хоть убей. Было и -273.149, и -273.1499, и -273.14999... Но девятки в бесконечное число обращаться не хотели вообще никак. В итоге народ принял как должное то, что такую температуру достичь нельзя в принципе. Если сообразить головой, то что-то, остужённое до абсолютного нуля (именно так назвали эту температуру), будет автоматически нагреваться от всего окружающего. То есть единственный способ достичь абсолютного нуля - остудить до него вообще всё. В самом глобальном смысле. Я не могу себе это представить при всём богатстве фантазии.

Дак вот, к чему весь этот длинный разговор. Именно этот абсолютный нуль и служит точкой отсчёта для шкалы Кельвина. И, к счастью, это её единственное отличие от нашей привычной шкалы Цельсия - чтобы перевести одну в другую, нужно просто прибавить к "цельсиям" 273 градуса. То есть 20 градусов по Цельсию - это 293 кельвина (кельвин употребляем без "градуса"). И именно температуру в кельвинах уже можно переводить в энергию при помощи этой постоянной Больцмана, ради которой я так всё подробно тут и разжёвываю. Итого k = 1.38*10^-23 Дж/К. То есть 1 молекула температурой в 300 К (27 градусов Цельсия) имеет в себе энергию в 4.14*10^-20 Дж. Маловато, да. Но этих молекул столько, что вместе они способны набирать и джоули, и килоджоули (1000 Дж) энергии!

Для особо любопытных: шкала Фаренгейта отличается от Цельсия тем, что ноль по Фаренгейту - это температура замерзания водной смеси нашатырного спирта (это около -18 по Цельсию), а 100 градусов - это нормальная температура человеческого тела, которую тот мерил засовыванием градусника в рот, а не под мышку - в результате "здоровые" 36.6 по Цельсию равны 97.9 по Фаренгейту, а не 100 ровно. Но при этом есть аж три других любопытных факта: точки 0 и 100 по Цельсию - температура замерзания и кипения воды - делятся на 100 частей у Цельсия и на 180 у Фаренгейта; температуру можно перевести из одной шкалы в другую по специальной формуле; наконец, есть одна температура, значение которой совпадает для обеих шкал: это -40 градусов. Вредное домашнее задание: проверить это, используя формулу перевода из Цельсия в Фаренгейт: температуру умножить на 9/5, после чего прибавить 32. У Реомюра использовался тоже спирт, но ещё мутнее: при повышении температуры на 10 градусов Реомюра смесь воды со спиртом расширялась на 1%. Посчитали, что 80 градусов Реомюра равны 100 градусам Цельсия. Много кто ещё выдумывал свои шкалы, но народ не то ратовал за здоровый образ жизни, не то тупо хотел быть проще, но почти все в итоге остановились на воде - то бишь на градусах Цельсия.

Вкратце и поумнее: основное уравнение МКТ: p = 2n*E/3, где p - давление идеального газа, n - концентрация его молекул, E - средняя кинетическая энергия его молекул. Связь между энергией и температурой устанавливает соотношение E = 3k*T/2, где T - температура по абсолютной температурной шкале Кельвина, k - постоянная Больцмана (1.38*10^-23 Дж/К). Абсолютная температурная шкала - шкала, за ноль которой принят абсолютный нуль температуры. Абсолютный нуль - температура, при которой останавливается движение молекул. Приближённо равна -273.15 градусов по Цельсию, на практике недостижима. Перевод температуры из градусов Цельсия в Кельвины - к температуре в градусах Цельсия необходимо прибавить 273.