Температура. Рівняння теплового руху молекул

Величину називають середньою кінетичною енергією Ek поступального руху молекули.

Останню формулу можна записати так:

Величину υ² називають середнім значенням квадрата швидкості.

Якщо привести два гази з різними значеннями середньої кінетичної енергії молекулі зіткнення, через певний час їхні середні кінетичні енергії молекул стануть однаковими, оскільки стикаючись одна з одною, молекули обох газів обмінюються енергією. При цьому відбувається передача енергії від газу з більшим значенням середньої кінетичної енергії до газу з меншим значенням цієї величини. Після вирівнювання середніх кінетичних енергій молекул в газах настає теплова рівновага, при якій припиняється передача енергії від одного газу до іншого, хоча зіткнення молекул, які хаотично рухаються, продовжуються.

Але, як відомо, аналогічно ведуть себе тіла, які мають неоднакову температуру. При їх зіткненні енергія передається теж від одного з них до іншого доти, поки не стануть однаковими їхні температури, тобто поки не встановиться між тілами теплова рівновага. Вищою вважається температура тіла, яка віддає енергію.

З цього співставлення випливає, що середня кінетична енергія поступального руху молекул змінюється так само, як і температура. Під час зіткнення тіл обидві ці величини вирівнюються, тобто встановлюється теплова рівновага тіл.Природно припустити, що температура може служити мірою середньої кінетичної енергії молекул газу. В цьому можна переконатися і на досліді.

Дослід Штерна дає можливість вивчити дуже важливу залежність швидкості руху молекул від температури. Змінюючи силу струму в дротині із якої відбувається випаровування молекул, змінюють тим самим температуру і, вимірюючи середню швидкість молекул, встановлюють залежність швидкості молекул від температури.

Середня кінетична молекул Ek пропорційна абсолютній температурі газу Т. У випадку ідеального газу зв'язок між цими величинами виражається формулою

Коефіцієнт k називають сталою Больцтмана. Він показує, наскільки зміниться кінетична енергія однієї молекули при зміні температури на один градус. Числове значення сталої Больцмана можна знайти лише експериментально k=1,38 · 10-23Дж/К.

Температура - це міра середньої кінетичної енергії руху молекул. Цей висновок справедливий не тільки для ідеального газу, а й для речовини в будь-якому стані. Абсолютним нулем температури є температура, при якій середня кінетична енергія поступального руху молекул дорівнює нулю.

Доведено, що навіть при абсолютному нулі молекулярний рух не припиняється - молекули здійснюють коливальні рухи. Однак ні при якому експерименті дістати абсолютний нуль температури неможливо. Тим більше не можна дістати температуру, нижчу за абсолютний нуль, оскільки кінетична енергія завжди додатня величина. Зараз вдалося досягти температур лише на 1,2 · 10-6К вищих за абсолютний нуль.

Температура - це макроскопічна величина, яка характеризує стан величезної к-ті молекул. Не можна говорити про “температуру” однієї або кількох молекул, про “гарячі” і “холодні” молекули. Зокрема, немає смислу говорити про температуру газу в космічному просторі, де число молекул в одиниці об'єму таке мале, що вони не утворюють газ в звичайному розумінні цього слова.

Частинки газу, які рухаються хаотично з великими швидкостями, увесь час “бомбардують” стінки оболонки, в якій він знаходитсья, - посудини. Ударяючись в стінку, молекула надає їй імпульс, що дорівнює зміні власного імпульсу. Оскільки молекул дуже багато і ударяють вони в стінку дуже часто, можна замінити їхню сумарну дію на поверхню стінки однією безперервно діючою середньою силою. Значення цієї сили, що припадає на одиницю поверхні стінки, визначає тиск, який чинить газ на стінку посудини. Щоб визначити тиск газу, треба цю силу поділити на площу відповідної поверхні. Тиск газів - це результат співударів із стінкою великої кількості молекул. Оскільки молекули рухаються зовсім невпорядковано, а число їх в одиниці об'єму газу дуже велике, то відбувається в середньому однакова кількість ударів у будь-якому напрямі, тому тиск газу на всі стінки посудини має бути однаковим. Хаотичність руху є причиною того, що рівнодійна всіх сил ударів молекул, які діють на стінки посудини чи на будь-яку поверхню всередині газу, перпендикулярна до поверхні. Силу удару молекули можна розділити на дві складові: перпендикулярну до поверхні і паралельну їй. Хоча к-сть молекул величезна, завжди знайдеться інша частинка, яка має однакову за модулем і протилежно напрямлену складову силу удару, паралельну поверхні. Тому результуюча всіх цих складових дорівнює нулю. Тиск створюють складові сил ударів, перпендикулярних до поверхні.