Корпускулярно-кинетическая теория Ломоносова М.В.

Корпускулярно-кинетическая теория Ломоносова М.В.

                                                       План.

     1. «Элементы математической химии» (1741 год) 

     2. «О нечувствительных  физических частицах» (1744)

     3.  «Размышления о  причине теплоты и холода»

4. «Попытка теории упругости воздуха »,
5. Современная молекулярно-кинетическая теория.

6.   Основные доказательства  положений молекулярно-кинетическая  теории: диффузия, броуновское движение, изменение агрегатных состояний  вещества.

     7.  Опыт 1. Диффузия

     8. Опыт 2. Броуновское движение

     9. Опыт 3. Изменение

   1.  В ранней своей диссертации ”Элементы математической химии” (1741 год) Ломоносов дал определение химии как ”науки об изменениях в смешанном теле, поскольку оно смешанное”. По мнению Ломоносова, все без исключения химические вещества являются смешанными, состоящими ”из двух или нескольких разнородных тел, соединённых друг с другом так, что любая чувствительная часть этого тела совершенно подобна любой другой его части в отношении частных качеств”. Изменение смешанного тела происходит ”от прибавления или потери одной или нескольких составляющих”, что возможно при соответствующем изменении состава ”корпускул”. Для этого необходимо разрушить связи между составляющими корпускулу частицами. Основным инструментом для этого является огонь. Однако нагрев тела может привести лишь к уменьшению силы сцепления между частицами, расположение их можно изменить лишь при помощи воздуха или воды. ”Таким образом, - писал учёный, - первый - как бы орудие, а вторые два - носители”.

 В "Элементах математической химии" мы встречаем совершенно ясно выраженное понятие об основной величине в химии, - о химическом элементе, как о "простом" теле, начале, которое не может быть разложено на более простые, и из которых состоят все сложные тела.

Ломоносовское начало есть химический элемент, простое тело, не разлагаемое химическим анализом. Весьма интересно, что Ломоносов дальше говорит об "элементах" и "корпускулах": элементы - это по существу атомы химиков, корпускулы- молекулы. Мы имеем здесь первое сочетание, первое объединение двух представлений об элементах, ведущих свое начало с глубокой древности: одного - говорившего об элементах-качествах, и другого, согласно которому элементами являются атомы - мельчайшие, дальше неделимые первоначальные частички всех тел. Объединение этих двух точек зрения и проведено Ломоносовым, вводящим, как основное представление, понятие о корпускуле-молекуле, имеющей точно такой же количественный состав, какой имеет и все соответствующее тело.

2. В феврале 1744года Ломоносов представил новую диссертацию ”О нечувствительных физических частицах”. В основе разработанной Ломоносовым теории строения вещества («корпускулярной философии») лежали материалистическо-механистические представления. Он считал, что объективно существующий материальный мир познаваем, подчиняется единым законам и причинно обусловлен. Материя тел, считал учёный, дискретна, её можно физически делить, но до определённого предела. Получающиеся в конце такого деления частицы настолько малы, что ”ускользают от чувства зрения”, поэтому Ломоносов называл их ”нечувствительными физическими частицами”.            

Все ”нечувствительные частицы” считал учёный, имеют шарообразную форму, состоят  из абсолютно твёрдой бесструктурной первичной материи имеют на поверхности  правильно организованные выступы  и впадины. Единственное различие между  частицами различных тел заключается  лишь в величине их диаметров. ”Нечувствительные  частицы” могут объединяться в ”корпускулы”.    Основополагающим в ”корпускулярной философии” Ломоносова было положение о том, что движение является атрибутом материи. Частицы тел могут совершать три вида движения: поступательное, колебательное и вращательное.    По мысли Ломоносова, ”чувствительные” тела обладают общими и частными качествами. Первые определяются фигурой тела, его движением и инерцией, положением составляющих тела частиц. Общие качества выражают сущность тела и лежат в основе его частных качеств, к которым учёный относит ”теплоту и холод; сцепление частей, удельный вес, цвет, запах, вкус, упругость и специфические свойства, каковы силы электрическая, магнитная, лечебная”. Изменения частных качеств происходит вследствие перестройки расположения изменения характера или интенсивности внутреннего движения составляющих тело частиц. Поскольку же ”нечувствительные частицы” состоят из определённого количества материи и перемещаются по законам механики, то ”частные качества тел могут быть объяснены законами механики”.

3.  По распространённым в XVIII— начале XIX века воззрениям, теплород - невесомая материя, присутствующая в каждом теле, являлась причиной тепловых явлений.

Приток  теплорода в тело должен вызывать его нагрев, убыль - охлаждение. Количество теплорода во всех тепловых процессах  должно оставаться неизменным. Теория теплорода объясняла на тот момент многие известные в то время тепловые явления. Только один ученый поставил эту теорию под сомнение, это был  М.В. Ломоносов.

Ломоносов всегда отрицательно относился  к утверждению о существовании  особого невесомого тёплого вещества, способного переливаться из одного тела в другое, определяя степень его  нагревания или охлаждения. В окончательной  редакции своего труда "Размышления о причине теплоты и холода" (1749) Ломоносов писал: "В наше время причина теплоты приписывается особой материи, которую большинство называет теплотворной, другие — эфиром, а некоторые — элементарным огнём. Это мнение в умах многих пустило такие глубокие корни и настолько укрепилось, что повсюду приходится читать в физических сочинениях о внедрении в поры тел названной выше теплотворной материи, как бы привлекаемой каким-то приворотным зельем; или, наоборот, о бурном выходе её из пор, как бы объятой ужасом. Поэтому мы считаем нашей обязанностью подвергнуть эту гипотезу проверке".

В ”Размышлениях о  причине теплоты и холода”(1744г.) и в ряде последующих работ он отрицает господствовавшую в то время теорию теплорода. В противовес ей Ломоносов создаёт собственную теорию, согласно которой мерой температуры тела является скорость вращения составляющих это тело ”нечувствительных частиц”.

”Так  как тела могут двигаться двояким  движением - общим, при котором, - писал  Ломоносов в своей диссертации - всё тело непрерывно меняет своё место  при покоящихся друг относительно друга  частях, внутренним, которое есть перемена места нечувствительных частиц материи, и так как при самом быстром  общем движении часто не наблюдается  теплоты, а при отсутствии такого движения наблюдается такая теплота, то очевидно, что теплота состоит  во внутреннем движении материи”. Поскольку  они состоят из неразрушимой материи, то могут вращаться со сколь угодно большой скоростью. Поэтому не существует предельно высокой степени температуры. Вместе с тем вращение частиц может  уменьшаться, в принципе, до полного  прекращения. Следовательно, по необходимости должна существовать наибольшая, и последняя, степень холода. Однако и ”высшей степени холода (т.е. абсолютного нуля температур) на нашем земноводном шаре не существует”.            

Гипотеза  о вращательном движении частиц позволила  Ломоносову объяснить превращение  механической работы в тепло. При  трении тела находящиеся на его поверхности  частицы начинают быстрее вращаться, и происходит нагрев сперва поверхности, а затем вращение передаётся частицам, находящимся внутри тела. Так же объясняется нагревание холодного  тела при его контакте с горячим.     

Однако  Ломоносову не суждено было доказать справедливость своих взглядов. Гипотеза теплорода была отвергнута лишь в начале ХIХ века в результате ряда испытаний , что послужило опорой для принятия молекулярно-кинетической теории в середине XIX века.

4. Другим примером применения ”корпускулярной философии” к решению физических проблем является кинетическая теория газов. Сразу же следует оговориться, что в первой половине 18 века был известен только один газ – воздух. «Опыт теории упругости воздуха», работа 1748 года, в которой Л. изложил свои представления о кинетической теории газов. Упругостью он называет «стремление воздуха распространяться во все стороны», то есть удаление друг от друга нечувствительных частиц воздуха, когда к этому устранены препятствия.

Следовательно, нужно рассмотреть  «природу самих частиц и силу, которой  они удаляются друг от друга». В  соответствии со своей теорией строения материи Л. полагает, что частицы  воздуха, как, впрочем, и нечувствительные частицы, составляющие любое физическое тело, представляют собой шарообразные материальные тела, абсолютно твердые, не имеющие «организованного строения»  с шероховатыми выступами и впадинами  на внешней поверхности. В данной работе Л. их называет атомами. Поскольку каждый из них имеет вращательное тепловое движение (Л. ссылается на свои «Размышления о причинах теплоты и холода»), то при соприкосновении атомы отбрасываются друг от друга с тем большей силой, чем выше нагрет воздух.

Таким образом, в этой работе М. В. Ломоносов даёт кинетическую модель идеального газа, по отдельным положениям, при ряде поправок — соответствующую принятой в дальнейшем (1847 году).

(Идеальный  газ — это теоретическая модель  газа, в которой пренебрегают  размерами и взаимодействиями  частиц газа и учитывают лишь  их упругие столкновения.

Модель  идеального газа была положена в основу молекулярно-кинетической теории газа.)

Учёный демонстрирует зависимость  между объёмом и упругостью воздуха; одновременно он указывает на то, что  эта закономерность не распространяется на воздух при сильном его сжатии, причиной чему — конечный размер его молекул, — настоящая мысль применена Я. Д. Ван-дер-Ваальсом при выводе уравнения реального газа (1873).

5.  Молекулярно-кинетическая теория (сокращённо МКТ) — теория XIX века, рассматривавшая строение вещества, в основном газов, с точки зрения трёх основных приближенно верных положений:

• все тела состоят из частиц: атомов, молекул и ионов; ( сравни работы Ломоносова «Элементы математической химии» и «О нечувствительных физических частицах»)
• частицы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловом); («О нечувствительных физических частицах», ”Размышлениях о причине теплоты и холода”(1744г.))
• частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений. («Опыт теории упругости воздуха», работа 1748)

6.Основными доказательствами этих положений считались:

Диффузия ……

Броуновское движение ………………………

  Изменение агрегатных состояний вещества

7.1  Диффузия – это самопроизвольное выравнивание неоднородной концентрации атомов и молекул разного вида.

Скорость  диффузии возрастает  с  повышением  температуры, уменьшением плотности  и  вязкости среды. Поэтому в  жидкости  скорость диффузии  в тысячи раз ниже,  чем  в   газе,   а   в  твердых  телах  она  ещё в тысячи раз меньше, чем в жидкости.

Если в сосуд впустить порции различных газов, то через некоторое время все газы в результате диффузии равномерно перемешаются: число молекул каждого вида в единице объёма сосуда станет постоянным, концентрация выровняется.

Перемешиваются и атомы твердых тел, если тела растворяются друг в друге. Только процесс этот гораздо более медленный, и поэтому диффузию в твердых телах впервые наблюдали лишь в конце XIX века.

Взаимное перемешивание – это  результат беспорядочных блужданий атомов, молекул и других частиц вследствие их теплового движения. Движения частиц при диффузии совершенно случайны: протяженность очередного смещения частицы произвольна, все направления смещения равновероятны.

Диффузионные процессы чрезвычайно  важны на всех стадиях получения и обработки материалов, особенно в твердом состоянии. Диффузия происходит в чистых металлах и металлических сплавах, оксидах и карбидах, диэлектриках и полупроводниках, в широком диапазоне температур и внешних условий. Именно диффузия в твердых телах обеспечивает соединение металлов при сварке, пайке, хромировании, никелировании.

7.2 Опыт Диффузия.

1. Нальём в одну из колбочек нашатырный спирт.
2. Смочим кусочек ваты фенолфталеином и положим сверху в колбочку.
3. Через некоторое время наблюдаем окрашивание ватки. Данный эксперимент демонстрирует явление диффузии на расстоянии.

Рисунок 15

Докажем что явление диффузии зависит  от температуры. Чем выше температура, тем быстрее протекает диффузия.

Рисунок 16

Для демонстрации данного опыта возьмём  два одинаовых стакана. В один стакан нальём холодной воды, в другой – горячей. Добавим в стаканы  медный купорос, наблюдаем, что в  горячей воде медный купорос растворяется быстрее, что доказывает зависимость  диффузии от температуры.

Рисунок 17

1. Рисунок 18

8.1 Броуновское движение

Английский ботаник Роберт Броун (1773-1858) сделал немало работ в области строения растений, но в историю науки он вошёл благодаря своему знаменитому опыту, который, как потом оказалось, не имел прямого отношения к ботанике. 

В 1827 году он наблюдал в микроскоп взвесь цветочной  пыльцы в воде. То, что он увидел, очень его удивило: частицы находились в беспрестанном движении и описывали  самые причудливые траектории. Они  напоминали маленьких живых существ, которые ни на минуту не прекращали своего движения.

Только через 50 лет после открытия Броуна, в конце семидесятых годов  XIX века, причину  Броуновского движения  стали  связывать с ударами молекул жидкости о поверхность взвешенной в ней частицы. Очень важно, что Броун использовал в опыте очень маленькие частички. Если бы они были большими, то  молекулы равномерно толкали  бы  их  со  всех сторон  и  взвешенные  частицы  оставалась  бы  на месте (вы легко можете проверить это сами, бросив в воду кусочки обыкновенной спички).   Но   маленькая   частица   имеет   маленькую поверхность,  поэтому в каждый момент времени с какой-либо стороны её толкает большее число молекул жидкости, чем с других, и она движется в противоположном направлении. Так как движения молекул жидкости хаотичны, то и частица блуждает случайным образом и жидкости.

8.2  Опыт Броуновское движение

Для наблюдения броуновского движения в воде вам понадобятся микроскоп (с увеличением 50 ), предметное стекло, покровное стекло (толщиной 0,18 мм), акварельные краски, кисточка, стеклянная палочка, фильтровальная бумага, порошкообразное вещество.

На предметное стекло при помощи стеклянной палочки нанесите каплю  воды. Небольшое количество краски кисточкой добавьте в воду (вода должна лишь слегка окраситься). Поверх капли положите покровное стекло. При необходимости наклоном предметного  стекла удалите из взвеси возникшие  пузырьки воздуха. Под покровным  стеклом должно находится такое  количество воды, чтобы при любом  наклоне предметного стекла покровное  стекло не смещалось. Излишнюю воду нужно  удалить при помощи полоски фильтрованной  бумаги, подносимой к краю покровного стекла. Эксперимент будет тем  удачнее, чем тоньше слой воды между  стеклами.

Готовый препарат помещается на столик микроскопа. При приближении объектива  к препарату сначала видны  лишь крупные частицы туши. Эти  частицы не проявляют броуновского движения. Вблизи крупных частиц видны более мелкие, вот  они и находятся в непрерывном движении (или «дрожании»), получая различные импульсы от  молекул воды [2, C.189].

Повторите опыт с раствором молока. Обратите внимание на интенсивность  движения частичек жира в растворе. Имея меньшую массу в сравнении с частицами краски, эти броуновские частицы двигаются  более активно.

 9.1 Агрега́тное состоя́ние — состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.^[1].

Выделяют  три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Иногда не совсем корректно к агрегатным состояниям причисляют плазму. Существуют и другие агрегатные состояния, например, жидкие кристаллы или конденсат Бозе — Эйнштейна.

Изменения агрегатного состояния это термодинамические процессы, называемые фазовыми переходами. Выделяют следующие их разновидности: из твёрдого в жидкое — плавление; из жидкого в газообразное — испарение и кипение; из твёрдого в газообразное — сублимация; из газообразного в жидкое или твёрдое — конденсация; из жидкого в твёрдое — кристаллизация. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию.

Для описания различных состояний в  физике используется более широкое  понятие термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы от одной фазы к другой, называют критическими явлениями.

9.2 Опыт Изменение агрегатных состояний веществ

1. В зависимости от условий одно и то же вещество может находиться в различных состояниях - твердом, жидком или газообразном.

     (Кусочек льда ….)

2. Переход вещества из твердого состояния в жидкое. (Плавление)

     (плавление свечи )

3. Переход вещества из жидкого состояния в твердое. (Кристаллизация)
4. Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние. (Удельная теплота плавления и кристаллизации)
5. Парообразование, происходящее с поверхности жидкости. (Испарение)
6. Интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре. (Кипение)
7. Явление превращения пара в жидкость. (Конденсация)
8. Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры. (Удельная теплота парообразования и конденсации)

10.Заключение.

Корпускуля́рно-кинети́ческая  тео́рия тепла́ — выдвинутая в середине XVIII века М. В. Ломоносовым система принципов и взглядов, основанная на ряде теоретических положений, вытекающих из логических рассуждений и математических расчётов, и опирающихся на результаты экспериментов, или нашедших в них подтверждение. Явилась аксиоматичным опровержением господствовавшей в то время «флюидной теории», доказательством несостоятельности представлений о флогистоне и теплороде, переходом к современным методам физики, химии и всего естествознания в целом.

В рассмотренных работах Ломоносова, 40-х годов XIX века, были изложены принципы, которые спустя годы были математически  доказаны и экспериментально подтверждены в трудах ряда ученых:

-  Опыты Бенджамина Томпсона (1798) и Гемфри Дэви (1799), доказывавшие несостоятельность теории теплорода.

-Атомистическая  теория Дальтона 1805 год

- определение понятия атома и  молекулы было дано на Международном  конгрессе химиков в 1861 году

- Модель идеального газа была предложена в 1847 г. Дж. Герапатом.

- Уравнение состояния реального  газа, Ван –дер Вальс, 1873 год

-