Вокруг нас происходят явления, внешне не похожие на механическое движение. Это явления, наблюдаемые при изменении температуры тел, представляющих собой макросистемы, или при переходе их из одного состояния (например, жидкого) в другое (твёрдое либо газообразное). Такие явления называются тепловыми. Они играют огромную роль в жизни людей, животных и растений. Изменение температуры на 20–30 °C при смене времени года меняет все вокруг нас. С наступлением весны природа преображается, леса и луга зеленеют. От температуры окружающей среды зависят условия жизни на Земле. Люди добились относительной независимости от окружающей среды после того, как научились добывать и поддерживать огонь. Это было одним из величайших открытий, сделанных на заре зарождения человечества.
История развития представлений о тепловых явлениях начинается с древнейших времён. Многие философы древности рассматривали огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с Землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно предпринимались попытки связать теплоту с движением, ибо было замечено, что при соударении и трении твёрдые тела нагреваются.
Первые успехи на пути построения научной теории тепла относятся к началу XVII века, когда был изобретён термометр, и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем.
К концу XIX века была создана последовательная теория, описывающая свойства большой совокупности атомов и молекул, – молекулярно-кинетическая теория, или статическая механика. Изучаемые молекулярной физикой процессы – результат совокупного действия огромного числа молекул, которое можно проанализировать статическими методами, основанными на том, что свойства макросистемы, в конце концов, определяются особенностями движения частиц и их усреднёнными кинетическими и динамическими характеристиками (скоростью, энергией, давлением и др). Например, температура тела зависит от скорости беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, её удобно определять через среднее значение скорости движения молекул. Бессмысленно говорить о температуре одной молекулы. Макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.
В основе молекулярно-кинетических представлений о строении и свойствах макросистем лежат три основных положения:
любое тело – твёрдое, жидкое или газообразное – состоит из большого числа весьма малых частиц – молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекула);
молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-либо преимущественного направления движении;
интенсивность движения молекул, определяемая их скоростью, зависит от температуры вещества.
Тепловые свойства вещества определяются его внутренним состоянием и строением. Например, нагревание кусочка парафина на несколько десятков градусов превращает его в жидкость, а подобное нагревание металлического стержня не оказывает на него заметного влияния. Такое различное проявление нагревания определяется различием строения разных веществ. Поэтому исследование тепловых явлений можно использовать для выявления общей картины строения вещества. И наоборот, определённые представления о строении вещества помогают понять физическую сущность тепловых явлений и процессов, дать им глубокое наглядное истолкование.
Молекулярно-кинетические представления подтверждают опытные газовые законы (законы Бойля–Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, Авогадро, Дальтона), и лежат в основе уравнения Клапейрона–Менделеева (уравнения состояния), закона Максвелла для распределения молекул и основного уравнения кинетической теории идеальных газов,
Первое положение молекулярно-кинетических представлений – любое тело состоит из большого числа весьма малых частиц-молекул – доказано многочисленными опытами, одновременно подтвердившими реальное существование молекул и атомов. Приведём некоторые цифры, показывающие, насколько малы размеры молекул и атомов и как много их содержится в каком-либо макроскопическом объёме. Например, диаметр атомов лития составляет около 0,31 нм (1 нм = 10–9 м). Эта величина приближённая: атомы не имеют чётких границ. Размер молекулы водорода примерно того же порядка – приблизительно 0,23 нм. Очевидно, при очень малых размерах молекул число их в любом макроскопическом теле огромно. Несложный расчёт показывает, что число молекул в капле воды равно около 3·1022. Какая маленькая капля, а такое колоссальное число молекул!
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 12-е изд. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн. М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 3-е изд. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.
Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков Степан Харланович
