Термодинамика и молекулярно-кинетическая теория

В физике параллельно формировались два подхода к изучению тепловых явлений:

• термодинамика;
• молекулярно-кинетическая теория.

Цель изучения термодинамики и молекулярно-кинетической теории

Термодинамика ставила своей целью установить на основе опыта самые общие законы тепловых процессов, которым подчиняются все тела и вещества, независимо от деталей их строения.

Сторонники атомистической гипотезы рассматривали тела — твердые, жидкие, газообразные — как состоящие из частиц (атомов и молекул), находящихся в непрерывном тепловом движении. Применяя к этим частицам законы классической механики, они строили модели строения систем (например, модель идеального газа, кристаллов и проч.) и пытались объяснить с их помощью закономерности тепловых процессов.

Эти два подхода — термодинамика и молекулярно-кинетическая теория (от греческого kinetikos — «связанный с движением») — дополняют друг друга. Но в истории физики их старались разделять по той простой причине, что само существование молекул очень долгое время подвергалось сомнению.

Что еще изучают термодинамика и молекулярно-кинетическая теория

Два взаимодополняющих подхода к изучению тепловых явлений — термодинамический и молекулярно-кинетический — позволили разобраться в тепловых свойствах различных веществ, объяснить особенности их фазовых превращений, предсказать неизвестные ранее состояния вещества (критическое и сверхкритическое состояния), и еще многое другое.

Почему, к примеру, водяной лёд на Марсе не плавится в летние месяцы, а превращается сразу в пар? На Земле так же ведет себя «сухой лёд» — твердая углекислота.

Оказалось, что любое кристаллическое вещество при достаточно низком давлении ведет себя при нагревании именно так — превращается не в жидкость, а в пар. Что значит «достаточно низкое», каждое вещество «решает» индивидуально, а молекулярно-кинетическая теория, анализируя особенности взаимодействия молекул разных веществ, объясняет и предсказывает поведение веществ.

Или почему некоторые газы (водяной пар, эфир, углекислый газ) можно превратить в жидкость, просто увеличив давление (сильно сжав), а многие другие газы (кислород, азот, водород) не сжижаются, как их не сжимай? Оказалось, для каждого вещества есть своя температура — ее называют критической. Превратить газ в жидкость можно только при температуре, меньшей критической. На основе моделей молекулярного строения веществ можно вычислить их критические температуры. Для воды, эфира, углекислоты критические температуры гораздо выше комнатной (для воды — целых 374 о С!), поэтому их пары легко сжижаются при сжатии. А вот для кислорода, азота, водорода и других газов критические температуры очень низкие. Самая низкая — у гелия: 5 градусов Кельвина, или минус 168 оС. Все эти газы требуют предварительного охлаждения для превращения в жидкость.

Особыми свойствами обладают вещества при температурах выше критической и очень высоком давлении — это так называемое сверхкритическое состояние вещества, когда вещество в чем-то похоже на жидкость, а в чем-то на газ. Довольно широко используется сверхкритическая углекислота как растворитель органических веществ. Воду перевести в сверхкритическое состояние довольно трудно, поскольку для этого требуется давление больше 220 атм. Зато сверхкритическая вода растворяет практически все органические соединения, которые не разлагаются при высоких температурах. Такая вода, при добавлении в нее кислорода, превращает за несколько минут любые органические соединения в воду и углекислый газ. Сейчас рассматривают возможность перерабатывать таким способом бытовые отходы, прежде всего пластиковую тару (сжигать такую тару нельзя, т.к. при этом возникают токсичные летучие вещества).

Сегодня термодинамика продолжает развиваться. Ее применяют при изучении неравновесных процессов и нестандартных систем — от живых организмов до чёрных дыр. Как самостоятельная дисциплина от термодинамики «отпочковалась» синергетика — наука, изучающая возможности спонтанного возникновения порядка из беспорядка в результате процесса самоорганизации сложных открытых (то есть взаимодействующих с окружающей средой) систем. Синергетика открывает путь к пониманию функционирования биологических систем и разгадке тайны возникновения жизни на Земле.