分子运动论

更新时间:2022-08-25 18:14

分子运动论(又称气体动理论或分子动理论)是描述气体为大量做永不停息的随机运动的粒子(原子分子,物理学上一般不加区分,都称作分子)。快速运动的分子不断地碰撞其他分子或容器的壁。分子动理论就是通过分子组分和运动来解释气体的宏观性质,如压强温度体积等。分子动理论认为,压强不是如牛顿猜想的那样,来自分子之间的静态排斥,而是来自以不同速度做热运动的分子之间的碰撞。

简介

分子运动论(又称气体动理论或分子动理论)是描述气体为大量做永不停息的随机运动的粒子(原子分子,物理学上一般不加区分,都称作分子)。快速运动的分子不断地碰撞其他分子或容器的壁。分子动理论就是通过分子组分和运动来解释气体的宏观性质,如压强温度体积等。分子动理论认为,压强不是如牛顿猜想的那样,来自分子之间的静态排斥,而是来自以不同速度做热运动的分子之间的碰撞。分子太小而不能直接看到。显微镜下花粉颗粒或尘埃粒子做的无规则运动——布朗运动,便是分子碰撞的直接结果。这可以作为分子存在的证据。

理论假设

理想气体动理论建立在如下假设之上:

分子动理学的现代理论建立在波尔兹曼方程的基础之上,对以上假设有所放宽,并将分子体积考虑进去,因此可以精确描述稠密气体。分子动理学的现代理论仍然要考虑的假设有,分子混沌性假设,忽略量子效应。如果气体比较稠密,本体性质只有小的梯度,可以应用维里展开的方法研究,这方面的理论参见查普曼和恩斯克格的专著。对于稀薄气体,本体性质的梯度与分子的平均自由程相比较,这种情况叫克努森区,可以对克努森数展开来研究。

发展过程

人类早在公元前5世纪就开始思考物质的结构问题。古希腊时期著名的朴素唯物主义哲学家德谟克利特就提出,物质是由不可分的原子构成的。这种思想在数个世纪都深刻的影响着人们的世界观。17世纪科学革命以来,自然科学得到了突飞猛进的进步,特别是热力学的突破性发展,使人们重新思考物质的结构问题。皮埃尔·伽桑狄罗伯特·胡克伯努利等科学家的研究表明,物质的液体固体气体三种状态的转变是因为分子之间作用的结果,特别是气体的压力源于气体分子与器壁碰撞,从而导出了玻意耳-马略特定律。

1738年,丹尼尔·伯努利发表著作《流体力学》,为气体动理论的基础。在这一著作中,伯努利提出,气体是由大量向各个方向运动的分子组成的,分子对表面的碰撞就是气压的成因,热就是分子运动的动能。但是,伯努利的观点并没有被立即接受,部分原因是,能量守恒定律当时还没有建立,分子之间为弹性碰撞也不是那么显而易见。1744年罗蒙诺索夫第一次明确提出热现象是分子无规则运动的表现,并把机械能守恒定律应用到了分子运动的热现象中。1856年,奥古斯特·克罗尼格提出了一个简单的气体动理论,他只考虑了分子的平动。1857年,克劳修斯提出一个更复杂的气体动理论,除了分子的平动,他还考虑了分子的转动和振动。他还引入了平均自由程的概念。1859年,麦克斯韦在克劳修斯工作的基础上,提出了分子麦克斯韦速度分布率。这是物理学史上第一个统计定律。1871年,玻尔兹曼推广了麦克斯韦的工作,提出了麦克斯韦–玻尔兹曼分布。

直到20世纪初,很多物理学家仍然认为原子只是假想,并非实在的。直到1905年爱因斯坦和1906年马利安·斯莫鲁霍夫斯基关于布朗运动的论文发表之后,物理学家才放弃此想法。他们的论文给出了分子动理论的准确预言。

意义

分子运动论使人类正确认识到了物质的结构组成和运动的一般规律,成功解释了诸如布朗运动等现象,并成为物理学中其他理论,甚至很多其他学科的理论基础。

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