Мкт это физика: Молекулярно-кинетическая теория | это… Что такое Молекулярно-кинетическая теория?

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ • Большая российская энциклопедия

Авторы: Н. М. Кузнецов

МОЛЕКУЛЯ́РНО-КИНЕТИ́ЧЕСКАЯ ТЕО́­РИЯ (МКТ), тео­рия строе­ния ве­ще­ст­ва, ба­зи­рую­щая­ся на сле­дую­щих по­ло­же­ни­ях: ве­ще­ст­во со­сто­ит из час­тиц ни­чтож­но ма­лых раз­ме­ров, эти час­ти­цы на­хо­дят­ся в не­пре­рыв­ном хао­ти­че­ском (те­п­ло­вом) дви­же­нии и взаи­мо­дей­ст­ву­ют друг с дру­гом пу­тём столк­но­ве­ний.

Ис­то­рия ста­нов­ле­ния и раз­ви­тия МКТ на­чи­на­лась с ин­туи­тив­ных до­га­док мыс­ли­те­лей ан­тич­но­сти (Де­мок­рит, Эпи­кур) об атом­ной при­ро­де ве­ществ. Бо­лее обос­но­ван­ные, но всё ещё ги­по­те­ти­че­ские ато­ми­сти­че­ские пред­став­ле­ния раз­ви­ва­лись в 17–18 вв. (Р. Де­карт, И. Нью­тон, М. В. Ло­мо­но­сов и др.). Вес­кие до­ка­за­тель­ст­ва атом­но-мо­ле­ку­ляр­но­го строе­ния ве­ществ по­лу­че­ны в 1-й пол. 19 в. (Дж. Даль­тон, Ж. Л. Гей-Люс­сак, А. Аво­гад­ро) в ре­зуль­та­те от­кры­тия эм­пи­рич. га­зо­вых за­ко­нов. В сер. 19 в. {–1}$. Чис­ло столк­но­ве­ний в еди­ни­цу вре­ме­ни $ν=v/l$. МКТ, по­стро­ен­ную на этих (весь­ма ог­ра­ни­чен­ных) по­ня­ти­ях, при­ня­то на­зы­вать эле­мен­тар­ной МКТ. Для раз­ре­жен­ных га­зов МКТ ус­пеш­но объ­яс­ня­ет все из­вест­ные эм­пи­рич. за­ко­ны (Бой­ля – Ма­ри­от­та за­кон, Гей-Люс­са­ка за­ко­ны, Аво­гад­ро за­кон), ка­че­ст­вен­но и при­бли­жён­но ко­ли­че­ст­вен­но опи­сы­ва­ет тер­мо­ди­на­мич. и ки­не­тич. свой­ст­ва раз­ре­жен­ных га­зов (урав­не­ние со­стоя­ния, чис­ло столк­но­ве­ний мо­ле­кул со стен­кой со­су­да, вяз­кость, те­п­ло­про­вод­ность и диф­фу­зию). МКТ по­зво­ля­ет свя­зать мак­ро­ско­пич. и мик­ро­ско­пич. па­ра­мет­ры иде­аль­но­го га­за: дав­ле­ние $p=(2/3)nE_\text{к}$ ($E_\text{к}$ – ср. ки­не­тич. энер­гия мо­ле­кул), ко­эф. ди­на­мич. вяз­ко­сти $η=(1/3)vlρ$ ($ρ$ – плот­ность га­за), ко­эф. те­п­ло­про­вод­но­сти $χ=ηc_v$ ($c_v$ – те­п­ло­ём­кость га­за при по­сто­ян­ном объ­ё­ме), ко­эф. диф­фу­зии $D=(1/3)vl$.

В 20 в. МКТ по­лу­чи­ла даль­ней­шее раз­ви­тие на ос­но­ве кван­то­вой ме­ха­ни­ки и ста­ти­стич. фи­зи­ки и ны­не со­став­ля­ет тео­ре­тич. часть фи­зич. и хи­мич. ки­не­ти­ки. Эле­мен­тар­ная МКТ при этом не ут­ра­ти­ла сво­его зна­че­ния для фор­ми­ро­ва­ния пер­вич­ных пред­став­ле­ний о при­ро­де ве­ще­ст­ва и оце­нок по по­ряд­ку ве­ли­чи­ны ско­ро­сти ре­лак­са­ци­он­ных про­цес­сов в га­зах.

Основные положения МКТ

Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

1.         Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов («элементарных молекул»). Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

2.         Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

3.         Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Рисунок 3.1.1. Траектория броуновской частицы

Наиболее ярким экспериментальным подтверждением представлений молекулярно-кинетической теории о беспорядочном движении атомов и молекул является броуновское движение. Это тепловое движение мельчайших микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе. Оно было открыто английским ботаником Робертом Броуном в 1827 г. Броуновские частицы движутся под влиянием беспорядочных ударов молекул. Из-за хаотического теплового движения молекул эти удары никогда не уравновешивают друг друга. В результате скорость броуновской частицы беспорядочно меняется по модулю и направлению, а ее траектория представляет собой сложную зигзагообразную кривую (рис.  3.1.1). Теория броуновского движения была создана А.Эйнштейном в 1905 г. Экспериментально теория Эйнштейна была подтверждена в опытах французского физика Жана Перрена, проведенных в 1908–1911 гг.

Модель. Броуновское движение.

Главный вывод теории А. Эйнштейна состоит в том, что квадрат смещения <r²> броуновской частицы от начального положения, усредненный по многим броуновским частицам, пропорционален времени наблюдения t.

<r2> = Dt.

Это соотношение выражает так называемый диффузионный закон. Как следует из теории коэффициент пропорциональности D монотонно возрастает с увеличением температуры.

Постоянное хаотичное движение молекул вещества проявляется также в другом легко наблюдаемом явлении – диффузии. Диффузией называется явление проникновения двух или нескольких соприкасающихся веществ друг в друга. Наиболее быстро процесс протекает в газе, если он неоднороден по составу. Диффузия приводит к образованию однородной смеси независимо от плотности компонентов. Так, если в двух частях сосуда, разделенных перегородкой, находятся кислород O₂ и водород H₂, то после удаления перегородки начинается процесс взаимопроникновения газов друг в друга, приводящий к образованию взрывоопасной смеси – гремучего газа. Этот процесс идет и в том случае, когда легкий газ (водород) находится в верхней половине сосуда, а более тяжелый (вислород) – в нижней.

Значительно медленнее протекают подобные процессы в жидкостях. Взаимопроникновение двух разнородных жидкостей друг в друга, растворение твердых веществ в жидкостях (например, сахара в воде) и образование однородных растворов – примеры диффузионных процессов в жидкостях.

В реальных условиях диффузия в жидкостях и газах маскируется более быстрыми процессами перемешивания, например, из-за возникновения конвекционных потоков.

Наиболее медленно процесс диффузии протекает в твердых телах. Однако, опыты показывают, что при контакте хорошо очищенных поверхностей двух металлов через длительное время в каждом из них обнаруживается атомы другого металла.

Диффузия и броуновское движение – родственные явления. Взаимопроникновение соприкасающихся веществ друг в друга и беспорядочное движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходят вследствие хаотичного теплового движения молекул.

Силы, действующие между двумя молекулами, зависят от расстояния между ними. Молекулы представляют собой сложные пространственные структуры, содержащие как положительные, так и отрицательные заряды. Если расстояние между молекулами достаточно велико, то преобладают силы межмолекулярного притяжения. На малых расстояниях преобладают силы отталкивания. Зависимости результирующей силы F и потенциальной энергии E_р взаимодействия между молекулами от расстояния между их центрами качественно изображены на рис.  3.1.2. При некотором расстоянии r = r₀ сила взаимодействия обращается в нуль. Это расстояние условно можно принять за диаметр молекулы. Потенциальная энергия взаимодействия при r = r₀ минимальна. Чтобы удалить друг от друга две молекулы, находящиеся на расстоянии r₀, нужно сообщить им дополнительную энергию E₀. Величина E₀ называется глубиной потенциальной ямы или энергией связи.

Рисунок 3.1.2. Сила взаимодействия F и потенциальная энергия взаимодействия Eр двух молекул. F > 0 – сила отталкивания, F < 0 – сила притяжения

Молекулы имеют чрезвычайно малые размеры. Простые одноатомные молекулы имеют размер порядка 10^–10 м. Сложные многоатомные молекулы могут иметь размеры в сотни и тысячи раз больше.

Беспорядочное хаотическое движение молекул называется тепловым движением. Кинетическая энергия теплового движения растет с возрастанием температуры. При низких температурах средняя кинетическая энергия молекулы может оказаться меньше глубины потенциальной ямы E₀. В этом случае молекулы конденсируются в жидкое или твердое вещество; при этом среднее расстояние между молекулами будет приблизительно равно r₀. При повышении температуры средняя кинетическая энергия молекулы становится больше E₀, молекулы разлетаются, и образуется газообразное вещество.

В твердых телах молекулы совершают беспорядочные колебания около фиксированных центров (положений равновесия). Эти центры могут быть расположены в пространстве нерегулярным образом (аморфные тела) или образовывать упорядоченные объемные структуры (кристаллические тела).

Модель. Агрегатные состояния

В жидкостях молекулы имеют значительно большую свободу для теплового движения. Они не привязаны к определенным центрам и могут перемещаться по всему объему. Этим объясняется текучесть жидкостей. Близко расположенные молекулы жидкости также могут образовывать упорядоченные структуры, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком в отличие от дальнего порядка, характерного для кристаллических тел.

В газах расстояния между молекулами обычно значительно больше их размеров. Силы взаимодействия между молекулами на таких больших расстояниях малы, и каждая молекула движется вдоль прямой линии до очередного столкновения с другой молекулой или со стенкой сосуда. Среднее расстояние между молекулами воздуха при нормальных условиях порядка 10^–8 м, т. е. в десятки раз превышает размер молекул. Слабое взаимодействие между молекулами объясняет способность газов расширяться и заполнять весь объем сосуда. В пределе, когда взаимодействие стремится к нулю, мы приходим к представлению об идеальном газе.

Модель. Кинетическая модель идеального газа

В молекулярно-кинетической теории количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Единица количества вещества называется молем (моль).

Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц (молекул), сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода ¹²C. Молекула углерода состоит из одного атома.

Таким образом, в одном моле любого вещества содержится одно и то же число частиц (молекул). Это число называется постоянной Авогадро N_А:

NА = 6,02·1023 моль–1.

Постоянная Авогадро – одна из важнейших постоянных в молекулярно-кинетической теории.

Количество вещества ν определяется как отношение числа N частиц (молекул) вещества к постоянной Авогадро N_А:

Массу одного моля вещества принято называть молярной массой M. Молярная масса равна произведению массы m₀ одной молекулы данного вещества на постоянную Авогадро:

M = NА · m0.

Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль). Для веществ, молекулы которых состоят из одного атома, часто используется термин атомная масса.

За единицу массы атомов и молекул принимается 1/12 массы атома изотопа углерода ¹²C (с массовым числом 12). Она называется атомной единицей массы (а. е. м.):

1 а. е. м. = 1,66·10–27 кг.

Эта величина почти совпадает с массой протона или нейтрона. Отношение массы атома или молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода ¹²C называется относительной массой.

Модель. Диффузия газов

Опубликовано в разделах: Молекулярная физика и термодинамика, Молекулярно-кинетическая теория

Маркетинг и физика похожи

Любой, кто изучал физику и маркетинг, может заметить некоторые очень интересные сходства между концепциями этих двух, казалось бы, разных дисциплин. Однако, в отличие от физики, маркетинг не часто преподается в соответствии с научными принципами.

К сожалению. Это, возможно, объясняет, почему слишком много людей, независимо от того, обучены они маркетингу или нет, имеют твердое мнение по вопросам маркетинга. Это также объясняет, почему практически каждый думает, что его или ее «догадка» так же хороша, как и любая другая, когда необходимо принимать маркетинговые решения.

Те же самые люди, которым и в голову не пришло бы давать советы нейрохирургу перед операцией или компьютерщику перед созданием сложной программы, крайне настойчивы в своих взглядах на маркетинг товаров, услуг и идей.

К несчастью для них (и тех, кого они консультируют), их уверенная «уверенность» основана скорее на незнании, чем на понимании. Интересно, что это невежество также имеет параллели с эволюцией нашего понимания Вселенной.

Разногласия по поводу неба

Библейские авторы настаивали на том, что небо представляет собой фиксированную полукруглую металлическую сферу, известную как твердь , с фиксированной шириной и Землей в ее центре. Греческие философы расширили размер этого небосвода до тысяч миль. Галилей считал, что она простирается на миллионы миль, и говорил о солнечной системе с центром в Солнце, но он был заключен в тюрьму и ослеплен Церковью за свои «богохульные» мысли. Кеплер представлял Вселенную с точки зрения миллиардов миль. Галлей расширил его до триллионов километров в диаметре и начал говорить о световых годах как о критерии для измерения звездных расстояний.

Лучшее понимание благодаря лучшему знанию

На протяжении веков, по мере того как измерительные системы и знания становились все более изощренными, сменявшие друг друга ученые расширили наше представление о Вселенной и обнаружили, что не существует небосвода или твердой сферы, а есть Земля. окружена только пространством, совершает один оборот за 24 часа и обращается вокруг Солнца. Солнце, в свою очередь, вращается вокруг галактического центра, который находится на расстоянии 30 000 световых лет, и совершает один полный оборот каждые 230 миллионов лет. Наша галактика Млечный Путь не одинока, а является частью огромного галактического скопления, включающего неисчислимое количество галактик, и эти скопления сами являются частями более крупных структур.

Степень уверенности, кажется, обратно пропорциональна знаниям

За всю историю цивилизации люди с наименьшими знаниями казались наиболее уверенными в том, что у них есть «все ответы» о нашей вселенной. Неудивительно, что их взгляды раз за разом оказывались ошибочными. То же самое верно и для самодовольных маркетологов, чья вера в свою правоту прямо пропорциональна их незнанию предмета. Как ни странно, люди с более глубокими знаниями в области маркетинга проводят больше исследований, чтобы определить, чего хотят клиенты, и перепроверить свои маркетинговые стратегии перед их реализацией.

Маркетинг следует законам вселенной

Эл Райс и Джек Траут в своей книге 22 непреложных закона маркетинга , отмечают, что маркетинг не является «черным искусством», о котором догадываются знающие практики. Они справедливо заявляют, что «у маркетинга есть набор законов, столь же постоянных, как скорость света. Следуйте этим законам и преуспейте на рынке. Нарушайте их на свой страх и риск».

Начало серии

Пока Райс и Траут формулируют те законы маркетинга, которые они считают важными, я надеюсь приступить к серии сообщений в Business Insider, которые будут связывать концепции маркетинга с универсальными законами физики, математики и других смежных научных дисциплин. Основная идея заключается в том, что универсальных законов и концепций управляют поведением всего во Вселенной, от мельчайших субатомных частиц до крупнейших известных галактических скоплений. Маркетинг не исключение.

Восприятие против реальности

В последующих сообщениях будут рассмотрены некоторые законы вселенной и проведены параллели с фундаментальными принципами маркетинга. Поскольку восприятие и реальность часто путают в маркетинге и бизнесе, хорошей отправной точкой будет исследование «границы» между ними. Эту путаницу часто называют виновником подрыва доверия к маркетингу как строгой дисциплине. Пожалуйста, не переключайтесь.

Чему нас научила физика в отношении маркетинга

Джон Джошуа

Джон Джошуа

Начинающий универсал со специализацией в области физики

Опубликовано 29 января 2021 г.

+ Подписаться

Вполне возможно, что мы можем найти идеи для определенных проблем, не глядя на один и тот же предмет, а когда мы смотрим дальше. Физика — один из тех предметов, которые учат нас многому о жизни, если мы посмотрим на нее с правильной точки зрения. Является ли физика единственным предметом, который может научить нас маркетингу? Может ли математика нас чему-нибудь научить как таковая?

Я обнаружил, что законы физики и принципы маркетинга имеют много общего. Давайте выясним, как мы можем связать физику с маркетингом.

Первый закон Ньютона гласит, что сила равна произведению массы на ускорение. Если упорядочить формулы, то получим ускорение равно силе над массой. Это означает, что массивной частице нужно больше, чтобы изменить свое направление. То же самое и в случае с маркетингом и брендами. Чем массивнее бренд, тем больше у него багажа. Такому бренду нужно было бы больше сил, чтобы изменить свое позиционирование на рынке. Это одна из причин, по которой Артур Андерсен решил создать Accenture, а не убеждать мир в том, что они могут заниматься чем-то другим, кроме бухгалтерского учета. Крупные компании, такие как Unilever и P&G, имеют отдельные суббренды, а не единый родительский бренд. Попытка создать бренд, который может делать гораздо больше, чем просто пылесосы, потерпела неудачу. По сути, всегда легче работать с небольшими фрагментами, чем с одним большим фрагментом.

Во втором случае возьмем известный принцип неопределенности Гейзенберга. Неопределенность Гейзенберга предполагает, что акт наблюдения за квантовой частицей изменяет ее состояние. То же самое касается и людей: наблюдение за клиентами меняет их поведение. Подумайте о количестве мам, которые заявили в фокус-группе, что они не покупают нездоровую пищу для своих детей, и тем не менее McDonalds продает миллионы гамбургеров каждый год. Участники опросов говорят, что они не ищут непристойный контент, но это самая популярная категория. Мы должны оценивать потребителей по тому, что они делают, а не по тому, что они говорят, что будут делать.

Маркетинг становится проще. К счастью, благодаря лучшему отслеживанию торговых точек и большему цифровому потреблению мы можем измерять то, что потребители делают на самом деле, а не то, что они говорят, что будут делать. С сегодняшними достижениями в цифровом пространстве мы можем легко узнать интересы и потребности людей по их активности.

Третий пример и аксиома в физике гласит, что вы не можете доказать гипотезу путем наблюдения, вы можете только опровергнуть ее. Это означает, что вы можете собирать все больше и больше данных вокруг гипотезы или позиционирования, это укрепит ее, но не докажет окончательно. Только противоположная точка данных – это все, что вам нужно, чтобы выбить вашу теорию из воды. Вы можете потратить время и усилия на создание бренда, но достаточно одного противоположного момента, чтобы сломить веру потребителя. Компания Beyond Petroleum потратила миллионы фунтов стерлингов на создание бренда как экологически чистого, но для того, чтобы разрушить этот имидж, понадобился лишь несчастный случай.

Toyota почиталась как надежная автомобильная компания, пока не произошел крупный инцидент с отзывом. Компания должна быть более осведомлена о том, что она продвигает, и о том, что происходит на рынке. Прежде всего важно установить ценности бренда, люди больше связывают ценности, чем бренды.

Последний и окончательный пример, второй закон термодинамики говорит об энтропии. Он утверждает, что энтропия, определяемая как неупорядоченность системы, всегда возрастает. То же самое и в случае с маркетингом. Вы можете инвестировать в создание имиджа бренда, но с такими инструментами для создания и распространения цифровых комментариев мы теряем над ним контроль. Если мы вернемся на 20 лет назад, одного сообщения одного менеджера по маркетингу было достаточно, чтобы определить бренд. Но с учетом того, что цифровизация внедряется в маркетинговое пространство, легко потерять ее из виду и контролировать. Невозможно где-то проконтролировать, куда уходит информация, и ваш бренд начинает рассеиваться.