Развитие молекулярно-кинетической теории в XIX веке

Совсем наоборот. Можно сказать, что создание этой теории как раз открыло новый путь для плодотворных и успешных исследований. Второй половине XIX в. принадлежат исследования отношений между элементами, сродства, которое они проявляют, и способа их связывания при образовании соединений. К сюрпризам, которые принесли эти исследования, принадлежит открытие радиоактивности. Неорганическая химия, органическая химия, физическая химия и ядерная химия нашли в атомной теории новые перспективы для своего дальнейшего развития.
СТАНОВЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ
ТЕОРИИ
Расчёты Максвелла
В тот же период, когда происходило действительно неожиданное обновление физики, многочисленные исследования привели к экспериментальной проверке атомно-молекулярной теории. Хорошо известно, как исследования Больцмана, Максвелла и Ван-дер-Ваальса, опиравшиеся на молекулярно-кинетическую теорию, позволили подойти к расчету величин молекул и их числа в данном объеме.
Конечно, решающий вклад в развитие молекулярно-кинетической теории был внесен во второй половине 19 в. Дж.К.Максвеллом и Л.Больцманом, в работах которых заложен фундамент статистического, то есть, вероятностного подхода к описанию веществ, прежде всего, образом, газообразных, состоящих из множества молекул, движущихся хаотически.
Вклад Максвелла в кинетическую теорию очевиден, но вспоминается в литературе немного реже как-то в сравнении с более высокой цитируемостью его последователей. Однако, именно Максвелл не только заложил математические основы молекулярно-кинетической теории и развил методы решения полученных уравнений, но и применил теорию к объяснению результатов различных экспериментов, в том числе и собственных,поэтому можно считать этот его вклад не менее важным, чем более «популярный» вклад его в теорию электромагнетизма.
Максвелл предложил определенную функцию распределения, чтобы описать равновесное состояние газа. Гауссово распределение, ранее уже известное и выведенное для иллюстрации и уточнения закона распределения ошибок измерений, он применил для объяснения газовых законов — то, что в настоящее время называется максвелловским распределением по скоростям. Теоретическая база молекулярной теории вышла на совершенно новый уровень, поскольку было выведено и обосновано кинетическое уравнение, которое называемое сейчас уравнением Больцмана. Предложил Максвелл также и схему вывода из него системы уравнений, характеризующих газовую динамику типа Навье—Стокса в единственном и решаемом точно случае, называемом сейчас максвелловскими молекулами. Позже схема вывода Максвелла усовершенствовалась, и теперь она называется методом Чэпмена—Энскога, и сейчас эта задача вновь актуальна в связи с большими скоростями самолетов и ракет и возникающим отсюда простым вопросом: а как ведет себя вязкость при больших перепадах или градиентах скоростей? Максвелл предложил простейшие кинетические модели взаимодействиягаза с поверхностями твердых тел — максвелловские зеркально-диффузные условия; такие условия многократно обобщались, и теория здесь продолжает развиваться в связи с потребностями новых технологий. Максвелл начал выводить уравнения для движения крупной частицы, реагирующей с газом, и его работа используется в в наше время для объяснения широкого круга таких явлений, как движения катализаторов, электрофореза, горения, фотофореза и многих других.
Решающие исследования Больцмана
Основной темой научных исследований Больцмана была молекулярно-кинетическая теория. Наибольшие достижения связаны с работами в области кинетической теории газов и статистическому обоснованию термодинамики. Кинетическая теория газов объясняет неравновесные свойства газов, к которым относятся явления переноса энергии, импульса, массы, на основе законов движения и взаимодействия молекул.
Больцман был одним из немногих, в наиболее полном варианте осознавших значение работ Максвелла. Он обобщил закон распределения скоростей молекул газов и применил его к газам, находящимся во внешнем силовом поле, а также установил в 1868-1871 г формулу распределения Больцмана.
Распределение Больцмана, иначе называемое распределение Максвелла — Больцмана — равновесное распределение частиц идеального газа по энергиям (E) во внешнем силовом поле, в частности, в поле всемирного тяготения; определяется функцией распределения f ~ e-E/kT, где E — сумма кинетической и потенциальной энергий частицы, T — абсолютная температура, k — постоянная Больцмана; является обобщением Л. Больцманом максвелловского распределения частиц по скоростям.
Применяя статистические методы к кинетической теории идеальных газов, Больцман вывел кинетическое уравнение газов.
Стоит напомнить, что такое кинетическое уравнение газов. В статистической физике кинетическое уравнение газов - это уравнение для одночастичной функции распределения системы многих частиц, дающей среднее число частиц с определенными значениями импульсов и координат и характеризующее изменение системы во времени.
Важнейшей заслугой Людвига Больцмана является исследование необратимых процессов и статистическая трактовка второго начала термодинамики. В 1872 Больцман ввел понятие H-функции, характеризующее состояние замкнутой макроскопической системы, и доказал, что с течением времени H-функция не может возрастать ( H-теорема). Отождествив H-функцию с энтропией S (с обратным знаком), Больцман связал энтропию с W — термодинамической вероятностью: S= klnW.

Это соотношение дало статистическое обоснование второму началу термодинамики и является основой статистической физики. Универсальная постоянная k в честь ученого называется Больцмана постоянной. Приведенное уравнение выгравировано на памятнике Больцману в Вене.
Больцмана постоянная — физическая постоянная k, равная отношению универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро NA: k = R/NA = 1,3807.10-23 Дж/К. Названа по имени Л. Больцмана.

Людвиг Больцман был верным последователем и приверженцем идей Максвелла и в области электромагнитной теории. Ему принадлежат первые экспериментальные работы по проверке достоверности выводов максвелловской теории электромагнитного поля. Он провел измерения диэлектрической проницаемости газов и твердых тел и установил ее связь с оптическим показателем преломления. Эти результаты были изложены в «Лекциях о максвелловской теории электричества и света» (1891-93). (Преклонение Больцмана перед гением Максвелла было безгранично. Об его уравнениях он писал: «Не божество ли начертало эти законы?...»).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, можно без сомнения сказать, что молекулярно-кинетическое учение именно в XIX веке просто основные этапы своего становления и развития, начиная с предпосылок в виде теории Авогадро и заканчивая исследованиями Максвелла и Больцмана, заслуженно по признанными основой науки о молекулах и их движении.
Молекулярно-кинетической теория, созданная и развитая именно в XIX в, стала основой для многих современных исследований в физике и физической химии. Статистические методы, развитые именно в середине XIX века, широко применяются и сегодня в статистической физике. Статистической физикой, напомним, называют раздел физической науки, в котором рассматриваются системы, состоящих из крайне большого числа составных частиц (атомов, молекул, ионов, электронов), а также макроскопические свойства этих систем через свойства составных частиц и взаимодействие между этими частицами.



















СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Больцман Л. Лекции по теории газов.- М.: ГИТТЛ, 1953.
2. История химии перевод с итальянского д.х.н. Г.В.Быкова Автор: Микеле Джуа М.: Издательство "Мир", 1975.




1