分子運動論(又稱氣體動理論或分子動理論)是描述氣體為大量做永不停息的隨機運動的粒子(原子或分子,物理學上一般不加區分,都稱作分子)。
簡介
快速運動的分子不斷地碰撞其他分子或容器的壁。分子動理論就是通過分子組分和運動來解釋氣體的宏觀性質,如壓強、溫度、體積等。分子動理論認為,壓強不是如艾薩克·牛頓猜想的那樣,來自分子之間的靜態排斥,而是來自以不同速度做熱運動的分子之間的碰撞。分子太小而不能直接看到。顯微鏡下花粉顆粒或塵埃粒子做的無規則運動——布朗運動,便是分子碰撞的直接結果。這可以作為分子存在的證據。
理論假設
理想氣體動理論建立在如下假設之上:
??氣體由大量小粒子組成,這些小粒子稱之為分子。分子之間的距離遠遠大于自身的大小。
??所有分子都具有相同的質量。
??分子數量巨大,可以進行統計處理。
??分子做著不息的快速的隨機運動。
??分子不斷彼此碰撞,或與容器器壁進行碰撞,這些碰撞都是彈性碰撞。
??除了碰撞之外,分子之間的相互作用可以忽略。
??氣體分子平均平動動能只依賴于系統溫度。
??分子與容器器壁的碰撞時間遠遠小于兩次碰撞間隔時間。
??分子具有質量,會受到萬有引力的影響。
分子動理學的現代理論建立在路德維?!げ柶澛?/a>方程的基礎之上,對以上假設有所放寬,并將分子體積考慮進去,因此可以精確描述稠密氣體。分子動理學的現代理論仍然要考慮的假設有,分子混沌性假設,忽略量子效應。如果氣體比較稠密,本體性質只有小的梯度,可以應用維里展開的方法研究,這方面的理論參見查普曼和恩斯克格的專著。對于稀薄氣體,本體性質的梯度與分子的平均自由程相比較,這種情況叫克努森區,可以對克努森數展開來研究。
發展過程
人類早在公元前5世紀就開始思考物質的結構問題。古希臘時期著名的樸素唯物主義哲學家德謨克利特就提出,物質是由不可分的原子構成的。這種思想在數個世紀都深刻的影響著人們的世界觀。17世紀科學革命以來,自然科學得到了突飛猛進的進步,特別是熱力學的突破性發展,使人們重新思考物質的結構問題。皮埃爾·伽桑狄、羅伯特·胡克、雅各布·伯努利等科學家的研究表明,物質的液體、固體、氣體三種狀態的轉變是因為分子之間作用的結果,特別是氣體的壓力源于氣體分子與器壁碰撞,從而導出了玻意耳-馬略特定律。
1738年,丹尼爾·伯努利發表著作《流體力學》,為氣體動理論的基礎。在這一著作中,伯努利提出,氣體是由大量向各個方向運動的分子組成的,分子對表面的碰撞就是氣壓的成因,熱就是分子運動的動能。但是,伯努利的觀點并沒有被立即接受,部分原因是,能量守恒定律當時還沒有建立,分子之間為彈性碰撞也不是那么顯而易見。1744年米哈伊爾·羅蒙諾索夫第一次明確提出熱現象是分子無規則運動的表現,并把機械能守恒定律應用到了分子運動的熱現象中。1856年,奧古斯特·克羅尼格提出了一個簡單的氣體動理論,他只考慮了分子的平動。1857年,魯道夫·克勞修斯提出一個更復雜的氣體動理論,除了分子的平動,他還考慮了分子的轉動和振動。他還引入了平均自由程的概念。1859年,詹姆斯·麥克斯韋在克勞修斯工作的基礎上,提出了分子麥克斯韋速度分布率。這是物理學史上第一個統計定律。1871年,路德維?!げ柶澛?/a>推廣了麥克斯韋的工作,提出了詹姆斯·麥克斯韋玻爾茲曼分布。
直到20世紀初,很多物理學家仍然認為原子只是假想,并非實在的。直到1905年阿爾伯特·愛因斯坦和1906年馬利安·斯莫魯霍夫斯基關于布朗運動的論文發表之后,物理學家才放棄此想法。他們的論文給出了分子動理論的準確預言。
意義
分子運動論使人類正確認識到了物質的結構組成和運動的一般規律,成功解釋了諸如布朗運動等現象,并成為物理學中其他理論,甚至很多其他學科的理論基礎。
參考資料 >