КХ Лекция №9 Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем

1. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем

Лекция 9
Молекулярно-кинетические свойства
дисперсных систем
ДОЦЕНТ КАФЕДРЫ НАНОРАЗМЕРНЫХ СИСТЕМ И ПОВЕРХНОСТНЫХ
ЯВЛЕНИЙ ИМЕНИ С.С.ВОЮЦКОГО, К. Х. Н. О.А. ДУЛИНА

2. Введение

Молекулярно-кинетическая теория изучает законы самопроизвольного движения
молекул и частиц.
Причины самопроизвольного движения частиц:
• тепловое движение молекул окружающей среды;
• действие сил тяжести.
Тепловое движение на микроуровне проявляется в форме броуновского движения, а
на макроуровне - в форме диффузии или осмоса.
Сила тяжести или центробежная сила является движущей силой при седиментации
частиц.

3. Введение

Коллоидные частицы по размерам занимают промежуточное положение между
грубодисперсными частицами и молекулами. Они доступны для наблюдения, и в
то же время настолько малы, что участвуют в тепловом движении.
Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем описываются теми же
закономерностями, что и молекулярных растворов, но выражены слабее, т.к.
размеры коллоидных частиц больше размеров молекул, а численная концентрация
коллоидных растворов ниже, чем молекулярных.
На молекулярно-кинетических свойствах основаны некоторые методы
определения массы частиц и молекулярной массы полимеров, в частности
ультрацентрифугирование.

4. Броуновское движение

5. Броуновское движение

Природа броуновского движения
В 1827 году английский ботаник Броун наблюдал с помощью микроскопа движение
мелких частиц - спор папоротника, взвешенных в воде. Более крупные частицы
находились в колебательном движении. Колебания и перемещения частиц
ускорялись с уменьшением размера частиц, повышением температуры и не были
связаны с какими-либо внешними условиями. Оказалось, что причиной
броуновского движения являются не внешние факторы, а внутренние, присущие
самой системе.
Схема броуновского движения

6. Броуновское движение

Причина броуновского движения состоит в том, что молекулы среды (жидкости
или газа) сталкиваются с частицей дисперсной фазы, в результате чего она
получает громадное число ударов с разных сторон.
Если частица имеет большие размеры, то число этих ударов так велико, что
вследствие статистического закона импульсы взаимно компенсируются, и
результирующий импульс равен нулю. Такая частица будет неподвижной еще и
потому, что она обладает большой инерционностью и мало чувствительна к ударам
молекул с малой энергией.
Если размер частиц меньше 5⸱10-6 м, то возрастает вероятность того, что число или
интенсивность ударов молекул с одной стороны будет больше, чем с другой.
Результирующая сила вызовет смещение частицы.

7.

Роберт Броун
1773 – 1858
Альберт Эйнштейн
1879 – 1955
Мариан Смолуховский
Луи Жорж Гуи
1854 – 1926
1872 – 1917

8. Общенаучное значение броуновского движения

Теория броуновского движения сыграла значительную роль в науке.
Теоретическое обоснование тепловой природы броуновского движения явилось
доказательством реальности существования молекул, отрицаемых Махом и
Оствальдом. Таким образом, теория броуновского движения склонила чашу весов в
пользу материалистического мировоззрения.
С помощью броуновского движения доказывается статистический характер
второго закона термодинамики.
Когда коллоидная частица самопроизвольно поднимается в броуновском движении,
потенциальная энергия системы возрастает. При опускании частицы вниз за счет
возросшей потенциальной энергии можно совершить работу. Следовательно,
теплота окружающей среды превращается в работу в отсутствие начальной разности
температур, то есть мы приходим к неверному выводу о том, что действует вечный
двигатель второго рода.

9. Общенаучное значение броуновского движения

Ошибочность подобного заключения состоит в том, что подобная схема применима
к отдельной частице, но не применима к множеству частиц.
Согласно теории вероятностей, при большом числе частиц, если одна частица
движется вверх, приводя к увеличению потенциальной энергии, то всегда найдется
другая частица, движущаяся вниз, и потенциальная энергия не изменится.
Таким образом, второе начало термодинамики не применимо к отдельной частице,
так как оно является вероятностным законом. Так броуновское движение привело к
доказательству статистического характера второго закона термодинамики.

10. Средний сдвиг частицы

Эйнштейн создал в 1905 году статистическую теорию броуновского движения.
Основным постулатом этой теории является полная хаотичность движения, то есть
рассмотрение движения частицы как «случайного блуждания» в трех измерениях.
Частица 1020 раз в секунду изменяет направление движения. Истинный путь
движения частицы определить невозможно, но можно определить среднее
расстояние, на которое она смещается.
Для количественных расчетов применяют среднеквадратичное значение проекции
смещения частицы: