8. Các chữ viết tắt trong đề tài
2.4.1.3. Các mô hình đầu tiên Các khái niệm và đại lượng
Trang 40
Trong quá trình tìm cách giải thích các định luật thực nghiệm về chất khí người ta đã xây dựng những mô hình đầu tiên của thuyết động học phân tử.
Đầu tiên Boyle xây dựng mô hình tĩnh học của chất khí. Theo ông chất khí là do những hạt vật chất hình cầu rất nhỏ tạo thành. Chúng có bản chất tĩnh và đàn hồi như cao su. Khi bị nén chúng biến dạng, giảm thể tích. Khi thôi bị nén chúng giãn ra lấy lại thể tích ban đầu.
Mô hình tĩnh này được các nhà khoa học thời đó thừa nhận và sử dụng trong gần một thế kỷ. Tuy nhiên mô hình này không thể dùng để giải thích hàng loạt các hiện tượng khác về chất khí. Ví dụ nó không thể giải thích được tại sao khi mở nút bình đựng khí, chất khí có thể tự giãn nở, chiếm một khoảng không gian rất rộng trong một thời gian rất ngắn mặt dù không tăng nhiệt độ.
Mãi đến năm 1743, Bernoulli (Bec nuli) mới dựa trên những thành tựu của cơ học Newton kết hợp với quan điểm hạt về cấu tạo vật chất, xây dựng mô hình động học của chất khí, giải thích thành công định luật thực nghiệm Boyle-Mariotte. Bernoulli cho rằng chất khí được cấu tạo bởi những hạt vật chất chuyển động hỗn loạn không ngừng. Để giải thích tính chất của chất khí ông dùng thí nghiệm tưởng tượng sau : trong xi lanh EFCD có chứa một lượng khí xác định, được đóng kín bằng pittông EF có thể chuyển động tự do. Trên xi lanh đặt một vật trong P. Trong không gian EFCD các hạt khí chuyển động đều và rất nhanh về mọi phía. Một số hạt từ phía dưới lên va chạm vào pittông giữ cho pittông không rơi xuống. Muốn có trạng thái cân bằng thì tác dụng bắn phá liên tục của một số rất nhiều hạt lên pittông phải cân bằng với tác dụng của trọng lực pittông và gia trọng. Khi tăng trọng lượng của P thì thể tích V của chất khí phải giảm để cho áp suất chất khí tăng. Theo Bernoulli áp suất này tăng vì hai nguyên nhân : do mật độ hạt tăng và do mỗi hạt va chạm nhiều hơn với pittông.
Dựa trên những nguyên nhân trên và áp dụng các định luật cơ học của Newton vào chuyển động và tác dụng của các hạt, Bernoulli đã tìm ra công thức của định luật Boyle-Mariotte.
Mô hình động học của Bernoulli là một bước tiến lớn so với mô hình tĩnh học của Boyle. Tuy nhiên trong lý thuyết của Bernoulli chưa thấy xuất hiện các đại lượng đặc trưng cho chính các hạt khí và chuyển động của chúng. Do đó không thể mở rộng phạm vi vận dụng của lý thuyết vào các lĩnh vực khác có liên quan đến chuyển động của chất khí.
Trong lịch sử phát triển của vật lý mô hình Bernoulli đã bị lãng quên hàng thế kỷ. Mãi đến giữa thế kỷ 19 nó mới được Kronig ( Krônic), Clausius (Claudiut) bổ sung và dùng làm cơ sở để xây dựng thuyết động học phân tử và chất khí.
Những mô hình phân tử đầu tiên của thuyết động học phân tử được hiểu là những quả cầu nhỏ, rắn, đàn hồi tuyệt đối.
Trong chất khí các phân tử ở rất xa nhau, lực tương tác giữa chúng rất yếu, chúng chuyển động hỗn loạn cả về hướng, dạng chuyển động và vận tốc.
Trong chất rắn, các “phân tử” phân bố rất gần nhau và sắp xếp thành mạng không gian vững chắc là mạng tinh thể. Các phân tử chất rắn dao động hỗn loạn xung quanh những vị trí cân bằng xác định.
Trạng thái lỏng là trạng thái trung gian giữa trạng thái rắn và trạng thái khí. Ở nhiệt độ bình thường xét về cấu trúc chất lỏng giống chất rắn hơn là chất khí. Các phân tử lỏng cũng dao động xung quanh những vị trí cân bằng xác định, nhưng không định cư lâu ở những vị trí này. Sau những khoảng thời gian cỡ 10-10 giây, các phân tử chất lỏng lại tịnh tiến khỏi vị trí cân bằng.
Như vậy tới đây, sự tồn tại của các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng đã được khẳng định, mô hình cấu trúc vật chất đã được xây dựng. Những khái niệm cơ bản đặc trưng cho phân tử, chuyển động và tương tác giữa chúng như khối lượng phân tử, vận tốc phân tử, lực tương tác phân
Trang 41
tử, thế năng tương tác phân tử, quãng đường tự do trung bình của phân tử… đã được hình thành. Một số định luật thực nghiệm quan trọng đã được phát hiện. Trên những cơ sở đó, toàn bộ tòa lâu đài, của thuyết động học phân tử đã xây dựng lên.