Основы молекулярной физики и термодинамика
Молекулярная физика Лекция 8
•Молекулярная физика – раздел физики, в котором изучаются физические и физико- химические свойства макроскопических тел в различных агрегатных состояниях, исходя из молекулярно-кинетических представлений об их строении.
•Молекулярная физика основывается на трех основных положениях:
•Все макроскопические тела состоят из очень большого числа частиц – молекул (атомов);
•Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловое движение);
•Молекулы взаимодействуют друг с другом, притягиваясь на больших и отталкиваясь на малых расстояниях.
Броуновское движение
•Это тепловое движение мельчайших микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе. Оно было открыто английским ботаником Р. Броуном (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. Теория броуновского движения была создана А. Эйнштейном (1905 г.).
•Разделами молекулярной физики являются:
•физика газов,
•физика жидкостей,
•физика твердых тел,
•физика конденсированных систем (полимеры, жидкие кристаллы, наночастицы и др.).
•В них рассматриваются: строение вещества в различных агрегатных состояниях и его изменение под влиянием внешних факторов (давления, температуры, электрических и магнитных полей), поведение вещества в экстремальных условиях, релаксационные процессы, фазовые переходы (конденсация, кристаллизация, испарение, плавление и др.), явления переноса (диффузия, теплопроводность, вязкость),
критическое состояние вещества, поверхностные явления на границе раздела фаз.
•Термодинамика – это наука о тепловых явлениях.
•В противоположность молекулярно- кинетической теории, которая делает выводы на основе представлений о молекулярном строении вещества, термодинамика исходит из наиболее общих закономерностей тепловых процессов и свойств макроскопических систем.
•Выводы термодинамики опираются на совокупность опытных фактов и не зависят от наших знаний о внутреннем устройстве вещества, хотя в целом ряде случаев термодинамика использует молекулярно- кинетические модели для иллюстрации своих выводов.
•Общим для всех разделов молекулярной физики является теоретический подход, основанный на применении феноменологического (термодинамического) и статистического (молекулярного) методов исследования.
•Хотя эти методы качественно различны, они тесно связаны и взаимно дополняют друг друга.
•Термодинамический метод основан на началах термодинамики, имеющих общий характер и не
использующих представления о молекулярном строении вещества.
•Молекулярно-кинетический подход подразумевает рассмотрение конкретной молекулярной модели вещества.
•Несмотря на внешние различия этих методов, они внутренне связаны между собой, поскольку все выводы, полученные из рассмотрения частных молекулярных моделей, должны согласовываться с общими выводами термодинамики.
•Атомы и молекулы, взаимодействуют друг с другом, образуют разнообразные вещества (системы).
•Если число частиц невелико (десятки, сотни), то мы имеем микросистему.
•Если число частиц системы во много раз больше (миллионы и более), то такую систему называют
макросистемой. Например, газ, состоящий из очень большого числа молекул — это макросистема.
•Большое число частиц системы приводит к появлению у нее новых свойств, которыми отдельные частицы не обладают. Например, давление газа есть результат непрерывного действия всех молекул на стенки сосуда, хотя не каждая молекула сталкивается со стенками.
•Для описания состояния макросистемы вводят параметры, которые называются параметрами состояния.
•Различают микропараметры и макропараметры
состояния.
•Микропараметры — это параметры, характеризующие отдельную частицу. Например, масса молекулы, ее скорость, энергия.
•Макропараметры — это параметры, характеризующие систему в целом. Например, объем V, давление p, средняя скорость молекул , температура T, концентрация n и т.д. Значения этих параметров могут быть установлены с помощью измерительных приборов.
•Объем газа V — это объем сосуда, в котором газ находится. В СИ измеряется в м3. Часто используется несистемная единица измерения 1 литр: 1 л = 10-3 м3.
•Давление р — скалярная физическая величина, равная отношению силы F к значению площади S площадки, на которую эта сила действует.
•Газ оказывает давление вследствие столкновений молекул со стенками сосуда. В СИ единица давления 1 Н/м2 = 1 Па (Паскаль).
•Внесистемные единицы измерения — 1 мм.рт.ст и 1 атмосфера.
•Нормальное давление равно одной физической атмосфере.
•1 физическая атмосфера = 1 атм = 760 мм.рт.ст.
•1 мм.рт.ст. = 133 Па.
•Температура — скалярная физическая величина вводится для количественной характеристики внутренней энергии тела. Опыт показывает, что она характеризует состояние теплового равновесия тела.
•По шкале Цельсия температура обозначается буквой t, измеряется в градусах Цельсия (°С). За 1 °С принята одна сотая промежутка от температуры плавления льда (0 °С) до температуры кипения воды (100 °С).
•Абсолютная температурная шкала — шкала температур, в которой за начало отсчета принят абсолютный нуль. Температура здесь обозначается буквой T, измеряется в
кельвинах (К). За единицу измерения в этой шкале принят один градус Цельсия, т.е. изменение на один кельвин (1 К) равно изменению на один градус Цельсия.
•T = (t + 273) К или t = (T – 273) °С,
•где T — абсолютная термодинамическая температура (К); t
— температура по шкале Цельсия (°С).
