15) Предмет молекулярной физики и термодинамики. Термодинамические параметры системы. Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа.

Молекулярная физика – раздел курса общей физики, в котором изучаются макроскопические свойства вещества, обусловленные его молекулярным строением, характером движения молекул и силами, действующими между ними.

В основе молекулярной физики лежит установленное на опыте утверждение: в каком бы состоянии не находилось вещество (твердом, жидком, газообразном), составляющие его молекулы находятся в непрерывном хаотическом (непредсказуемом) движении, которое называют тепловым. Хотя движение любой молекулы вещества подчиняется законам механики, описать движение каждой молекулы из большой совокупности (к примеру, в 1м³ воздуха при нормальных условиях находится 2,7•10²⁵молекул) практически невозможно. В связи с этим в молекулярной физике разработано два взаимно дополняющих друг друга теоретических метода – статистический и термодинамический.

В статистическом методе микроскопические величины, характеризующие движение молекулы (к примеру, ее импульс в данный момент времени), являются непредсказуемыми, случайными. Для построения теории создается гипотетическая модель механизма молекулярного движения и пространственного строения вещества. Затем в этой модели разрабатываются методы нахождения плотности вероятностей тех или иных величин, зная которые вычисляют средние значения этих величин.

В термодинамическом методе исследования вещества, в отличие от статистического, не вводятся в рассмотрение какие-либо модельные представления об атомно-молекулярном строении тела, а ставится своей задачей установление зависимости между непосредственно наблюдаемыми макроскопическими (измеряемыми в опыте) величинами, такими как давление, температура, объем, концентрация, напряженность электрического или магнитного поля и т. п. Термодинамика как теоретическая дисциплина строится на трех фундаментальных законах (началах), установленных на основании огромного опытного знания, относящегося к поведению макроскопических систем. Выводы термодинамики имеют весьма общий характер, независимый от выбора гипотетической модели структуры вещества, независимо от характера движения молекул, взаимодействия между ними. Результаты, получаемые в статистической теории, существенным образом зависят от выбора этой гипотетической модели. Недостатком термодинамического метода является невозможность с помощью его вскрыть молекулярную сущность изучаемых явлений.

Термодинамика ничего не говорит о механизме происходящих в веществе микропроцессов, а только устанавливает связь между макроскопическими характеристиками вещества. Поэтому в настоящее время в молекулярной физике при исследовании макроскопических свойств вещества разрабатываются оба подхода: статистический и термодинамический. Эти исследования взаимно дополняют друг друга, так как у них один и тот же объект исследования – система, состоящая из многих молекул, и одна и та же цель – нахождение зависимостей между макроскопическими величинами системы частиц.

Термодинамические параметры состояния тела

Втермодинамике имеют дело с термодинамическими системами. Под термодинамическойсистемой подразумевается любое конечных размеров макротело или совокупностьмакротел. Под макротелом имеется в виду тело, размеры которого велики посравнению с атомными размерами и которое состоит из огромного числамикрочастиц.

Вотличие от состояния механической системы, определяемого совокупностьюкоординат и скоростей тел, входящих в нее, состояние термодинамической системыопределяется набором значений термодинамических параметров, т.е. физическихвеличин, характеризующих свойства системы в целом. Некоторые из этих величин,как, например, давление и температура, не применимы к микрочастицам, из которыхсостоит термодинамическая система. Термодинамические параметры являютсямакровеличинами, т.е. такими величинами, которые могут быть либонепосредственно измерены с помощью приборов, либо выражены через другие,непосредственно измеряемые на опыте величины. Число параметров, определяющихсостояние системы, зависит от рода системы и внешних воздействий. Состояниепростейших термодинамических систем (однородных газов и жидкостей, неподверженных действию каких-либо полей) определяется давлением, объемом итемпературой.

Идеальный газ — математическая модель газа, в которой предполагается, что потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями. Различают классический идеальный газ (его свойства выводятся из законов классической механики и описываются статистикой Больцмана) и квантовый идеальный газ (свойства определяются законами квантовой механики, описываются статистиками Ферми — Дирака или Бозе — Эйнштейна).

Уравнение состояния идеального газа (иногда уравнение Клапейрона или уравнение Клапейрона — Менделеева) — формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. Уравнение имеет вид:

, где

•  — давление,

•  — молярный объём,

•  — универсальная газовая постоянная

•  — абсолютная температура,К.

16) Основное уравнение молекулярно- кинетической теории идеального газа для давления. Следствия из основного уравнения молекулярно-кинетической теории. Молекулярно кинетическое толкование абсолютной температуры.

Основное уравнение МКТ

, где k является постоянной Больцмана (отношение универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро N_A), i — число степеней свободы молекул (i = 3 в большинстве задач про идеальные газы, где молекулы предполагаются сферами малого радиуса, физическим аналогом которых могут служить инертные газы), а T - абсолютная температура.

Основное уравнение МКТ связывает макроскопические параметры (давление, объём, температура) газовой системы с микроскопическими (масса молекул, средняя скорость их движения).

Давле́ние (P) — физическая величина, равная силе F, действующей на единицу площади поверхности S перпендикулярно этой поверхности. В данной точке давление определяется как отношение нормальной составляющей силы F_n, действующей на малый элемент поверхности, к его площади:

Среднее давление по всей поверхности есть отношение силы к площади поверхности:

 С точки зрения молекулярно-кинетической теории абсолютная температура есть величина, пропорциональная средней энергии поступательного движения молекулы. < _пост>=3/2kT.

17)Скорости газовых молекул. Распределение молекул газа по скоростям. Закон Максвелла. Наиболее вероятная, средняя квадратичная и средняя арифметическая скорости молекул.

Скорости газовых молекул (3.3. Распределение Максвелла)

Молекулы газа при своем движении постоянно сталкиваются. Скорость каждой молекулы при столкновении изменяется. Она может возрастать и убывать. Однако среднеквадратичная скорость остается неизменной. Это объясняется тем, что в газе, находящемся при определенной температуре, устанавливается некоторое стационарное, не меняющееся со временем распределение молекул по скоростям, которое подчиняется определенному статистическому закону. Скорость отдельной молекулы с течением времени может меняться, однако доля молекул со скоростями в некотором интервале скоростей остается неизменной.

Нельзя ставить вопрос: сколько молекул обладает определенной скоростью. Дело в том, что, хоть число молекул очень велико в любом даже малом объеме, но количество значений скорости сколь угодно велико (как чисел в последовательном ряде), и может случиться, что ни одна молекула не обладает заданной скоростью.

Рис. 3.3

Задачу о распределении молекул по скоростям следует сформулировать следующим образом. Пусть в единице объема nмолекул. Какая доля молекул   имеет скорости от v₁ до v₁ + Δv? Это статистическая задача.

Основываясь на опыте Штерна, можно ожидать, что наибольшее число молекул будут иметь какую-то среднюю скорость, а доля быстрых и медленных молекул не очень велика. Необходимые измерения показали, что доля молекул  , отнесенная к интервалу скорости Δv, т.е.  , имеет вид, показанный на рис. 3.3. Максвелл в 1859 г. теоретически на основании теории вероятности определил эту функцию. С тех пор она называется функцией распределения молекул по скоростям или законом Максвелла.

Аналитически она выражается формулой

,

где m – масса молекулы, k – постоянная Больцмана.

Установление этой зависимости позволило определить кроме уже известной среднеквадратичной скорости еще две характерные скорости – среднюю и наиболее вероятную. Средняя скорость – это сумма скоростей всех молекул, деленная на общее число всех молекул в единице объема.

Средняя скорость, подсчитанная на основании закона Максвелла, выражается формулой

или

.

Наиболее вероятная скорость – это скорость, вблизи которой на единичный интервал скоростей приходится наибольшее число молекул. Она рассчитывается по формуле:

.

Сопоставляя все три скорости:

1) наиболее вероятную  ,

2) среднюю  ,

3) среднюю квадратичную  , – видим, что наименьшей из них является наиболее вероятная, а наибольшей – средняя квадратичная. Относительное число быстрых и медленных молекул мало (рис. 3.4).

Рис. 3.4

При изменении температуры газа будут изменяться скорости движения всех молекул, а, следовательно, и наиболее вероятная скорость. Поэтому максимум кривой будет смещаться вправо при повышении температуры и влево при понижении температуры. Высота максимума не будет оставаться постоянной. Дело в том, что площадь заштрихованной фигуры численно равна доле   общего числа молекул n, которую образуют молекулы со скоростями в указанном интервале. Общая площадь, ограниченная кривой распределения и осью абсцисс (скоростей), таким образом, равна единице и не меняется при изменении температуры (рис. 3.5). Поэтому высота максимума и меняется при изменении температуры.

Рис. 3.5

Кривые распределения молекул по скоростям начинаются в начале координат, асимптотически приближаются к оси абсцисс при бесконечно больших скоростях. Слева от максимума кривые идут круче, чем справа. То, что кривая распределения начинается в начале координат, означает, что неподвижных молекул в газе нет. Из того, что кривая асимптотически приближается к оси абсцисс при бесконечно больших скоростях, следует, что молекул с очень большими скоростями мало. Это легко объяснимо. Для того чтобы молекула могла приобрести при столкновениях очень большую скорость, ей необходимо получить подряд много таких столкновений, при которых она получает энергию, и ни одного столкновения, при котором она ее теряет. А такая ситуация маловероятна.

Закон МАКСВЕЛЛА.

Для газа, находящегося в замкнутом сосуде, результатом многочисленных столкновений молекул между собой и со стенками сосуда, является достаточно быстрое установление универсального распределения молекул по скоростям, которое было теоретически получено Максвеллом в 1860.

На уровне макроскопического описания газамаксвелловскому распределению молекул по скоростям соответствует состояние теплового равновесия в газе: давление и температура во всех местах внутри сосуда оказываются одинаковыми.

В газе, находящемся в состоянии равновесия, установится некоторое стационарное (не меняющееся со временем) распределение молекул по скоростям, которое подчиняется вполне определенному статистическому закону.

Такой закон был теоретически выведен Максвеллом в 1859 г. и был опубликован в 1860 г.                    

                       

МАКСВЕЛЛ, Джеймс Клерк ( 1831 - 1879 )           

                                

 Молекулы газа даже в равновесии движутся беспорядочно, сталкиваясь между собой и со стенкой сосуда, беспрерывно меняя свою скорость. Это означает, что в каждый момент времени в газе есть молекулы, которые имеют самые различные скорости. Вместе с тем, поскольку давление и температура в газе остаются постоянными, то, как бы не менялась скорость молекул, среднее значение ее квадрата остается постоянным. Это оказывается возможным лишь при наличии неизменного во времени и одинакового во всех частях сосуда распределения молекул по скоростям.    

  При выводе этого закона Максвелл предполагал, что газ состоит из очень большого числа N тождественных молекул, находящихся в состоянии беспорядочного теплового движения при одинаковой температуре. Предполагалось также, что внешние поля на газ не действуют. Закон Максвелла описывается некоторой функцией f(v), называемой функцией распределения молекул по скоростям.

 

Сpедняя скоpость опpеделяется фоpмулой