Молекулярная физика и термодинамика
1 Основные понятия и определения. Уравнение состояния идеального газа
1.1 Предмет и метод молекулярной физики и термодинамики Статистические и термодинамические методы исследования
Молекулярная физика представляет собой раздел физики, в котором изучаются свойства веществ в зависимости от внутреннего строения, взаимодействия между частицами веществ и характера их движения.
Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ):
а) все тела (жидкие, твердые, газообразные) состоят из большого числа молекул (атом можно считать одноатомной молекулой).
б) молекулы вещества находятся в состоянии беспрерывного хаотического движения.
в) интенсивность движения частиц зависит от температуры вещества.
Основные положения МКТ были заложены Ломоносовым М.В. в 40 – х годах 18 столетия. Во второй половине 19 столетия МКТ получила всестороннее развитие и применение во многих областях физики и химии благодаря работам таких выдающихся физиков как Джоуль, Клаузиус, Максвелл, Больцман и др.
МКТ
объясняет свойства тел, непосредственно
наблюдаемые на опыте (
,
так
называемые макроскопические параметры)
как результат действия огромного числа
молекул вещества. При этом она пользуется
статистическим методом, основанным на
теории вероятности и определенных
моделях строения изучаемых систем. В
поведении большого числа частиц
проявляются особые статистические
закономерности. Например, в газе можно
определить средние значения скорости
теплового движения молекул и их энергий,
однозначно связанных с их температурами
или найти зависимость от Т средней
энергии колебательного движения молекул
в твердом теле. Раздел физики, в котором
изучаются физические свойства макросистем
с помощью статистического метода,
называется статистической физикой. Это
другое название молекулярной физики.
Изучением различных свойств тел и изменений агрегатных состояний вещества занимается также термодинамика (т-ка). Однако, она не рассматривает внутреннее строение изучаемых тел и характер движения их частиц. Ее метод основан на анализе условий и количественных соотношений при различных превращениях энергии, происходящих в системе. В основе т-ки лежит несколько фундаментальных законов (начал т-ки), установленных на основе большого числа опытных фактов. Поэтому выводы т-ки имеют весьма общий характер.
Молекулярная физики и термодинамика при рассмотрении изменения состояния вещества с разных позиций взаимно дополняют и обогащают друг друга.
1.2 Термодинамические системы. Термодинамические параметры и процессы
Макросистема, рассматриваемая методами термодинамики, называется термодинамической (т.) системой. Это может быть, например, жидкость и пар, находящийся с ней в равновесии. Система может быть открытой или закрытой (в зависимости от того, обменивается ли она веществом с окружающими телами), изолированной (если нет обмена энергией с внешними телами).
Т.
система может находиться в различных
состояниях, отличающихся физическими
величинами
,
называемых т. параметрами состояния.
Состоянию газа отвечают также определенная
масса и химический состав вещества.
Если
параметры т. системы неизменны во времени
и в системе отсутствуют потоки энергии
и вещества, такое состояние т. системы
называют равновесным. В такое состояние
придет тело, если его изолировать от
других тел и предоставить самому себе.
Все его т. параметры (
и
др.) через некоторое время примут
одинаковые для всех точек тела значения
– тело перейдет в равновесное состояние.
Процесс
перехода системы из равновесного
состояния в неравновесное (или наоборот)
называется релаксацией. Время, в течение
которого физическая величина, возвращаясь
в равновесное состояние, изменяется в
раз,
называется характеристическим временем
релаксации.
В равновесном положении система может находиться сколь угодно долго. Оно может быть изображено точкой на координатной плоскости, образованной какими-либо двумя параметрами состояния. Неравновесное состояние не может быть изображено точкой, т.к., хотя бы один параметр системы не будет иметь определенное значение для всего его объема.
При переходе из одного т. состояния системы в другое равновесие нарушается, значит, система проходит через последовательность неравновесных состояний. Нарушение равновесия тем сильней, чем быстрее проходит процесс перехода. Следовательно, при очень медленном переходе состояние системы в каждый момент является квазиравновесным. Значит, бесконечно медленный процесс перехода будет состоять из последовательности равновесных состояний. Такой процесс называется равновесным или квазистатическим.
Равновесный т. процесс может быть проведен в обратном направлении, при этом система будет проходить через те же состояния, что и при прямом переходе, но в обратной последовательности. Поэтому, равновесные процессы называют также обратимыми. Они могут быть изображены на координатной плоскости линией.
Процесс, при котором т. система после ряда изменений возвращается в исходное состояние, называется круговым процессом или циклом. Его графиком является замкнутая линия.
Все количественные выводы термодинамики применимы только к равновесным состояниям и обратимым процессам.
Т. процессом называют всякое изменение параметров т. системы. Простейшими из них являются: изотермический, изохорный, изобарный и адиабатный.