Введение

Молекулярная физика представляет собой раздел физики, изучающий строение и свойства вещества, беспорядочное движение большого числа молекул, то есть изучает основные законы теплового движения материи. Существует два подхода к изучению макроскопических систем: статистический и термодинамический. Поэтому молекулярная физика делится на две большие части - молекулярно- кинетическую теорию (МКТ) и термодинамику (ТД).

Цель МКТ - истолковать свойства тел как результат взаимодействия молекул, используя статистические методы, оперирующие средними величинами, характеризующими движение огромной совокупности частиц. Этот раздел наиболее труден для усвоения и не имеет существенной школьной базы. Поэтому в данном пособии основным понятиям теории вероятностей, необходимым для понимания физических явлений и законов, уделяется достаточное внимание.

ТД занимается изучением различных свойств тел и изменений состояния вещества без учета микроскопической картины. В основе ТД лежат несколько фундаментальных законов (начал), установленных на основании обобщения большой совокупности опытных данных.

МКТ и ТД позволяют глубоко изучить и понять многие явления природы.

1. Предмет молекулярной физики

Молекулярная физика изучает физические свойства макроскопических систем. Предметом её изучения являются молекулярные формы движения больших совокупностей молекул.

Системой называют конечную область пространства с находящимися в ней физическими объектами исследования.

Граница системы может быть как материальной (стенки сосуда), так и воображаемой; неподвижной или движущейся; проницаемой или непроницаемой. Система характеризуется не только особенностями своей границы, но и физическими или химическими свойствами вещества, находящегося в занимаемой системой области пространства [5].

Макроскопическими системами называют системы, содержащие большое количество физических объектов. Термодинамические макроскопические системы содержат большое количество молекул (атомов, ионов). Различают разные виды термодинамических систем (ТС): закрытые, открытые, адиабатные и изолированные [1-5].

Закрытые ТС это системы, не обменивающиеся веществом с другими системами.

Открытые ТС это системы, обменивающиеся веществом и энергией с другими системами.

Адиабатные ТС это системы, в которых нет теплообмена с другими системами.

Изолированные ТС это системы, не обменивающиеся с другими системами ни энергией, ни веществом.

Для описания макросистем в молекулярной физике используют основные параметры состояния – температуру, давление, объём. Любое теоретическое описание реальных систем возможно только на основе той или иной модели, в которой учитывают определённые особенные свойства, а второстепенными пренебрегают. В молекулярной физике рассматривают следующие основные модели: идеальный газ, реальный газ, идеальная жидкость, реальная жидкость, твердое тело, плазма.

Макросистемы могут находиться в равновесном и неравновесном состоянии.

Равновесными состояниями называют такие, при которых макроскопические величины, описывающие поведение изолированной системы, остаются неизменными во времени и одинаковыми в пространстве.

В неравновесном состоянии макровеличины, характеризующие состояние системы, изменяются в пространстве и во времени, при этом в системе возникают потоки вещества и энергии (явления переноса).

Неравновесные состояния сложных систем изучают, используя методы физической кинетики.

Макроскопические системы могут быть линейными и нелинейными. В слабо неравновесных состояниях, где градиенты величин малы, переносимые потоки и силы, вызывающие их, линейно зависят от градиентов. В сильно неравновесных состояниях, где градиенты величин велики, потоки являются более сложными функциями градиентов [2,4].

При изучении состояния систем используют термодинамический и статистический подходы [1-4].

Термодинамический подход. Систему рассматривают без учета её внутренней структуры. При этом используют понятия и величины, относящиеся к системе в целом. Например, идеальный газ в состоянии равновесия характеризуют объёмом, давлением и температурой (V, P и T). Экспериментально устанавливают связь между этими величинами. Для термодинамического подхода характерно использование термодинамических потенциалов (см. Гл.4) для описания систем, находящихся в равновесном или слабо неравновесном состоянии. Для сильно неравновесных нелинейных систем описание состояния через потенциалы невозможно.

Статистический подход. Динамическое описание системы, содержащей большое число частиц, невозможно (см. литературу [1,2]). Для изучения макросистем применяют статистические методы, использующие понятия и величины, относящиеся не к отдельным частицам, а к большим совокупностям частиц. Законы поведения совокупностей большого числа частиц, использующие статистические методы, называются статистическими закономерностями. Эти закономерности, как и величины, описывающие состояние системы, зависят от того, в каком состоянии находится система: равновесном или неравновесном.

Задания:

• Составьте расширенную схему (или таблицу) «Макроскопические системы».

• Составьте расширенную схему (или таблицу) «Методы изучения макросистем».

Схемы и таблицы делайте в отдельной тетради.