Лекція 8

2. Основи молекулярної фізики і термодинаміки

1. Молекулярно-кінетична теорія ідеального газу

   1. Основні положення молекулярно-кінетичної теорії

Молекулярна фізика і термодинаміка – розділ фізики, який вивчає фізичні властивості макроскопічних систем, побудованих з величезної кількості частинок, і макроскопічні процеси, які відбуваються у цих системах. Макроскопічні системи – це, власне, фізичні тіла, побудовані з молекул та атомів, а до макроскопічних процесів належать процеси теплообміну, зміни агрегатного стану речовини, процеси теплового розширення та стискання і т.ін.

Молекулярна фізика вивчає властивості фізичних тіл і процеси, які відбуваються з ними, виходячи з молекулярно-кінетичної теорії будови речовини.

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії (МКТ) такі:

• усі тіла складаються з мікрочастинок – молекул і атомів;

• молекули й атоми речовини завжди знаходяться у стані безперервного хаотичного теплового руху;

• між частинками будь-якої речовини існують сили взаємодії – притягання і відштовхування – електромагнітної природи.

Молекулами називаються найменші частинки речовини, які зберігають її хімічні властивості. Молекула, у свою чергу, побудована з одного або декількох атомів одного чи різних хімічних елементів. Розмір молекули й атома d~10^-10 м.

Основні положення МКТ підтверджуються явищами броунівського руху частинок, дифузії, особливостями будови і різницею властивостей газів, рідин, твердих тіл та іншими явищами. Дослідні дані, які лежать в основі МКТ, наочно доводять молекулярну будову речовини, наявність молекулярного руху і залежності цього руху від температури. Для пояснення теплових процесів, які безпосередньо пов’язані з будовою речовини, необхідно встановити закони, які описують зміни, що відбуваються з тілами під дією теплоти.

2. Статистичний і термодинамічний методи

Оскільки молекулярно-кінетичні уявлення засновані на тому, що будь-яке макроскопічне тіло побудоване з величезної кількості молекул, які знаходяться у безперервному хаотичному русі, методи механіки непридатні для опису теплових явищ, зумовлених спільним рухом цих молекул. Тому для опису руху цієї величезної кількості молекул, щоб отримати макроскопічні властивості речовини, використовується статистичний метод, заснований на застосуванні методів теорії ймовірності та математичної статистики до конкретних моделей будови тіл, що вивчаються. Цей метод і лежить в основі молекулярної фізики.

Термодинаміка, на відміну від молекулярної фізики, вивчає макроскопічні характеристики речовини, не використовуючи в явному вигляді уявлення про її молекулярну будову. Термодинамічний метод дослідження фізичних властивостей речовини заснований на аналізі переходу енергії з одного виду в іншій у фізичних процесах, які відбуваються з макроскопічними тілами. При цьому термодинаміка спирається на два основні закони (перший і другий закони термодинаміки), які встановлені дослідним шляхом. Термодинамічний метод використовують для аналізу загальних закономірностей у різноманітних теплових явищах. Термодинаміка як розділ фізики виникла у ХІХ столітті у зв’язку з потребами теплотехніки після винаходу парового двигуна, а потім парової турбіни й двигуна внутрішнього згоряння.

Молекулярна фізика і термодинаміка, відрізняючись у методах, взаємно доповнюють одна одну, тому й вивчаються разом як завершені та сформовані розділи класичної фізики.