Молекулярна фізика і термодинаміка вивчають фізичні властивості макроскопічних тіл, що знаходяться як в рівновісному, так і в нерівновісному стані, і складаються з великої кількості макроскопічних частинок(атомів, іонів...). Молекулярна фізика і термодинаміка розрізняються різними підходами до вивчення явищ, і тому ці розділи фізики взаємодоповнюють один одного.
Молекулярна фізика – область фізики, в якій вивчають фізичні властивості тіл в різних агрегатних станах на прикладі розгляду їх мікроскопічної будови.
Термодинаміка – наука про найбільш загальні властивості макроскопічних фізичних систем, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги; та про процеси переходу між цими станами.
Значення повної і внутрішньої енергії співпадає, тому поняття внутрішньої енергії – одне з основних понять в термодинаміці.
До складу внутрішньої енергії входить енергія різних видів руху і взаємодій одна з одною усіх частинок (атомів, молекул, іонів, електронів та ін.),що утворюють систему, яка розглядається.
Зміна внутрішньої енергії при переході з деякого стану 1 в 2 не залежить від виду процесу переходу, а залежить від початку і кінця стану цієї системи. Наприклад, якщо в результаті якого-небудь процесу система повертається в початковий стан, то повна зміна її внутрішньої енергії чисельно:
.
Наприклад, внутрішня енергія U деякої системи постійної маси m залежить від температури T і об’єму системи V системи:
.
В термодинаміці визначається не абсолютне значення внутрішньої енергії, а лише її зміна в процесах, які розглядаються
Закон розподілу Больцмана
Розглянемо розподіл мікрочастинок за енергіями на прикладі ідеального газу, що знаходяться в полі тяжіння: нехай сили поля напрямлені вздовж осі z.
Рис. 1
Тиск
газу в різних точках вздовж цієї осі
буде різним. Виберемо дві площини
,
причому
.
Ці площини орієнтовані перпендикулярно
до осі z
і знаходяться на відстані dz
одна від одної. Якщо тиск газу на обох
площинах буде чисельно дорівнювати p
i
p+dp,
то різниця тисків dp
чисельно дорівнює сумарній силі, що
діє на частинки газу, що знаходяться в
об’ємі даного паралелепіпеда з основою
S
і висотою dz
відносно до площі даної основи:
,
n – концентрація молекул в даному об’ємі;
- сила,
що діє на 1моль в точці з координатою
z.
Дана сила пов’язана з потенціальною енергією молекули співвідношенням:
.
Таким чином, додатковий тиск dp чисельно дорівнює:
.
Приймаючи температуру ідеального газу у всіх точках однаковою, на основі рівняння Менделєєва-Клайперона, знаходимо, що:
.
Співставляючи два останні рівняння:
.
Проінтегрувавши
і пропотенціювавши даний вираз,
отримаємо:
.
Будова кристалу
Більшість твердих тіл в природі мають кристалічну будову Характерна риса кристалічного стану, що відрізняє його від рідкого і газоподібного стану є наявність анізотропії – залежності ряду фізичних властивостей (механічних, теплових, електричних, оптичних) від напряму. Тіла, властивості яких однакові у всіх напрямках, називаються ізотропними. Ізотропи, окрім газів і, за окремими виключеннями, всіх рідин, також аморфні тверді тіла (які представляють собою переохолоджені рідини). Причиною анізотропії кристалів служить впорядковане розташування частинок (атомів чи молекул), з яких вони складаються. Впорядковане розташування частинок проявляється у правильній зовнішній огранці кристалів. Кристали обмежені плоскими гранями, що перетинаються під деякими, визначеними для кожного даного роду кристалів, кутами. Розколювання кристалів може легше відбуватися по визначеним площинам, що називаються площинами спайності.
Правильність геометричної форми і анізотропія кристалів зазвичай не проявляються, оскільки кристалічні тіла зустрічаються, як правило у вигляді полікристалів – конгломератів багатьох, зрісшихся між собою хаотично орієнтованих дрібних кристалів. В полікристалах анізотропія спостерігається лише в межах кожного окремо взятого кристала, тіло ж вцілому внаслідок хаотичної орієнтації кристалів, анізотропію не виявляє.Створивши спеціальні умови кристалізації з розплаву чи розчину, можна отримати великі одиночні кристали – монокристали будь-якої речовини.
Фаза, фазові переходи
В термодинаміці фазою називають сукупність однорідних, однакових з властивостями частин системи.
При певних умовах різні фази однієї речовини можуть знаходитись в рівновазі одна з одною. Рівновага двох фаз може мати місце лише у певному інтервалі температур, причому кожному значенню температури відповідає певний тиск:
.
Таким чином, стани рівноваги двох фаз зображуються на діаграмі (p,T) лінією p=f(T).
Три фази однієї речовини можуть знаходитись в рівновазі лише при деяких значеннях температури і тиску, яким на діаграмі (p,T) відповідає точка, що називається потрійною точкою. Вона лежить на перетині кривих рівноваги.
Рівновага більш ніж трьох фаз неможлива.
Перехід з однієї фази в іншу зазвичай супроводжується поглинанням чи виділенням тепла (теплота переходу). Такі переходи називаються фазовими переходами першого роду.
Існують переходи з однієї кристалічної модифікації в іншу, що не пов’язані з поглинанням чи виділенням тепла. Такі переходи називаються фазовими переходами другого роду.