Розділ VIII Основи молекулярно-кінетичної теорії газів

40. Предмет та методи молекулярної фізики

Молекулярна фізика вивчає фізичні властивості макроскопічних тіл ( газоподібних, рідких і твердих) а також фізичні процеси, що протікають у цих тілах, зумовлені тепловим рухом та взаємодією мікрочастинок (атомів, молекул, іонів), з яких складаються ці тіла. В основу молекулярної фізики покладено підтверджені теоретично та експериментально положення про те, що речовини складаються з молекул або атомів, які перебувають у безперервному безладному русі і взаємодіють між собою.

Молекула – це найменша частинка речовини, яка зберігає всі хімічні властивості речовини і складається з атомів. Атоми в молекулі взаємодіють між собою за допомогою хімічних зв’язків. Кількість атомів у молекулі може бути від двох (O₂, N₂, HCl, KCl) до тисячі і більше (полімери). Інертні гази (He, Ne, Kr) називають одноатомними молекулами.У багатоатомних молекулах атоми розміщені в просторі певним, характерним для молекул даної речовини чином і взаємодіють між собою. Природа сил міжатомної взаємодії - електромагнітна. Молекули речовини залежно від умов, за яких вони перебувають, можуть здійснювати поступальні, обертальні та коливальні рухи, які мають хаотичний характер.

Сили взаємодії між молекулами називають молярними силами. Якщо молекули перебувають на «великих» віддалях одна від одної, то переважають сили притягання, якщо на малих, то переважають сили відштовхування. Існує така віддаль між молекулами r₀, коли сили відштовхування дорівнюють силам притягання. Якщо віддаль r між молекулами стає меншою, ніж віддаль r₀ (r<r₀), то переважають сили відштовхування, якщо ж виконується умова r>r₀, то переважають сили притягання.

У молекулярній фізиці існує два підходи до вивчення властивостей тіл (макросистем), що складаються з великої кількості молекул: термодинамічний та статистичний (молекулярно-кінетичний).

Термодинамічний метод дослідження полягає у використанні понять і фізичних величин, що стосуються системи в цілому. Наприклад, стан газу характеризують термодинамічними параметрами: тиском, об’ємом, температурою, концентрацією молекул, густиною тощо. В цьому методі не розглядають рух окремих частинок, а встановлюють зв’язок між термодинамічними параметрами. Коли такий зв’язок встановлено, то, знаючи числові значення параметрів в одному стані, можна розрахувати їх значення в іншому стані. Такі розрахунки ґрунтуються на деяких загальних положеннях, встановлених експериментально. Багато властивостей макросистем пов’язані з процесами перетворення енергії із одних видів в інші, що відбуваються у цій системі. Основні закони енергетичних перетворень у макросистемах було встановлено на основі великої кількості спостережень. Ці закони називаються законами термодинаміки. За допомогою цих законів також можна вивчати багато властивостей макроскопічних систем. Метод вивчення властивостей макроскопічних систем на основі законів перетворення енергії, що відбувається в цих системах, називається термодинамічним методом. Таким чином, термодинамічний метод – це метод вивчення макроскопічних систем і змін, які відбуваються з ними, без вивчення внутрішньої мікроструктури системи і механізмів цих змін.

Статистичний метод полягає в тому, що властивості макроскопічних систем, які складаються з великої кількості частинок, описують на основі усереднених значень характеристик руху мікрочастинок, з яких складається макросистема. Розділ фізики, у якому вивчають властивості макроскопічних тіл, що складаються з дуже великої кількості однакових мікрочастинок (молекул, атомів, іонів), на основі властивостей цих частинок, характеру їх руху і взаємодії між ними, називається статистичною фізикою.

Статистичний і термодинамічний методи широко використовуються в дослідженнях молекулярної фізики і доповнюють один одного. Термодинамічний метод є надзвичайно ефективним, охоплює широке коло фізичних явищ і дає можливість одержувати хороші результати без знання внутрішньої структури об’єкта дослідження. За допомогою статистичного методу можна розкрити і встановити внутрішні механізми процесів та явищ і фізично обґрунтувати отриманий результат. Застосування статистичного і термодинамічного методів дає можливість одержувати найбільш повну інформацію як під час розв’язання практичних завдань, так і під час вирішення наукових проблем.