1. Молекулярно-кинетические представления
Молекулярная физика и термодинамика - разделы физики, изучающие макроскопические процессы в телах, состоящих из огромного числа частиц - атомов и молекул. У них общий объект изучения, но различные методы. Молекулярная физика изучает свойства тел на основе рассмотрения их молекулярного строения. Термодинамика не обращается к атомно-молекулярному строению вещества, а исходит из нескольких фундаментальных законов (называемых началами термодинамики), которые получены путем обобщения большого количества опытных фактов.
Молекулярная физика изучает строение вещества, исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении. Идея об атомном строении вещества высказана впервые древнегреческим философом Демокритом (460 - 370 гг. до н. э.). Во время прогулки по берегу моря он наблюдал увлажнение одежды и пришел к выводу, что тела состоят из мельчайших неделимых частиц - атомов. В течение многих веков учение об атомах запрещалось церковью. Вновь атомистика возрождается лишь в XVII в. в трудах М.В. Ломоносова. Строгое развитие эта наука получила в XIX в. и связана с работами Клаузиуса, Максвелла, Больцмана и др.
Для построения молекулярно-кинетической
теории надо знать размеры атомов. Оценки
показывают, что размеры атомов порядка
нескольких ангстрем. Ангстрем - это
внесистемная единица длины,
.
Число атомов или молекул в любом
макроскопическом теле огромно. Например,
найденное опытным путем число атомов
в 12 г изотопа углерода 12С равно
.
Это число называется числом Авогадро.
В молекулярной физике вводится единица количества вещества - моль (в системе СИ).
Один моль - это количество вещества, в котором содержится столько же молекул (или атомов), сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг. Отсюда следует: в одном моле любого вещества содержится одинаковое число атомов или молекул, это число называется числом Авогадро.
Так как массы атомов очень малы, удобно
использовать в расчетах не массы,
измеренные в килограммах, а относительные
массы. Относительной молекулярной
(или относительной атомной) массой
называют отношение массы молекулы (или
атома) вещества к
массы
атома углерода. Относительные атомные
массы указаны в таблице Менделеева.
Наряду с относительной молекулярной массой в физике и химии используется понятие молярная масса. Молярная масса вычисляется как масса одного моля вещества, выраженная в килограммах (в системе СИ). Например, молекулярная масса воды (Н2О) находится с помощью таблицы Менделеева и равна
М = 1∙2 + 16 = 18.
Молярная масса воды
.
1.1. Число степеней свободы.
Числом степеней свободы механической системы называется число независимых координат, полностью определяющих положение системы в пространстве.
Рис. 1.1
На рис. 1.1 показаны одноатомная, двухатомная и трехатомная молекулы. Одноатомную молекулу можно представить как материальную точку. Для определения положения точки в пространстве нужно три координаты, т. е. три степени свободы поступательного движения (i = 3).
Молекулу двухатомного газа в первом приближении можно рассматривать как совокупность двух жестко связанных материальных точек. Эта молекула кроме трех степеней свободы поступательного движения имеет две степени свободы вращательного движения (i = 5). Вращение вокруг оси, проходящей через оба атома, не учитывается.
Трехатомная молекула с жесткими связями имеет 6 степеней свободы: 3 - поступательного и 3 - вращательного движения (i = 6).
В классической физике принят постулат о равномерном распределении энергии по степеням свободы. На каждую степень свободы любого вида движения приходится энергия, равная 1/2(kT). Таким образом, средняя энергия одной молекулы равна
(1.1)