Часть II. Молекулярная физика и термодинамика

I. Молекулярная физика

1.1. Предмет молекулярной физики

В молекулярной физике изучаются зависимости строения и физических свойств макроскопических тел от характера движения и взаимодействия частиц (атомов и молекул), из которых состоят тела.

1.2. Внесистемные единицы измерения величин в микрофизике физике

1). Единица массы, равная массы изотопа атома углерода , называется атомной единицей массы (а.е.м.): 1 а.е.м. = 1,66•10^{- 27} кг.

2). Единица энергии – электрон-вольт, (один электрон-вольт равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В): 1 эВ = 1,6•10^-19 Дж.

3). Единица объёма: 1 л = 10^-3 м³.

4). Давление: 1 атм = 760 мм.рт.ст. = 101325 Па 10⁵ Па.

1.3. Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества

Предположение о том, что любое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов, было высказано около 2500 лет назад древнегреческими философами Левкиппом и Демокритом. По их представлениям все тела образуются в результате соединения атомов. Различия в свойствах тел объясняются тем, что тела состоят из различных атомов или одинаковые атомы по-разному соединены между собой в пространстве. Существенный вклад в развитие молекулярно-кинетических представлений сделал в середине XVIII в. великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711—1765). Он объяснил основные свойства газа, предположив, что все молекулы газа движутся беспорядочно, хаотично и при столкновениях отталкиваются друг от друга. Беспорядочным движением молекул М. В. Ломоносов впервые объяснил природу теплоты. В начале XIX столетия английский ученый Д. Дальтон²² показал, что многие закономерности явлений природы можно объяснить, используя представления об атомах и молекулах, и научно обосновал молекулярное строение вещества. К началу ХХ столетия была окончательно создана и подтверждена множеством опытов молекулярно-кинетическая теория строения вещества.

Молекулярно-кинетической теорией (МКТ) называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

1. Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов.

Молекула — мельчайшая устойчивая частица вещества, сохраняющая его основные химические свойства.

Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

Атомы — мельчайшие частицы химического элемента, сохраняющие его химические свойства.

Число различных атомов сравнительно невелико и равно числу химических элементов и их изотопов. Атомы представляют собой весьма сложные образования, но классическая MKT использует модель атомов в виде твердых неделимых частичек сферической формы. Полагается, что движение атомов и молекул, их взаимодействия подчиняются законам механики. Это позволяет использовать законы механики для выяснения свойств тел, состоящих из большого числа хаотически движущихся малых частиц. С помощью современных методов исследования (электронный и зондовый микроскопы) удалось получить изображения молекул. Приблизительные линейные размеры атома: r 10^-10 м, масса m 10^-26 – 10^-25 кг.

2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении.

Наиболее ярким экспериментальным подтверждением представлений молекулярно-кинетической теории о беспорядочном движении атомов и молекул

является броуновское движение. Это тепловое движение мельчайших микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе. Оно было открыто английским ботаником Р. Броуном в 1827 г. Броуновские частицы движутся под влиянием беспорядочных ударов молекул. Из-за хаотического теплового движения молекул эти удары никогда не уравновешивают друг друга. В результате скорость броуновской частицы беспорядочно меняется по модулю и направлению, а ее траектория представляет собой сложную зигзагообразную кривую (рис. 109). Теория броуновского движения была создана А. Эйнштейном в 1905 г. Экспериментально теория Эйнштейна была подтверждена в опытах французского физика Ж. Перрена, проведенных в 1908–1911 гг.

Рис. 109.

Траектория броуновской частицы.

3. Между частицами вещества существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания. Эти силы действуют на небольших расстояниях.

При сближении двух атомов или молекул сначала преобладают силы притяжения. Но на некотором расстоянии r₀ между их центрами силы отталкивания возрастают настолько, что становятся равными по модулю силам притяжения. При дальнейшем сближении силы отталкивания превосходят силы притяжения.

МКТ стала одной из самых успешных физических теорий и была подтверждена целым рядом опытных фактов. Основными доказательствами положений МКТ стали:

• Диффузия

• Броуновское движение

• Изменение агрегатных состояний вещества.

На основе МКТ развит целый ряд разделов современной физики, в частности, физическая кинетика и статистическая механика. В этих разделах физики изучаются не только молекулярные (атомные или ионные) системы, находящиеся не только в «тепловом» движении, и взаимодействующие не только через абсолютно упругие столкновения. Термин же молекулярно-кинетическая теория в современной теоретической физике уже практически не используется, хотя он встречается в учебниках по курсу общей физики.