Молекулярная физика и термодинамика

1. Молекулярно-кинетическая теория газов Тема 1. Предварительные сведения

1.1. Статистический и термодинамический методы исследования

Молекулярная физика представляет собой раздел физики, изучающий строение и свойства вещества, исходя из так называемых молекулярно-кинетических представлений. Согласно этим представлениям, любое тело – твердое, жидкое или газообразное – состоит из большого количества весьма малых обособленных частиц – молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы). Молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-либо преимущественного направления движении. Его интенсивность зависит от температуры вещества. Такое хаотичное движение молекул называют тепловым движением.

Непосредственным доказательством существования хаотического движения молекул служит броуновское движение. Это явление заключается в том, что весьма малые (видимые только в микроскоп) взвешенные в жидкости частицы всегда находятся в состоянии непрерывного беспорядочного движения, которое не зависит от внешних причин и оказывается проявлением внутреннего движения вещества. Броуновские частицы совершают движение под влиянием беспорядочных ударов молекул.

Молекулярно-кинетическая теория возникла в XIX веке и позволила теоретически обобщить накопленные к тому времени экспериментальные факты. Эта теория базируется на трех основных положениях (постулатах):

• все тела состоят из частиц: атомов, молекул и ионов;

• частицы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловом);

• частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений.

При описании явлений методами молекулярно-кинетической теории не рассматриваются химические реакции между атомами и молекулами. Различия между атомами и молекулами так же не делается, атомы рассматриваются как одноатомные молекулы. Теория, построенная на основе этих постулатов, является математической моделью реальности, которую можно использовать при соблюдении некоторых условий.

Молекулярно-кинетическая теория ставит себе целью истолковать те свойства тел, которые непосредственно наблюдаются на опыте (давление, температуру и т. п.), как суммарный результат действия молекул. При этом она пользуется статистическим методом, интересуясь не движением отдельных молекул, а лишь такими средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое ее название – статистическая физика.

Материальный объект (тело), состоящее из большого количества частиц, называется макроскопической системой или просто макросистемой.

Молекулярно-кинетическая теория изучает свойства макросистем, оперируя усредненными параметрами молекул (микроскопическими параметрами): средняя длина свободного пробега, средняя энергия, приходящаяся на одну молекулу, средний эффективный диаметр молекулы, средняя скорость движения молекул.

Исторически первой моделью, построенной на основе молекулярно-кинетической теории, явилась модель идеального газа. Идеальный газ – математическая модель газа, в которой предполагается, что:

1) потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией, молекулы взаимодействуют только при столкновениях;

2) суммарный объём молекул газа пренебрежимо мал (молекулы газа рассматриваются как материальные точки);

3) между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги;

4) время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями.

В расширенной модели идеального газа частицы, из которого он состоит, имеют форму упругих сфер или эллипсоидов, что позволяет учитывать энергию не только поступательного, но и вращательно-колебательного движения, а также не только центральные, но и нецентральные столкновения частиц.

Изучением различных свойств тел и изменений состояния вещества занимается также термодинамика. Однако в отличие от молекулярно-кинетической теории термодинамика изучает макроскопические свойства тел и явлений природы, не интересуясь их микроскопической картиной. Не вводя в рассмотрение молекулы и атомы, не входя в микроскопическое рассмотрение процессов, термодинамика позволяет делать целый ряд выводов относительно их протекания.

В отличие от молекулярно-кинетической теории, термодинамика оперирует макроскопическими параметрами, измеряемыми на опыте: температура, давление, масса, объем.

В основе термодинамики лежит несколько фундаментальных законов (называемых началами термодинамики), установленных на основании обобщения большой совокупности опытных фактов. В силу этого выводы термодинамики имеют весьма общий характер.

Подходя к рассмотрению изменений состояния вещества с различных точек зрения, термодинамика и молекулярно-кинетическая теория взаимно дополняют друг друга, образуя по существу одно целое. Задачей молекулярной физики и термодинамики является выявление взаимосвязи макроскопических и микроскопических параметров системы.