6. Молекулярна фізика і термодинаміка

6.1 Положення молекулярно-кінетичної теорії та її задача

Молекулярна фізика – це розділ, який вивчає фізичні властивості і агрегатні стани речовин в залежності від їх молекулярної будови і сил взаємодії між молекулами. Вона базується на трьох основних положеннях:

– всі тіла складаються з молекул і атомів;

– молекули і атоми хаотично рухаються;

– між молекулами і атомами існують сили взаємодії.

Молекулярно-кінетична теорія пояснює властивості тіл виходячи с характеру руху молекул і сил взаємодії між ними. Враховуючи, що кількість молекул дуже велика (в 1см³ газу при нормальних умовах міститься 2,69∙10¹⁹молекул), вивчення систем такої великої кількості частинок не можна звести до вивчення руху кожної молекули. В таких системах проявляються специфічні статистичні закономірності. Наприклад, швидкості молекул можуть бути самими різними і знати всі їх значення неможливо, та і безкорисно, тим більше, що вони весь час змінюються при зіткненнях. А ось середнє значення швидкості залишається сталим і характеризує стан системи.

Наприклад, тиск газу зумовлений ударами молекул об стінки посудини зазнає флуктуацій з часом (рис.6.1), але його середнє значення не змінюється і його можна виміряти експериментально. Таким чином, задача молекулярно-кінетичної теорії – це знаходження середніх значень фізичних величин, які характеризують системи великої кількості частинок і які можна виміряти експериментально. Для цього використовується статистичні методи, в основі яких лежить теорія ймовірності.

Системи великої кількості частинок вивчає іще один розділ фізики – термодинаміка. Це вчення про зв’язок і взаємні перетворення енергії, теплоти і роботи. Термодинаміка наука феноменологічна (описова). Вона не дає пояснення тих чи інших явищ, властивостей на молекулярному рівні, а встановлює зв’язок між параметрами системи, наприклад, тиском, об’ємом, температурою, кількістю теплоти, роботою, ентропією, вільною енергією і т.д.

Обидва розділи доповнюють один одного.

6.2 Поняття ідеального газу та його закони

Ідеальний – це газ, в якому нехтують власним об’ємом молекул і силами взаємодії між ними.

Стан газу характеризується такими величинами: m – маса, P – тиск, V – об’єм, T – абсолютна температура. Закони ідеального газу встановлюють зв’язок між цими параметрами.

Ізотермічний закон (закон Бойля-Маріотта) m = const, T= const: при незмінній масі і температурі добуток тиску на об’єм залишається незмінним

. (6.1)

Графіки цього закону зображені на рис.6.2 в різних координатах.

Ізобарний закон (закон Гей-Люсака) m = const, P = const: при незмінній масі і тискові об’єм газу прямо пропорційний температурі

. (6.2)

Тут V_o – об’єм газу при температурі 0^оС, - температурний коефіцієнт об’ємного розширення. Він показує відносну зміну об’єму при зміні температури на 1⁰. Вимірюється в 1/град, і для всіх ідеальних газів величина однакова і дорівнює 1/273 (1/град). Тому (6.2) набуває виду

,

де Т=273+t^o – температура по абсолютній шкалі (шкала Кельвіна). Графіки цього закону зображені на рис.6.3.

Ізохорний процес (закон Шарля) m = const, V = const: при незмінній масі і об’ємові тиск газу прямо пропорційний температурі

. (6.3)

Тут Р_o – об’єм газу при температурі 0^оС, - температурний коефіцієнт тиску. Він показує відносну зміну тиску при зміні температури на 1⁰. Вимірюється в 1/град, і для всіх ідеальних газів величина однакова і дорівнює 1/273 (1/град). Тому (6.3) набуває виду

. (6.4)

Графіки цього закону зображені на рис.6.4.

Зв’язок між усіма чотирма параметрами дає рівняння стану ідеального газу – рівняння Клапейрона-Менделєєва:

. (6.5)

Тут μ – молярна маса газу, R = 8,31 Дж/(моль∙К) – газова стала.