2.4 Молекулярная физика и термодинамика

2.4.1 Основные положения молекулярно-кинетической теории

Молекулярная физика и термодинамика – разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул. Для исследования этих процессов применяют два качественно различных и взаимно дополняющих друг друга метода: статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический.

Статистический метод предполагает, что наблюдаемые на опыте свойства макроскопической системы (давление, температура и т.п.) представляют собой суммарный результат действия молекул. При этом рассматриваются динамические характеристики не отдельных молекул, а их усредненные значения.

Термодинамический метод изучает макроскопические свойства тел, не интересуясь их микроскопической картиной. В основе термодинамики лежат фундаментальные законы (начала), установленные на основании обобщения большой совокупности опытных фактов. Термодинамика и молекулярно-кинетическая теория взаимно дополняют друг друга, образуя по существу единое целое.

Идея об атомном строении вещества высказана древнегреческим философом Демокритом, возрождена и развита в трудах М.В. Ломоносова. Строгое развитие молекулярной теории связано с работами Р. Клаузиуса, Дж. Максвелла и Л. Больцмана.

В основе молекулярно-кинетической теории (МКТ) лежат следующие положения:

1. Все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов и молекул.

2. Молекулы и атомы любого вещества находятся в непрерывном хаотическом движении, которое называется тепловым. Интенсивность теплового движения частиц зависит от температуры.

3. Между молекулами вещества существуют силы притяжения F_пр и силы отталкивания F_от.

Основные положения МКТ подтверждаются экспериментально.

2.4.2 Агрегатные состояния вещества. Идеальные газы

Силы межмолекулярного взаимодействия являются короткодействующими: они проявляются на расстояниях r≤10^–9м и быстро уменьшаются при увеличении расстояния между молекулами. На рисунке 6 представлена качественная зависимость результирующей силы взаимодействия F=F_пр+F_от от расстояния r между молекулами (силы отталкивания считаются положительными, а силы притяжения отрицательными). Результирующая сила равна нулю на расстоянии r = r₀, соответствующем равновесному расстоянию между молекулами, на котором бы они находились в отсутствие теплового движения.

r = r₀, F_от = F_пр ,

r < r₀, F_от > F_пр ,

r > r₀, F_от < F_пр ,

r  , F  0.

Рисунок 6 – Зависимость силы взаимодействия между молекулами

от расстояния между ними

Равновесному расстоянию r₀ соответствует П_min – наименьшая потенциальная энергия взаимодействия молекул. Критерием различных агрегатных состояний вещества является соотношение величин П_min и kT (k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура). Величина kT представляет собой меру теплового хаотического движения молекул при данной температуре.

Если П_min << kT, то вещество находится в газообразном состоянии.

Если П_min >> kT, то вещество находится в твердом состоянии.

Если П_min ≈ kT, то вещество находится в жидком состоянии.

Скорость движения молекул и их средняя кинетическая энергия T_кин зависят от температуры, поэтому критерий различных агрегатных состояний вещества можно выразить через соотношение между кинетической энергией теплового движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. В газах взаимодействие между молекулами мало, а интенсивность теплового хаотического движения велика. В твердых телах потенциальная энергия взаимодействия частиц много больше их кинетической энергии. В жидкостях потенциальная энергия взаимодействия молекул сравнима с их кинетической энергией.

В молекулярно-кинетической теории пользуются идеализированной моделью идеального газа, согласно которой:

1. молекулы газа не взаимодействуют между собой;

2. собственный объем молекул пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда;

3. столкновения молекул между собой и со стенками сосуда носят упругий характер.

Модель идеального газа хорошо описывает многие реальные газы при нормальных условиях, а также газы при низких давлениях и высоких температурах.

Состояние идеального газа описывается тремя макроскопическими параметрами: T – температура, p – давление, V – объем. Для данной массы газа m соотношение между этими параметрами представляет собой уравнение Менделеева–Клапейрона:

. (2.4.1)

В уравнении (2.4.1) R – универсальная газовая постоянная, μ – молярная масса газа.

Если какой-либо из термодинамических параметров системы изменяется, то происходит изменение состояния системы, называемое термодинамическим процессом. Термодинамический процесс называется равновесным, если система бесконечно медленно проходит непрерывный ряд бесконечно близких термодинамических равновесных состояний. Совокупность процессов, в результате которых газ возвращается в первоначальное состояние, называется циклом.

Изопроцессами называются термодинамические процессы, происходящие в системе с постоянной массой при каком-либо одном постоянном параметре состояния. Различают изобарический (p=const), изохорический (V=const) и изотермический (T=const) процессы. Большое значение в природе и технике имеет адиабатический процесс – процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой. Все быстро протекающие процессы с хорошей точностью являются адиабатическими.