Раздел 2 Молекулярная физика и термодинамика

Лекция 10 Молекулярно-кинетические представления

о веществе

10.1 Предмет и методы молекулярной физики

10.2 Основные положения МКТ

10.3 Размеры и масса молекул, количество вещества

11.4 Модель идеального газа

10.1 Предмет и методы молекулярной физики

Молекулярная физика изучает физические свойства макроскопических тел (твердых, жидких, газообразных), а также происходящие в них физические процессы, обусловленные тепловым движением и взаимодействием микрочастиц (атомов, молекул, ионов), составляющих эти тела. Под макроскопическими телами следует понимать тела, состоящие из большого числа атомов или молекул.

Существует два подхода к изучению макроскопических систем: статистический и термодинамический. Поэтому молекулярная физика делится на две большие части – молекулярно-кинетическую теорию и термодинамику.

Теория, объясняющая тепловые явления в макроскопических телах и внутренние свойства этих тел на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных, хаотически движущихся частиц, носит название молекулярно – кинетической теории (МКТ). Она оперирует статистическими методами, характеризующими движение огромной совокупности частиц.

Термодинамика (ТД) занимается изучением различных свойств тел и изменений состояния вещества без учета микроскопической картины. В основе ТД лежат несколько фундаментальных законов (начал), установленных на основании обобщения большой совокупности опытных данных. МКТ и ТД позволяют глубоко изучить и понять многие явления природы.

Как уже отмечалось выше, молекулярная физика изучает физические свойства макроскопических систем (тел). Предметом её изучения являются молекулярные формы движения больших совокупностей молекул (систем).

Системой называют конечную область пространства с находящимися в ней физическими объектами исследования. Граница системы может быть как материальной (стенки сосуда), так и воображаемой; неподвижной или движущейся; проницаемой или непроницаемой. Система характеризуется не только особенностями своей границы, но и физическими или химическими свойствами вещества, находящегося в занимаемой системой области пространства.

Макроскопическими системами называют системы, содержащие большое количество физических объектов. Термодинамические макроскопические системы содержат большое количество молекул (атомов, ионов). Различают разные виды термодинамических систем (ТС): закрытые, открытые, адиабатные и изолированные.

Закрытые ТС это системы, не обменивающиеся веществом с другими системами.

Открытые ТС это системы, обменивающиеся веществом и энергией с другими системами.

Адиабатные ТС это системы, в которых нет теплообмена с другими системами.

Изолированные ТС это системы, не обменивающиеся с другими системами ни энергией, ни веществом.

Для описания макросистем в молекулярной физике используют основные параметры состояния – температуру, давление, объём. Любое теоретическое описание реальных систем возможно только на основе той или иной модели, в которой учитывают определённые особенные свойства, а второстепенными пренебрегают. В молекулярной физике рассматривают следующие основные модели: идеальный газ, реальный газ, идеальная жидкость, реальная жидкость, твердое тело, плазма.

Макросистемы могут находиться в равновесном и неравновесном состоянии.

Равновесными состояниями называют такие, при которых макроскопические величины, описывающие поведение изолированной системы, остаются неизменными во времени и одинаковыми в пространстве.

В неравновесном состоянии макровеличины, характеризующие состояние системы, изменяются в пространстве и во времени, при этом в системе возникают потоки вещества и энергии (явления переноса).

Неравновесные состояния сложных систем изучают, используя методы физической кинетики.

Макроскопические системы могут быть линейными и нелинейными. В слабо неравновесных состояниях, где градиенты величин малы, переносимые потоки и силы, вызывающие их, линейно зависят от градиентов. В сильно неравновесных состояниях, где градиенты величин велики, потоки являются более сложными функциями градиентов.

При изучении состояния систем используют термодинамический и статистический методы.

Термодинамический метод. Систему рассматривают без учета её внутренней структуры. При этом используют понятия и величины, относящиеся к системе в целом. Например, идеальный газ в состоянии равновесия характеризуют объёмом, давлением и температурой (V, P и T). Экспериментально устанавливают связь между этими величинами. Для термодинамического подхода характерно использование термодинамических потенциалов для описания систем, находящихся в равновесном или слабо неравновесном состоянии. Для сильно неравновесных нелинейных систем описание состояния через потенциалы невозможно.

Статистический метод. Динамическое описание системы, содержащей большое число частиц, невозможно. Для изучения макросистем применяют статистические методы, использующие понятия и величины, относящиеся не к отдельным частицам, а к большим совокупностям частиц. Законы поведения совокупностей большого числа частиц, использующие статистические методы, называются статистическими закономерностями. Эти закономерности, как и величины, описывающие состояние системы, зависят от того, в каком состоянии находится система: равновесном или неравновесном.