После изучения главы необходимо знать

• Основные положения и определения молекулярно-кинетической теории и термодинамики. Опытное обоснование молекулярно-кинетической теории.

• Газовые законы. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа.

• Распределения Максвелла и Больцмана.

• Явления переноса.

• Понятие термодинамической системы. Число степеней свободы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы.

• Понятие о внутренней энергии системы. Теплоемкость. Работа в термодинамике.

• Первое начало термодинамики и его применение к изопроцессам. Адиабатический процесс.

• Круговой процесс. Обратимые и необратимые процессы. Цикл Карно. Тепловые двигатели.

• Энтропия системы. Закон возрастания энтропии.

• Реальные газы. Уравнения и изотермы Ван-дер-Ваальса. Внутренняя энергия реального газа.

• Свойства жидкостей.

• Твердые тела. Дефекты в кристаллах. Фазовые переходы.

4.1. Основные положения и определения

Молекулярная физика – это раздел физики, посвященный изучению макроскопических свойств твердых, жидких и газообразных тел на основе статистического метода, опирающегося на основные положения молекулярно – кинетической теории:

1. Все тела состоят из огромного числа мельчайших структурных элементов вещества – атомов и молекул.

2. Молекулы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Молекулы взаимодействуют между собой, притягиваясь на больших расстояниях и отталкиваясь на малых расстояниях.

Термодинамика – это раздел физики, посвященный изучению макроскопических свойств твердых, жидких и газообразных тел с энергетической точки зрения на основе термодинамического метода, заключающегося в установлении связей и соотношений между экспериментально определяемыми термодинамическими параметрами.

Количество вещества. Количество вещества в системе, то есть число содержащихся в ней структурных единиц – атомов и молекул, измеряется в молях. Моль любого вещества содержит определенное число молекул, называемое числом Авогадро, равное числу атомов в 12 г углерода:

N_А = 6,02213·10²³ моль‾ ¹.

Для числа молей получим:

 = = ,

где N – число молекул в системе, m = m₀N =  – масса системы или любого количества вещества (m₀ – масса одной молекулы),  = m₀N_A – молярная масса вещества. Единица молярной массы – килограмм на моль (кг/моль). Моль газа при нормальных условиях занимает объем:

V₀ = 22,4·10‾ ³ м³.

Следовательно, в 1 м³ любого газа при нормальных условиях содержится одинаковое число молекул:

N_Л = = 6,02213·10²³ моль‾ ¹ / 22,4·10 ‾ ³ моль‾ ¹ м³ = 2,7·10 м‾ ³,

н

азываемое постоянной Лошмидта.

Силы и энергия межмолекулярного взаимодействия. Межмолекулярное взаимодействие – это взаимодействие электрически нейтральных молекул и атомов. Силы взаимодействия зависят от расстояния между молекулами (рис. 4.1).

Между молекулами силы притяжения и отталкивания действуют одновременно. На расстоянии r = r₀ результирующая сила равна нулю, то есть силы притяжения уравновешивают силы отталкивания. Этому соответствует наиболее устойчивое расположение взаимодействующих молекул. При r > r₀ силы притяжения превосходят силу отталкивания, при r < r₀ - наоборот.

В

Рис. 4.1

заимодействующие атомы и молекулы обладают потенциальной энергией Е_п. Потенциальная энергия считается положительной при отталкивании молекул, отрицательной – при притяжении. Положение устойчивого равновесия молекул соответствует минимуму их потенциальной энергии Е_п . Атомы и молекулы находятся в движении и, следовательно, обладают кинетической энергией. Соотношение между минимальной потенциальной энергией Е_п и средней кинетической энергией Е_к хаотического теплового движения определяет возможность существования того или иного агрегатного состояния вещества:

• при Е_к  Е_п вещество находится в газообразном состоянии;

• при Е_к  Е_п вещество находится в твердом состоянии;

• при Е_к ≈ Е_п вещество находится в жидком состоянии.