II Молекулярная физика. Термодинамика
§21. Термодинамика и молекулярно-кинетическая теория в изучении тепловых явлений. Основные макроскопические параметры газообразных тел
Опр.
Тепловые явления – физические процессы в природе, связанные с нагревом и охлаждением тел, а также структурными полиморфными превращениями: сублимация, плавление, испарение, кристаллизация и другие физическими превращениями.
Исторически сложилось 2 подхода к таким тепловым явлениям: ТД – термодинамика и МКТ – молекулярно-кинетическая теория, МКТ ещё именуют молекулярной физикой. ТД и МКТ изучают одни и те же тепловые явления.
ТД более древняя наука с идеально разработанной теорией. ТД изучает тепловые явления, не обращаясь к микроструктуре тел, на основе эмпирических законов и термодинамических начал.
МКТ изучает макроскопические свойства тел на основе представлений о движении и взаимодействии микрочастиц (молекул и атомов). МКТ – новая наука, появляется в конце 19-начале 20в. Её развитие позволило обосновать законы ТД на основе механических представлений поведения атомов и молекул и воздать новую научную дисциплину – статическая физика, которая основана на математических методах теории вероятности, т.к. пытается выявить закономерности теплового движения огромного числа микрочастиц.
Мы не будем раздельно рассматривать 2 этих подхода, но в их совокупности и взаимосвязи при изучении тепловых явлений.
В начале нашего изучения – газовые законы, которые выводятся из МКТ, а в ТД являются эмпирическими законами.
Количество вещества в МКТ неудобно измерять количеством молекул, т.к. это очень большое число, поэтому его измеряют в молях.
Опр.
Молем называется такое количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равна массе молекулы этого вещества, выраженного в а.е.м.
Массу одного моля вещества называют молярной массой.
= кг/моль
;
-
масса атома
.
Если
- атомная масса вещества, выраженная в
а.е.м. (
),
то его молекулярная масса по определению
равна
г/моль,
тогда число молекул в моле любого
вещества равно:
- число Авогадро.
А значит, молярная масса есть масса числа Авогадро молекул.
Число молей есть
число молекул
Макроскопические параметры (P, V, T).
Согласно МКТ все тела состоят из атомов или молекул, находящихся в состоянии непрерывного теплового движения.
Тепловое движение молекул газа можно характеризовать кинетической энергией поступательного движения молекулы
.
Из опыта установлено, что
при тепловом контакте выравнивается
со временем, т.е. молекулы более нагретого
газа теряют при соударении энергию, а
менее нагретые приобретают её, пока
средняя кинетическая энергия всех
молекул газа не сравняется. Следовательно,
газа может однозначно определить степень
нагретости газа и определить направление
перехода от более нагретого к менее
нагретому телу, но исторически в ранней
ТД использовалась мера нагретости тел
– температура.
Методами статической физики можно показать, что
-постоянная
Больцмана.
В системе СИ температура тела измеряется
в градусах по Кельвину в так называемой
абсолютной шкале температур, по которой
температуру полного замерзания молекул
.
На практике часто используют шкалу температур по Цельсию.
Из этого следует формула связи шкал температур:
.
Температура является одной из макроскопических параметров тел.
Давление – другой макроскопический параметр.
Давление газа определяется как отношение силы, с которой он давит на стены сосудов, к площади силы.
Наряду с системной применяются внесистемные единицы давления.
Объём – третий макроскопический параметр.
Газ занимает полный объём сосуда, ему предоставляемый.
Уравнение, связывающее все три параметра: давление, объём, температуру, называется уравнением состояния газа:
.