15

Молекулярная физика и термодинамика

Лекция 12

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

ЭЛЕМЕНТЫ МОЛЕУЛЯРО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

1. Статистический и термодинамический методы

изучения физики

Для описания процессов, протекающих в твердых, жидких и газообразных телах, используют статистический и термодинамический методы исследования.

Теорию, изучающую свойства макроскопических тел, состоящих из большого числа одинаковых частиц (атомов, молекул, электронов и т. д.), называют статистической физикой.

В соответствии с принципом неопределенностей одновременно точное определение координат и скоростей частиц невозможно. Статистическая физика, используя законы теории вероятности, объясняет наблюдаемые на опыте физические свойства тел как усредненный результат действия отдельных частиц. Термодинамика изучает свойства макроскопических тел и протекающие в них процессы, не рассматривая их внутреннее строение.

Основу термодинамики составляют фундаментальные законы (начала), установленные как результат обобщения ряда опытных фактов.

Изучая одни и те же физические объекты с различных точек зрения, статистическая физика и термодинамика взаимно дополняют друг друга и, таким образом, дают более полное представление об изучаемых веществах.

2. Атомно-молекулярное строение вещества

Физическое тело в любом состоянии состоит из мельчайших частиц: атомов и молекул, которые хаотически движутся. Интенсивность этого движения зависит от температуры. Доказательством существования теплового хаотического движения молекул является броуновское движение (Броун, 1827 г.). Диаметр частиц Броуна – d  10^6 м, а размер молекул d  10^10 м.

Броуновское движение – беспорядочное (хаотическое) движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе, под действием ударов молекул окружающей среды.

Гениальную догадку об атомистическом строении вещества, высказанную мыслителями древности в XVII веке, подтвердил М. В. Ломоносов, привлекая гипотезу атомно-молекулярного строения вещества для объяснения наблюдаемых физических и химических явлений.

Вещество – вид материи, состоящей из фундаментальных элементарных частиц кварков и лептонов (физическая или вещественная материальность).

Существует эфирная материальность (физический вакуум) состоящая из трех компонент: абсолютного физического вакуума (АФВ); физического вакуума вещества (ФВВ); физического вакуума антивещества (ФВА).

В основном вещество построено из электронов, протонов, нейтронов, масса которых не равна нулю.

Согласно представлениям современной физики атом – наименьшая часть химического элемента (микрочастица). Каждому химическому элементу соответствует определенный род (вид) атома, обозначенного химическим символом, например, медь – Сu железо – Fe, кислород – О и т. д.

В свободном состоянии атомы образуют газ. В связанном состоянии (или в составе молекул) атомы образуют жидкие и твердые тела. Все физические и химические свойства атома определяются особенностями его строения. Наиболее полно свойства атомов определены квантовой механикой. Атом состоит из ядра и электронов.

В состав ядра атома входят протоны, несущие положительный элементарный заряд + е (е=1,610^19 Кл), и нейтроны, не имеющие заряда. Размер атома определяется электронной оболочкой (d  10^11 – 10^10 м). Электроны – частицы, несущие отрицательный элементарный заряд ( е).

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, которые соединены между собой химическими связями.

Число атомов в молекулах колеблется от двух до сотен и тысяч.

Атом или молекулу, потерявшие один или несколько электронов, называют положительным ионом с зарядом +nе, где n = 1, 2, 3, ... – кратность ионизации, целое число. Атом или молекулу, присоединивший один или несколько электронов, называют отрицательным ионом с зарядом nе.

Мерой количества вещества в СИ считается моль.

Моль – количество вещества, в котором содержится число частиц, равное числу атомов в 0,012 кг изотопа углерода .

Массу моля вещества называют молярной массой и обозначают M.

Число молей

 = , (1)

где m – масса вещества.

Единицей измерения молярной массы в СИ считается кг/моль.

Так как в одном моле вещества содержится число молекул, равное числу Авогаро (N_a = 6,0210²³ моль^1)_, а масса моля равна малярной массе, масса одной молекулы

. (2)

Например, молярная масса воды M = 18  10^3 , следовательно, масса молекулы воды m₀  310^26 кг.

Если некоторая масса вещества содержит N молекул, то число молей

 = N/N_a. (3)

Если предположить, что молекулы воды имеют шарообразную форму и плотно прилегают друг к другу, то диаметр одной молекулы

d = . (d  310^10 м).

Моли различных газов при нормальных условиях (температуре t₀ = 0 ^оС и атмосферном давлении Р₀ = 1,013 10⁵ Па) занимают объем V = 22,410^3 м³.