Физика. Молекулярная физика. Учебное пособие

Н. А. Растова

ФИЗИКА.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

Учебное пособие

Специальности 230100 Информатика и вычислительная техника, 100101 Сервис, 260100 Технология продуктов питания, 080401 Товароведение и экспертиза товаров

2009

ББК 22.3

Р 24

Авторы:

к.ф.-м.н., старший преподаватель кафедры математических и естественных наук НОУ ВПО «Волгоградский институт бизнеса»

Н. А. Растова

Рецензенты:

к.ф.-м.н., старший преподаватель кафедры математических и естественных наук НОУ ВПО «Волгоградский институт бизнеса»

А. В. Алпатов

д.ф.-м.н., профессор, профессор кафедры физики ГОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

А. О. Литинский

Растова Н. А.

Р 24 Физика. Молекулярная физика: учебное пособие / Н. А. Растова. – Волгоград: Изд-во НОУ ВПО ВИБ, 2009. – 43 с.

ISBN 978-5-9061-7250-1

В данном учебном пособии изложен теоретический материал, необходимый для изучения дисциплины и структурированный в соответствии с рабочей программой. Термодинамика: основные понятия термодинамики и молекулярной физики, идеальный газ, первое начало, второе начало и третье начало термодинамики, термодинамические функции, реальные газы, вязкость. Молекулярнокинетическая теория газов (МКТ): основные положения МКТ, строение вещества, основное уравнение МКТ, классическая статистика, квантовая статистика, энтропия и вероятность, поверхностное натяжение жидкости, капиллярные явления, фазовые превращения, жидкие растворы.

ISBN 978-5-9061-7250-1

ББК 22.3

©Волгоградский институт бизнеса, 2009 ©Растова, Н. А., 2009

Содержание

Введение

1.Термодинамика

1.1.Основные понятия термодинамики и молекулярной физики

1.2.Идеальный газ

1.3.Первое начало термодинамики

1.4.Второе начало термодинамики

1.5.Третье начало термодинамики

1.6.Термодинамические функции

1.7.Реальные газы

1.8Вязкость

2.Молекулярно-кинетическая теория газов (МКТ)

2.1.Основные положения МКТ

2.2.Строение вещества

2.3.Основное уравнение МКТ

2.4.Классическая статистика

2.5.Квантовая статистика

2.6.Энтропия и вероятность

2.7.Поверхностное натяжение жидкости. Капиллярные явления

2.8.Фазовые превращения

2.9.Жидкие растворы

3.Физика конденсированного состояния (физика твердого тела)

3.1.Основные понятия физики твердого тела

3.2.Классификация твердых тел

3.3.Типы связей

3.4.Кристаллы

3.5.Структура твердых тел. Кристаллические решетки. Трансляционная симметрия

3.6.Элементы симметрии кристаллов

3.7.Классификация дефектов кристаллической решетки Заключение Список литературы

5

3

Введение

Учебное пособие «Молекулярная физика» предназначен для студентов очного обучения всех специальностей и может быть использован студентами заочной формы обучения. Содержание учебного пособия соответствует действующим программам и охватывает 5 раздел курса физики «Физика макросистем».

Подготовка высококвалифицированных специалистов в области товароведения, сервиса, прикладной информатики, технологии продуктов питания невозможна без правильного применения физических и математических моделей в профессиональной деятельности.

Данное учебное пособие посвящен изучению разделов «Физики макросистем». В пособии изложены основные понятии и законы молекулярно-кинетической теории, термодинамики и статистической физики, физики твердого тела. Цель данного учебного пособия – кратко изложить основные теоретические положения физики макросистем.

6

4

1.Термодинамика

1.1.Основные понятия термодинамики

имолекулярной физики

Процессы, происходящие в газах, можно рассматривать с двух точек зрения: термодинамической и молекулярнокинетической.

NB Термодинамика (ТД) и молекулярная физика (МФ) изучают физические свойства и физические процессы в телах, обусловленные наличием в них большого числа атомов и молекул.

ТД и МФ изучают вещество в трех его основных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном, а также фазовые превращения между этими состояниями. Эти разделы взаимно дополняют друг друга, но отличаются различными подходами к изучаемым явлениям. ТД, или наука о теплоте, является аксиоматической наукой. Ее выводы основаны на общих принципах, которые принято называть началами и которые являются обобщением опытных данных. Термодинамика рассматривает вещество в целом, не вдаваясь в особенности его строения. ТД описывает свойства тел и макроскопические процессы в них с помощью макропараметров давления, объема, температуры и т.д.

▼ Состояние, описываемое с помощью макропараметров, называется макросостоянием.

МФ исходит из предположения об атомно-молекулярном состоянии вещества. В основе молекулярно-кинетической теории (МКТ) лежат следующие положения:

1.Все вещества состоят из частиц (молекул или атомов).

2.Частицы находятся в непрерывном, тепловом, хаотическом движении (это движение никогда не прекращается).

3.Частицы взаимодействуют друг с другом, и от этого взаимодействия зависит агрегатное состояние вещества (твердое, жидкое и газообразное).

Какова же связь между ТД и МФ? Все макропараметры, которые используются в ТД, могут быть определены с точки зрения МКТ.

П Давление есть результат соударения молекул со стенками сосуда. Вследствие хаотичности движения молекул в каждый момент времени число частиц, ударяющихся о стенку сосуда, будет различным, т.е. мгновенное значение давления будет также различно.

7

5

▼Отклонения давления от средних величин называются флуктуаци-

ей.

Флуктуации физических величин имеют молекулярную природу и в ТД не учитываются (усреднение их дает нуль).

▼Температура – это макроскопическая характеристика состояния тел в термодинамическом равновесии. Температура вводится для характеристики степени нагретости тел. Тела, находящиеся в термодинамическом равновесии, имеют одинаковые температуры.

▼Изолированная или замкнутая система – это система тел, которые не могут обмениваться с окружающей средой энергией.

Итак, ТД изучает термодинамические равновесные состояния тел и медленные процессы, которые могут рассматриваться как переходы между равновесными состояниями, непрерывно следующими друг за другом. ТД также изучает общие закономерности перехода из одного равновесного состояния в другое.

Круг задач МКТ значительно шире. Она изучает не только равновесные состояния, но и процессы в телах, идущие с конечными скоростями.

1.2. Идеальный газ

Каждое вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Самым простым состоянием является газообразное. В этом состоянии среднее расстояние между частицами, составляющими газ >> (много больше) размеров молекул, поэтому силы взаимодействия между частицами невелики, часто можно пренебречь молекулярными силами и размерами молекул.

▼Идеальный газ – это модель газа, в которой пренебрегают размерами молекул и межатомными взаимодействиями.

Идеальный газ описывается законами:

1.Закон Менделеева-Клайперона.

▼Уравнение, связывающее р, V и Т газа в состоянии термодинамического равновесия, называется уравнением состояния.

В общем виде уравнение состояния идеального газа было получено Менделеевым и Клайпероном:

pV m R T

8

6

В одинаковых объемах идеального газа при одинаковых температурах и давлениях содержится одно и то же число молекул.

2.Закон Бойля-Мариотта (Т=const).

Бойль (Англия), а затем и Мариотт (Франция) проводили опыты. Они следили за объемом воздуха в закрытом левом колене, а давление изменяли, доливая ртуть в левое колено.

Для данной массы газа при постоянной температуре Т произведение объема V на давление р есть величина постоянная.

p V co n st

▼Процесс, при котором температура остается постоянной, а изменяются давление и объем, называется изотермическим.

▼Кривая, изображающая зависимость между давлением р и объемом V при постоянной температуре, называется изотермой.

3.Закон Гей-Люссакa (p=const).

Газ в колбе закрыт каплей ртути. Воду подогревали, объем газа увеличивался по законам:

1. Объем при постоянном давлении изменяется линейно с температурой.

V V0 (1 t )

V- объем газа при температуре t 0 C ;

9

7

емного расширения, т.е. относительное изменение объема тела при нагревании

его на 10С при постоянном давлении.

2. Давление при постоянном объеме изменяется линейно с температурой.

тельное увеличение давления при нагревании на 10С при постоянном объеме.

Для данной массы газа при постоянном давлении р отношение объема V к температуре T есть величина постоянная.

▼Процесс, при котором давление остается постоянным, а изменяются температура и объем, называется изобарическим.

▼Кривая, изображающая зависимость между температурой t и объемом V при постоянном давлении р, называется изобарой.

4.Закон Шарля (V=const).

Для данной массы газа при постоянном объеме V отношение давления р к температуре T есть величина постоянная.

p co n st T

10

8

▼Процесс, при котором объем остается постоянным, а изменяются температура и давление, называется изохорическим.

▼Кривая, изображающая зависимость между температурой Т и давлением р при постоянном объеме V, называется изохорой.

5.Закон Дальтона.

▼Парциальное давление – это такое давление, которое оказывал бы газ, если бы он один находился в сосуде.

Давление нескольких газов, находящихся в сосуде, равно сумме парциальных давлений.

p p1 p 2 ... p n

p - общее давление газов;

p1 , p 2 ,..., p n - парциальные давления отдельных газов.

1.3. Первое начало термодинамики Общее начало термодинамики.

Каково бы не было начальное состояние изолированной системы, в ней, в конце концов, установится термическое равновесие, при котором прекратятся все макроскопические процессы.

Первое начало термодинамики.

Первое начало термодинамики выражает принцип сохранения энергии для тел, макроскопических явлений, в которых одним из существенных параметров, определяющих состояние тел, является температура.

Термодинамика для изучения физических явлений использует понятие квазистатических процессов.

▼ Квазистатические процессы – это процессы, состоящие из непрерывно следующих друг за другом состояний равновесия.

П Рассмотрим газ под поршнем. Поршень движется вдоль стенок без трения. В какой-то момент времени газ уравновешивается грузом (например, горсткой песка). Мы будем периодически убирать по одной песчинке, так, чтобы система успевала снова вернуться в равновесное состояние. Таким образом, в пределе, когда число песчинок стремится к бесконечности, мы получаем бесконечно медленный процесс, состоящий из последовательностей равновесных состояний.

Формулировка первого начала термодинамики.

Количество теплоты Q , получаемое системой, идет на изменение ее внутренней энергии dU и на совершение работы A :

11

9

Из рисунка видно, что из состояния 1 в состояние 2 можно попасть бесконечным количеством способом, а так как интеграл численно равен площади криволинейной трапеции, то, не зная пути перехода из 1 в 2, нельзя рассчитать работу.

▼ Если система в результате изменений вернулась в исходное состояние, то говорят, что она совершила круговой процесс или цикл.

Работа, совершаемая при круговом процессе, численно равна площади цикла. Если обход совершается по часовой стрелке, т.е.

Внутренняя энергия.

Внутренняя энергия является функцией состояния, т.е. ее значение зависит только от начального и конечного положения системы и не зависит от формы пути. С точки зрения МКТ внутренняя энергия термодинамической системы представляет собой следующее:

1.Кинетическая энергия молекул.

2.Кинетическая энергия атомов в молекуле.

3.Кинетическая энергия частиц, составляющих атом.

4.Потенциальная энергия взаимодействия частиц.

12

10