II. Молекулярная физика и термодинамика

6. Основы молекулярно-кинетической теории

6.1. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЮ ГАЗОВ. ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ

В механике мы рассматривали движение материальных тел. При этом те­ла мы представляли как материальные точки или абсолютно твёрдые тела. Внутренняя структура тел при этом вообще не рассматривалась.

Но в ряде случаев внутреннее структурой тел пренебречь невозможно. Например, атмосфера Земли как целое движется вместе с ней в мировом про­странстве. Но жители Земли знают, что атмосфера далеко не статична, в ней происходят сложнейшие процессы - атмосферные явления, ход которых обу­словлен движением и взаимодействиями частиц, образующих атмосферу.

Таким образом, достаточно часто физика должна описывать явления, свя­занные не с движением тела как целого, а с движением образующих его микро­скопических частиц и их взаимодействиями. В таких случаях необходимо опи­сание внутренней структуры тела, движения частиц, образующих тело.

В настоящее время известно, что все тела состоят из колоссального коли­чества молекул. Например, в 1 см³газа при комнатной температуре и атмо­сферном давлении содержится около 10¹⁹молекул. Тела, состоящие из подоб­ного количества микрочастиц, принято называть макросистемами.

Описать движение такого количества частиц на основе динамического подхода нельзя. Во-первых, решить систему из 10¹⁹уравнений, составленных на основе второго закона Ньютона, практически нельзя, во-вторых, невозможно определить начальные положения и начальные скорости всех молекул тела, что делает задачу принципиально неразрешимой в рамках динамического подхода.

Однако частицы вещества взаимодействуют между собой (например, мо­лекулы газа постоянно соударяются друг с другом), случайным образом обме­ниваясь энергией, импульсами, вследствие чего в их поведении начинают про­являться статистические закономерности. Это выражается в том, что поведение системы в широких пределах не зависит от точных значений начальных коор­динат и скоростей частиц макросистемы. Предоставленная самой себе макро­система самопроизвольно переходит в равновесное состояние, которое зависит от количества частиц в макросистеме, их суммарной энергии. Поэтому для опи­сания макросистем используется статистическая механика, которая изучает поведение макросистем, исходя из свойств образующих её частиц и взаимодей­ствий между ними.

Молекулярно-кинетическая теория описывает свойства макросистем (вещества) на основе статистической механики и представления о молекуляр­ном строении вещества.

В данном разделе с позиций молекулярно-кинетической теории будут рассмотрены свойства газов. При этом в качестве модели реального газа будет использоваться идеальный газ.

Идеальный газ - это модель газа, в которой не учитывается взаимодей­ствие частиц газа (атомов, молекул), т.е. средняя кинетическая энергия частиц много больше потенциальной энергии их взаимодействия.

Молекулы идеального газа движутся хаотически и взаимодействуют ме­жду собой только при соударениях.

Все реальные газы при достаточном разрежении по своим свойствам близки к идеальному газу. Некоторые газы практически не отличаются от иде­ального даже при обычных условиях, т.е. при комнатной температуре и атмо­сферном давлении (например, воздух, кислород и др.). Поэтому выводы, полу­ченные для идеального газа, часто применимы и к реальным газам.

Поскольку потенциальная энергия взаимодействия молекул идеального газа пренебрежимо мала, суммарная энергия всех молекул идеального газа складывается из их кинетических энергий. Эту энергию принято называть внутренней энергией идеального газа.

Состояние некоторой массы идеального газа можно охарактеризовать тремя величинами - температурой Г, давлением Р и объёмомV. Эти величины принято называтьпараметрами состояния.

Параметры состояния связаны между собой. Изменение любого из пара­метров состояния вызывает изменение других.

Параметры состояния идеального газа не всегда имеют определённые значения. Например, если повысить температуру одной из стенок сосуда с га­зом, то газ начнёт нагреваться и в разных точках объёма температура газа будет разной. Кроме этого, температура газа будет меняться с течением времени.

Состояния, в которых хотя бы один параметр состояния изменяется с те­чением времени, называют неравновесными.

Если газ, находящийся в неравновесном состоянии, изолировать, т.е. ис­ключить обмен энергией и частицами газа с окружающей средой, то по истече­нии некоторого времени газ перейдёт в равновесное состояние.

Равновесным называют состояние, в котором все параметры состояния имеют определённые значения и не изменяются с течением времени.

Молекулы любого газа постоянно находятся в состоянии хаотического движения, поэтому газ занимает весь предоставленный ему объём.

Давление газа Р связано с движением молекул идеального газа. Молеку­лы газа сталкиваются со стенками сосуда, в котором он находится, из-за чего возникает сила давления, действующая на стенки. Давление является суммар­ным результатом воздействия всех частиц макросистемы и определяется сред­ними значениями характеристик их движения.

Температура газа Т также связана с движением молекул и зависит от его усреднённых характеристик.

Задача молекулярной физики - выявить связь конкретных значений мак­роскопических параметров Р, V,Т со средними значениями динамических ха­рактеристик молекул газа (это средняя скорость молекул, средняя энергия молекул и т.д.).