Глава 8. Физические основы молекулярной физики

Молекулярная физика – это раздел физики, в котором изучаются строение и свойства вещества, исходя из молекулярно-кинетических представлений. Эти представления включают в себя следующие положения:

- любое тело (твердое, жидкое, газообразное) состоит из большого числа частиц - молекул или атомов;

• молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении, не имеющем какого-либо преимущественного направления;

• взаимодействие между собой зависит от типа молекул и расстояний между ними (разные агрегатные состояния).

Обоснованность названных положений является полностью доказанной в настоящее время.

Статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический методы исследования

В молекулярной физике и термодинамике используют 2 метода изучения свойств и строения вещества: молекулярно-кинетический или статистический и термодинамический.

В молекулярно-кинетическом (статистическом) методе законы протекания различных процессов в макротелах устанавливаются на основании изучения их молекулярной структуры и механизма взаимодействия отдельных молекул между собой. Физические характеристики отдельных молекул - масса, скорость, концентрация, энергия и др. - после статистической обработки увязываются с макрохарактеристиками тел – давлением, температурой, плотностью и др.

Термодинамический метод изучает макроскопические свойства тел, не интересуясь их микроскопической структурой. Не вводя в рассмотрение молекулы и атомы, термодинамика позволяет сделать целый ряд выводов

относительно протекания процессов посредством измерения параметров - давления, температуры, плотности и др. В основе термодинамики лежат законы (начала) термодинамики.

Состояния тела или систем тел определяются совокупностью их параметров в данный момент времени. Величины, характеризующие состояние систем тел, называются параметрами состояния. Параметрами термодинамической системы являются:

ρ – плотность – отношение массы к объему ( при однородном распреде-лении массы по объему [кг/м³], при неоднородном - );

P - давление – отношение силы к площади [Па];

Т- температура – термодинамическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы (степень нагретости -характеристика, не дающая полного определения температуры), единица измерения в СИ - Кельвин.

Существует несколько шкал для измерения температуры. В нашей стране используют две шкалы – Цельсия и Кельвина. За единицу измерения температуры принята 1/100 разности температур таяния льда и кипения воды при нормальных условиях и называется эта единица градусом Цельсия (⁰С), при использовании шкалы Цельсия, или Кельвином при использовании шкалы Кельвина. Начало шкалы Кельвина (0 Кельвина) сдвинуто от 0⁰ С в отрицательную область на 273,15 единиц. Поэтому связь между температурами по Цельсию (t) и по Кельвину (Т) имеет вид

Т= t + 273,15.

Масса молекулы (m) выражается через молекулярный вес – отношение молекулярной массы данного вещества к 1/12 массы атома изотопа углерода ¹²С, масса которого принята равной 12 единицам, а масса одной единицы равна 1,66 ∙ 10^-27 кг. Молекулярный и атомный веса - величины безразмерные.

Масса вещества в кг (молярная масса), численно равная молекулярному весу вещества, называется киломолем и обозначается М. Масса вещества в г, численно равная молекулярному весу, называется молем и также обозначается М. Измеряются в кг/кмоль, г/моль или кг/моль.

Состояния и процессы

Термодинамической системой тел (или системой) называют совокупность рассматриваемых тел, которые могут обмениваться энергией как друг с другом, так и с внешней средой, т.е. с телами, которые являются внешними по отношению к данной системе. Например, системой является жидкость и находящийся над ней в термодинамическом равновесии пар. Система может состоять из одного тела. Всякая система может находиться в различных состояниях, отличающихся температурой, давлением, плотностью, т.е. параметрами. Не всегда какой-либо параметр системы имеет определенное значение. Если, например, температура системы тел в различных ее точках неодинакова, то системе нельзя приписать определенное значение параметра Т. В этом случае состояние называется неравновесным. Если систему предоставить самой себе, то температура будет выравниваться и система придет в равновесное состояние. Если газ, находящийся в сосуде, начнем сжимать, то в первый момент давление в слое, прилегающем к поршню будет выше, чем в остальном объеме, т.е. давление окажется неодинаковым по объему, и состояние газа будет неравновесным. Спустя некоторое время, давление по объему выравнивается и система приходит в равновесное состояние.

Равновесным состоянием изолированной системы называется такое состояние, при котором все параметры системы имеют определенные значения, остающиеся при неизменных внешних условиях постоянными сколь угодно долго.

Процессом называют переход системы из одного состояния в другое. На графике любое равновесное состояние может быть изображено точкой. Неравновесное состояние не может быть изображено точкой, потому что хотя бы один из параметров не будет иметь определенного значения. Всякий процесс связан с нарушением равновесия системы. Следовательно, при протекании в системе процесса она проходит через последовательность неравновесных состояний. Быстрое и медленное вдвигание поршня при сжатии газа – это различная степень нарушения равновесия. В пределе, если сжатие газа происходит бесконечно медленно, газ в каждый момент времени будет характеризоваться определенным значением давления. Следовательно, в этом случае состояние газа в каждый момент времени является равновесным и бесконечно медленный процесс будет состоять из последовательности равновесных состояний.

Процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных состояний, называется равновесным. Равновесный процесс на графике изображается кривой (рис. 44).

Кривая 1-2 представляет собой равновесный процесс перехода системы из состояния 1 в состояние 2. Процессы, в которых при изменении состояния один из параметров остается постоянным, называются изопроцессами. Различают следующие изопроцессы:

• изотермический (Т=const);

• изохорический (V= const);

• изобарический (P = const).

Состояние газа описывается уравнением Менделеева-Клапейрона

где P- давление, V-объем, m- масса, M- молярная масса, - количество молей (или киломолей) газа, Т– абсолютная температура,R = 8,31∙10³ Дж/(кмоль∙К) – молярная (универсальная) газовая постоянная. Физический смысл молярной газовой постоянной будет рассмотрен позднее.