Раздел II. Молекулярная физика Основные понятия и уравнения молекулярной физики

Молекулярная физика изучает зависимости агрегатных состояний и свойств тел от их строения, взаимодействия между молекулами вещества и характера движения молекул.

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) – это теория строения вещества, описывающая статистическими методами свойства тел как результат взаимодействия молекул. С помощью этих методов МКТ устанавливает связь между законами движения отдельных частиц системы и свойствами всей системы в целом.

Термодинамический метод исследования физических явлений основан на анализе условий и количественных соотношений при различных превращениях энергии, происходящих в системе. Этот метод не рассматривает внутреннее строение тел и движение отдельных частиц. В его основе лежат несколько, установленных опытным путем, законов.

Масса одной молекулы вещества ,

где μ - молярная масса вещества, ;N_a– число Авогадро (N_а= 6,02∙10²³).

Молярная масса смеси газов .

ν – количество вещества (,, гдеm– масса вещества,N- число частиц). В нормальных условиях 1 моль любого газа занимает объем 22,4 л.

Основное уравнение идеального газа

,

где р – давление газа,;n, – концентрация газа,;²– средняя квадратичная скорость молекулы. Скорость молекулы: средняя квадратичная скорость

, средняя арифметическая

и наиболее вероятная.

Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона)

,

где V– объем газа,R– универсальная газовая постоянная (R= 8,31 Дж/(моль∙К)), Т – температура.

Давление смеси газов , где Р₁и Р₂– давления, производимые каждым газом в отдельности, во всем предоставленном смеси объеме.

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы пропорциональна температуре: .

i– число степеней свободы (для одноатомных молекулi=3, двухатомныхi=5, для трех- и многоатомныхi=6);k– постоянная Больцмана (k= 1,38∙10^-23Дж/К). Т – температура газа, измеряется в кельвинах:. Связь с температурой в градусах Цельсия:.

Внутренняя энергия системы Uопределяется суммой средней кинетической энергии всех молекул системы и энергией взаимодействия молекул между собой:

.

Изменение внутренней энергии может происходить в результате совершения работы или в процессе теплопередачи, когда телу (или системе) сообщается некоторое количество теплоты Q. При этом происходит повышение температуры тела (системы) или переход его в другое агрегатное состояние. Рассчитать необходимое количество теплоты можно по формуле:

,

где с – удельная теплоемкость вещества, из которого состоит тело (система), m– масса вещества, Т₁и Т₂– начальная и конечная температура, соответственно.

Первое начало термодинамики для элементарного процесса в системе, участвующей в теплообмене: ,

где Q– элементарное количество теплоты переданное (или отнятое) системе(),dU– изменение внутренней энергии системы,А – элементарная работа, совершаемая газом. Если работа совершается над газом, то.

Изменение внутренней энергии газа ..

Работа, совершаемая газом .

Для конечного процесса первый закон термодинамики записывается в виде:

.