5.2. Распределение энергии по степеням свободы. Закон парциальных давлений

Несмотря на простоту вывода основного уравнениямолекулярно-кинетической теории газов, формулу не так-то просто проверить на опыте. Да, мы умеем измерять на опыте давление газа, но у нас нет приборов для прямого измерения величины энергииЕЕ₁n. Человечество вообще не умеет измерять внутреннюю энергию газа в состоянии теплового равновесия. Чтобы реально использовать уравнение кинетической теории газов, приходится прибегать к процедуре косвенных измерений величиныЕ(энергии). Для этого человечество ввело величину, характеризующую состояние теплового равновесия для любых объектов. Читатель правильно догадался, такой величиной являетсятемпература; символ –Т.

Пока будем обходиться понятием эмпирической температуры, т.е. той физической величины, которая измеряется на опыте и связана с интуитивным представлением о тепловом равновесии. Эмпирическая температура объекта – это то, что измеряется другим объектом-термометром, приведённым в состояние теплового равновесия с исходным объектом, и служит характеристикой равновесного состояния. В роли такого объекта-термометра может служить любой объект в состоянии теплового равновесия, характеристики которого реагируют на изменение этого состояния.

Из кинетической теории идеального газа следует, давление пропорционально кинетической энергии молекулы (частицы), если объём V, масса газа m и его сортность  неизменны. Вместе с тем из экспериментальных законов Бойля–Мариотта и Гей-Люссака Клапейрону удалось получить уравнение, связывающее все три термодинамических макропараметра вместе; произведение давления и объёма, делённое на температуру, остаётся постоянным для любого состояния идеального газа , если сортность и масса газа не изменяются. Эту формулу русский учёный Д.И. Менделеев в 1875 году обобщил для любой массы газа в виде, –– объединённый газовый закон. Отсюда следует, при постоянном объёме и массе газа давление пропорционально температуре. Естественно ожидать, температура системы должна быть пропорциональна энергии частицы. Чтобы найти коэффициент пропорциональности между абсолютной температуройТ и энергией частицы Е₁, сопоставим обобщённое уравнение идеального газа и основное уравнение кинетической теории:

.

Если читатель примет к сведению, что m N,, аи, проявив терпение, проведёт преобразования первого уравнения, то испытает чувство глубокого удовлетворения, поскольку в результате его действий первое уравнение примет вид. После преобразований левые части уравнений системы равны, должны быть равны и правые. Отсюда немедленно следует, энергия одной молекулыоказывается зависящей лишь от температуры, но не зависит от массы молекулы; букваk, равная, называется постоянной Больцмана. Здесь весьма важно обратить внимание на формулу. Если имеется смесь из нескольких сортов газов, результирующее давление может быть записано; здесь– концентрация различных сортов газов. Выражение перепишем, отсюда немедленно следует закон Дальтона – давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений газов, образующих смесь.

Следует вернуться к выражению средней энергии молекулы . При выводе его мы учитывали лишь поступательное движение молекул; здесь «тройка» отражает размерность пространства, в котором происходят рассматриваемые события. Следовательно, на одну степень свободы (возможного направления движения) приходится энергия, равнаяпоскольку ни одно из направлений поступательного движения не имеет преимущества. Однако в природе, наряду с поступательным движением, возможны вращение молекул и колебания атомов в молекуле, входящих в состав молекул. Эти виды движений, также как и поступательное движение, связаны с некоторым запасом энергии, определить который позволяетустанавливаемое статистической физикойположениео равнораспределении энергии по степеням свободы молекул. Если предположить, что ни один из видов движения не имеет преимущества перед другими, то на любую степень свободы поступательного, вращательного и колебательного движений должна приходиться в среднем одинаковая энергия, равнаяВ этом и состоитсутьположенияо равнораспределении энергии по степеням свободы. Из этого предположения следует, чем сложнее молекула, тем больше число её степеней свободы, тем больше среднее значение энергии одной молекулы; здесь– сумма поступательных, вращательных и колебательных степеней свободы. Из школьного курса известно, молекулы кислорода, азота состоят из двух атомов, соответственно,.