Сегодня: Thursday, July 4, 2019
Молекулярная физика и термодинамика
Степанова Екатерина Николаевна ст. преподаватель кафедры ОФ ЕНМФ ТПУ
1. Основные понятия и определения молекулярной физики и термодинамики
Молекулярная физика и термодинамика – это две разные по своим подходам, но тесно связанные науки, занимающиеся изучением макроскопических свойств физических систем, но разными методами.
Молекулярная физика является статистической теорией, которая рассматривает поведение систем, состоящих из огромного числа частиц (атомов, молекул), на основе вероятностных моделей. Она стремится на основе статистического подхода установить связь между экспериментально измеренными макроскопическими величинами
(давление, объем, температура и т.д.) и микроскопическими |
|
характеристиками частиц, входящих в состав системы (масса, импульс, |
|
энергия и т.д.). |
|
Термодинамика является феноменологической наукой, которая делает |
|
выводы о свойствах вещества на основе законов, установленных на |
|
опыте (например, закон сохранения энергии). Термодинамика |
|
оперирует только с макроскопическими величинами (давление, |
|
температура, объем и т.п.), которые вводятся на основе физического |
|
эксперимента. |
2 |
Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ.
•В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:
•Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов («элементарных молекул»). Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.
•Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.
•Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.
3
Атомная единица массы (а.е.м.) – (mед) – единица массы, равная 1/12 массы изотопа углерода 12С – mC:
mед = (1/12) mC = 1,66 10 27 кг
Атомная масса химического элемента (атомный вес) А, есть отношение массы атома этого элемента mA к 1/12 массы изотопа
углерода 12С |
mA масса атома |
элемента |
|||
A |
|
|
|
. |
|
måä |
1/ 12 массы атома |
углерода |
|||
(атомная масса – безразмерная величина).
4
Моль – это стандартизированное количество любого вещества, находящегося в газообразном, жидком или твердом состоянии.
1 моль – количество грамм вещества, равное его молекулярной массе.
[кг/моль = г/моль] = М или А (безразмерные) Молекулярная масса (молекулярный вес):
M m0 .
måä
Отсюда можно найти массу атома и молекулы в килограммах:
mA Amед |
m0 Mmåä |
5
Число частиц в киломоле любого вещества постоянно и равно величине, названной, в последствии, числом
Авогадро
NA μ г/моль |
|
1 |
6,023 1023 |
1 |
. |
|
|
||||
M mед г |
|
mед |
моль |
||
Молярная масса – масса одного моля (µ)
= А mед NA.
6
При одинаковых температурах и давлениях все газы содержат в единице объёма одинаковое число молекул.
Число молекул идеального газа, содержащихся в 1 м3 при нормальных условиях, называется числом Лошмидта:
NL = P0 / k T0 = 2,68 1025 м 3
Нормальные условия: P0 = 105 Па; Т0 = 273 К; k = 1,38·10 23 Дж/К –
постоянная Больцмана.
7
Идеальным газом называется газ, для которого:
- радиус взаимодействия двух молекул много меньше среднего
расстояния между ними (молекулы взаимодействуют только при столкновении); - столкновения молекул между собой и со стенками сосуда –
абсолютно упругие (выполняются законы сохранения энергии и импульса);
- объем всех молекул газа много меньше объема, занятого
газом.
8
Под скоростью 2 понимают
среднеквадратичную скоростьx 2x .
Вектор скорости, направленный произвольно в пространстве, можно разделить на три составляющих:
2 2x 2y 2z .
Ни одной из этих проекций нельзя отдать предпочтение из-за хаотичного теплового движения молекул, то есть в среднем
2x 2y 2z
9
P 1 m |
n υ2 |
2 |
n m0 2 |
, |
||||
|
||||||||
3 |
0 |
|
|
3 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
или |
|
|
P |
2 n Eк |
|
|
||
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
где: <Eк> – средняя энергия одной молекулы.
Это основное уравнение молекулярно-кинетической
теории газов.
Итак, давление газов определяется средней кинетической энергией поступательного движения молекул.
10