II. Молекулярна фізика і термодинаміка

§1. Молекулярна фізика Основні формули

a) Закони ідеальних газів

Рівняння стану ідеальних газів (рівняння Менделєєва-Клапейрона):

, або (2.1)

де m – маса газу, М – його молярна маса; R – молярна газова стала;  – кількість речовини; Т – термодинамічна температура.

Дослідні газові закони для ізопроцесів:

1) закон Бойля-Маріотта (ізотермічний процес: Т = соnst, m = const)

(2.2)

2) закон Гей-Люссака (ізобарний процес: р = const, m = const)

(2.3)

3) закон Шарля (ізохорний процес: V = const, m = const)

(2.4)

4) об’єднаний газовий закон (m = const):

(2.5)

де р₁, V₁, T₁ – тиск, об’єм, температура газу в початковому стані, р₂, V₂, T₂ – ті ж величини в кінцевому стані.

Закон Дальтона:

, (2.6)

де – тиск суміші газів; – парціальний тиск іі–го компоненту суміші; n – число компонентів суміші.

Молярна маса суміші газів:

М = (m₁ + m₂ + … + m_k )/ (ν₁ + ν₂ + … + ν_k ), (2.7)

де – масаі – го компоненту суміші; ν₁ – кількість речовини і–го компоненту; k – число компонентів суміші .

б) Молекулярно-кінетична теорія газів

Кількість речовини:

(2.8)

де N – число структурних елементів системи (молекул, атомів, іонів тощо); N_A – стала Авогадро, .

Молярна маса речовини:

, (2.9)

де m – маса речовини.

Концентрація частинок (молекул, атомів тощо) однорідної системи:

, (2.10)

де V – об’єм системи; ρ – густина речовини .

Основне рівняння кінетичної теорії газів:

(2.11)

де – середня кінетична енергія поступального руху молекули.

Середня кінетична енергія, що припадає на один ступінь вільності молекули:

. (2.12)

Повна енергія молекули:

, (2.13)

де k – стала Больцмана, Т – термодинамічна температура, іi – число ступенів вільності.

Середня кінетична енергія поступального руху молекули:

. (2.14)

Залежність тиску газу від концентрації молекул і температури:

р = n k T . (2.15)

Швидкість молекул

1) середня квадратична:

; (2.16)

2) середня арифметична:

; (2.17)

3) найбільш імовірна:

, (2.18)

де m₁ – маса однієї молекули.

в) Елементи статистичної фізики

Розподіл Больцмана (розподіл частинок в силовому полі):

(2.19)

де n – концентрація частинок; U – їх потенціальна енергія; – концентрація частинок в точках поля, деU = 0; k – стала Больцмана, T – термодинамічна температура; e – основа натурального логарифма.

Барометрична формула (розподіл тиску в однорідному полі сили тяжіння):

, (2.20)

де p – тиск газу; m – маса молекули; z – координата (висота) точки відносно рівня, взятого за нульовий;– тиск на цьому рівні;g – прискорення вільного падіння.

Розподіл Максвелла (розподіл молекул за швидкостями) поданий двома співвідношеннями:

1) число молекул, швидкість яких знаходиться в межах від до:

(2.21)

де f() – функція розподілу молекул за абсолютними значеннями швидкостей, яка виражає відношення імовірності того, що швидкість молекул лежить в інтервалі віддо, до величини цього інтервалу, а також частку молекул, швидкості яких лежать в означеному інтервалі;N – загальне число молекул; m – маса молекули.

2) число молекул, відносні швидкості яких лежать в межах від u до u+du:

(2.22)

де – відносна швидкість, що дорівнює відношенню швидкостідо найбільш імовірної швидкості,f(u) – функція розподілу за відносними швидкостями.

Середнє число зіткнень, що припадає на одну молекулу газу за одиницю часу,

(2.23)

d – ефективний діаметр молекули; n – концентрація молекул; <> – середня арифметична швидкість молекул .

Середня довжина вільного пробігу молекул газу:

(2.24)

Імпульс, що переноситься молекулами з одного шару газу в інший через елемент поверхні:

, (2.25)

де – динамічна в’язкість газу;– градієнт швидкості течії його шарів;– площа елемента поверхні;dt – час переносу.

Динамічна в’язкість:

(2.26)

–густина газу ( рідини ); <> – середня швидкість хаотичного руху молекул; <> – середня довжина вільного пробігу.

Закон Ньютона:

, (2.27)

де F – сила внутрішнього тертя між двома шарами газу.

Закон Фур’є:

, (2.28)

де – тепло, що переноситься шляхом теплообміну через поперечний переріз площеюS за час ;– теплопровідність;– градієнт температури.

Коефіцієнт теплопровідності газу (рідини):

(2.29)

де – питома теплоємність газу при постійному об'ємі;– густина газу; <> – середня арифметична швидкість його молекул; <l > – середня довжина вільного пробігу молекул.

Закон Фіка:

, (2.30)

де – маса газу, що переноситься шляхом дифузії через поверхню площеюS за час ;D – коефіцієнт дифузії; – градієнт концентрації молекул;– маса однієї молекули.

Коефіцієнт дифузії: (2.31)