Раздел 2. Основы молекулярной физики и термодинамики

Тема 2.1 Физические основы молекулярно- кинетической теории

Понятие о реальном и идеальном газах. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона), смеси газов (закон Дальтона).

Прочитать (§79, 80, 81, 86).

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ) идеального газа. Средняя энергия молекулы, молекулярно-кинетическое толкование температуры, абсолютная температура. Постоянная Больцмана. Степени свободы молекул. Распределение энергии по степеням свободы. Внутренняя энергия идеального газа.

Прочитать §94, 95, 96, 97 (до формулы 97.8). Об абсолютной температуре прочитать в §85, 97.

Понятие о функции распределения. Максвелловское распределение по скоростям. Опыт Штерна.

Прочитать §93, 98 (выводы можно опустить), §99.

Больцмановское распределение частиц в потенциальном поле. Эффективный радиус молекулы. Число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул.

Прочитать §92, 100, 129.

Дополнение. Температура важнейшее физическое понятие, сложность введения которого состоит в том, что этот параметр не подчиняется закону аддитивности (закону сложения) и как следствие этого не может иметь эталонной единицы измерения. Тогда возникает вопрос, как же она измеряется, и что собой представляет, т.е. каков ее физический смысл?

Температура вводится как количественная мера степени отклонения теплового состояния системы (тела, газа и т.д.) от теплового состояния условно принятого за нулевое (например, теплового равновесия тела с тающим льдом при нормальном атмосферном давлении) и измеряемая по вполне определенным образом построенной шкале температур.

По принятому современному способу измерения температуры, давление неизменной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально температуре – (абсолютная шкала – шкала Кельвина), т.е., и следовательно,, гдеи- нормальное атмосферное давление и температура этого газа, находящегося в тепловом равновесии с тающим льдом (К). Следовательно,

,

подставляя в это соотношение значение давления из основного уравнения МКТ идеального газа:

,

где - концентрация молекул;

- средне-кинетическая энергия поступательного движения молекулы одноатомного газа), получаем

. (1)

Откуда и вытекает, что абсолютная температура – есть количественная мера средне-кинетической энергии поступательного движения молекул системы.

Из построения температурной шкалы Кельвина непосредственно следует, что абсолютный нуль – это температура, при которой прекращается тепловое движение частиц, молекул вещества (только тепловое, но не всякое другое движение, другие формы движения не прекратятся даже и при абсолютном нуле, так, при не прекратится движение электронов вокруг ядер атомов, движение свободных электронов в металлах и т.д.).

Таким образом, можно дать следующее определение абсолютной температуры.

Абсолютная температура – скалярная физическая величина – количественная мера интенсивности хаотического движения всей совокупности частиц системы, пропорциональная средне-кинетической энергии поступательного движения одной частицы и измеряющая степень отклонения теплового состояния системы от условно принимаемого за нуль по вполне определенным образом построенной шкале температур (шкале Кельвина).

Из выражения (1), находим

, (2)

где -постоянная Больцмана, физический смысл которой состоит в том, что она равна той средне-кинетической энергии отдельной одноатомной молекулы, которую она приобретает при нагревании всего газа на градуса Кельвина. С учетом полученного равенства (2) основное уравнение МКТ принимает вид:

. (3)

Откуда непосредственно вытекает уравнение состояния идеального газа – уравнение Менделеева-Клапейрона:

,

где - универсальная газовая постоянная;

- число Авогадро.