Введение

úsus mаgίster est optimus.

Опыт –лучший учитель

(Цицерон)

Современная физика содержит огромное количество теоретических сведений о нашем мире. Подавляющее большинство этих сведений получают из многочисленных экспериментов в результате их обобщения. В некоторых случаях роль проводимых экспериментов состоит только в подтверждении выдвинутых гипотез и предположений. В любом случае значимость физического опыта трудно переоценить, поскольку он, безусловно, является для нас единственным мерилом понимания окружающего мира.

В учебном процессе проведение опытов (выполнение лабораторных работ) является весьма важным элементом обучения, позволяющим лучше усвоить и запомнить основные законы природы, для дальнейшего осознанного использования полученных знаний на практике.

Выполнение описанных в пособии лабораторных работ по молекулярной физике и термодинамике позволяет глубже разобраться в ряде процессов, относящихся к газам и жидкостям.

Особенностью многих физических экспериментов в данном разделе физики является отсутствие возможности быстро и просто провести прямые измерения некоторых физических величин. К таким величинам, например, можно отнести показатель адиабаты, энтропию, вязкость, коэффициент теплопроводности и др. В этих случаях роль эксперимента усиливается, касаясь уже не только возможности прямого измерения исследуемых величин, но и выявление их физического смысла.

Данное пособие соответствует содержанию профессиональной программы по курсу «Общая физика» для инженерных специальностей технических вузов и состоит из теоретической части, позволяющей студентам найти ответы на контрольные вопросы, и экспериментальной части (лабораторных работ по молекулярной физике и термодинамике). В пособии имеется достаточно большое количество иллюстраций, обеспечивающих активное и прочное усвоение изложенного материала.

В приложении к основному тексту пособия приведены необходимые справочные данные.

1. Молекулярно-кинетическая теория

Идеальных газов

Исходные понятия и определения

Молекулярной физики и термодинамики

Молекулярная физика – это раздел физики, в котором изучают структуру, свойства и агрегатное состояние веществ, исходя из молекулярно-кинетических представлений об их природе. Согласно этим представлениям все вещества состоят из атомов, молекул или ионов, которые находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении.

В молекулярной физике используют два различных, но дополняющих друг друга метода: статистический и термодинамический. Первый лежит в основе молекулярно-кинетической теории газов и основан на использовании теории вероятностей и представления изучаемого объекта в виде идеального газа. Все процессы, происходящие в макроскопической системе, и ее свойства объясняются как совокупный эффект от взаимодействия большого числа микрочастиц (атомов или молекул). Поэтому молекулярно-кинетическую теорию называют еще и статистической физикой.

Термодинамический метод, в отличие от статистического, не рассматривает внутреннее строение изучаемых объектов и не изучает характер движения отдельных микрочастиц. он основан на анализе условий и закономерностей превращения различных видов энергии исследуемой системы при ее переходе из одного состояния в другое.

Прежде чем перейти к рассмотрению основ молекулярной физики необходимо дать несколько определений.

Термодинамическая система – это мысленно выделенная совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой так и с внешней средой.

Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами состояния) – совокупностью физических величин, которые характеризуют свойства системы: удельный объем (v), давление (p), температура (Т).

Удельный объем v  это объем единицы массы, когда тело однородно, то есть его плотность  = const:

.

Поскольку при постоянной массе удельный объем пропорционален общему объему, то макроскопические свойства однородного тела можно характеризовать объемом тела.

Давлением называется физическая величина

,

где dF_n – это модуль нормальной силы, действующий на малый участок поверхности тела.

Температура – это физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. под равновесным состоянием понимают такое состояние термодинамической системы, при котором термодинамические параметры не меняются во времени.

В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам с 1960 г. можно применять только две температурные шкалы – термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в кельвинах (К) и в градусах Цельсия (С). В международной практической шкале в качестве реперных точек принята температура замерзания и кипения воды при давлении 1,01310⁵ Па. Термодинамическая температурная шкала определяется по одной реперной точке – это тройная точка воды – температура, при которой лед, вода и насыщенный пар при давлении 609 Па находятся в термодинамическом равновесии. Температура замерзания воды равна 273,15 К. Термодинамическая температура Т и температура по Международной практической шкале t связаны соотношением:

Т = 273,15 + t.

Температура Т = 0 называется нулем Кельвина. Нормальными условиями (н.у.) принято считать температуру Т₀ = 273,15 К и давление р₀ = 1,01310⁵ Па.

Параметры состояния системы могут изменяться. Любое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее термодинамических параметров, называют термодинамическим процессом.

В молекулярной физике массы атомов и молекул принято характеризовать не их абсолютными значениями, например в кг, а относительными безразмерными величинами  атомной (А_r) и молекулярной (М_r) массами. В качестве атомной единицы массы (а.е.м., m_у) принимается 1/12 массы изотопа углерода ¹²С (m_у = 1,6610^-27 кг). Относительная молекулярная масса М_г = m₀/ m_у, где m₀  абсолютное значение массы молекулы.

В молекулярной физике также используется понятие количества вещества, которое выражается в молях. Моль равен такому количеству вещества, которое содержит столько же структурных элементов (атомов, молекул), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода ¹²С. Следовательно, 1 моль любого вещества содержит одинаковое число структурных элементов, которое называется постоянная Авогадро: .

Например, N = 10²⁵ молекул водорода и N = 10²⁵ молекул кислорода являются одинаковыми количествами вещества, хотя они имеют разные массы: 3,3410^-2 кг и 0,531 кг соответственно.

В молекулярной физике используют также понятие молярная масса , которая определяется как масса 1 моля вещества, то есть  = N_А m₀.