Основы молекулярной физики и термодинамики. Введение

В механике мы изучали движение частиц и тел в пространстве и времени, не интересуясь их строением и физическими свойствами.

Молекулярная физика и термодинамика – это два взаимосвязанных раздела физики, которые изучают наиболее общие физические свойства макроскопических систем, ограниченных в пространстве.

Молекулярная физика и термодинамика различаются методами исследования.

Молекулярная физика использует определённые представления о строении вещества и характере взаимодействия его структурных элементов.

По современным представлениям структурными элементами вещества являются атомы и молекулы, которые взаимодействуют между собой и движутся в соответствии с законами классической или квантовой механики.

Любая макросистема состоит из большого количества структурных элементов и для определения её состояния необходимо задать значения очень многих координат и скоростей. Изменение состояния макросистемы описывается громадным числом уравнений движения, которые не только невозможно решить, но даже не удаётся записать их в обозримые сроки. Механическое описание макросистемы принципиально невозможно также потому, что невозможно иметь абсолютно точные начальные значения координат и скоростей частиц.

Для описания состояния большого числа частиц в молекулярной физике используют математическую статистику. Поэтому молекулярную физику в более широком смысле называют статистической физикой.

Статистика позволяет вычислять средние значения физических величин, наблюдаемых в опытах, например, давление газа, вязкость газов, поверхностное натяжение жидкости, упругость тел…

Выводы молекулярной физики ограничены принятыми модельными представлениями, и в этом её недостаток.

Термодинамика изучает макросистемы, используя наиболее общие закономерности, являющиеся обобщением большого количества опытных фактов. Эти законы называются началами термодинамики.

Выводы термодинамики являются наиболее общими и не зависят от принимаемых модельных представлений о строении вещества и характере взаимодействия его структурных элементов. В этом её преимущество перед молекулярной физикой, но в силу большой общности, используемых законов, методы термодинамики не позволяют получать конкретные зависимости между физическими величинами, ограничиваясь предсказанием существования такой связи.

Например, методами термодинамики невозможно установить уравнение состояния макросистемы. В таких случаях термодинамика обращается к эксперименту или использует выводы молекулярной физики. Таким образом, молекулярная физика и термодинамика дополняют друг друга, что и определяет совместное изучение этих предметов.

Элементы молекулярно-кинетической теории. Основные представления и понятия.

В основе молекулярно-кинетической теории (МКТ) вещества лежат представления о хаотичном характере движения структурных частиц вещества и характере взаимодействия между ними.

Взаимодействия между молекулами по своей природе являются электрическими и зависят от расстояния.

Общим свойством молекулярных сил является короткодействие; они спадают до нуля на расстояниях нескольких . При сближении молекул силы притяжения переходят в силы отталкивания. Таким характером взаимодействия между молекулами определяется существование трёх агрегатных состояний вещества в форме газа, жидкости и твёрдого тела.

Основными понятиями молекулярной физики и термодинамики являются:

• термодинамическая система (ТДС),

• термодинамическое состояние,

• термодинамический процесс.

Под ТДС понимается совокупность макротел любой физико-химической природы, между которыми возможен теплообмен. Тела, не входящие в систему, называются внешними.

ТДС называется изолированной, если она не взаимодействует с внешними телами. Понятие «изолированная» система – физическая абстракция. Реальные макросистемы можно считать изолированными только в некотором приближении.

Свойства макросистемы в целом описываются совокупностью макроскопических физических величин, которые называются термодинамическими параметрами.

Различают внешние параметры, определяемые положением и свойствами внешних тел и полей (объём системы , напряжённость электрического поля и т.д.), и внутренние параметры, определяемые движением и взаимодействием структурных частиц системы (давление внутри системы P, поляризация среды и т.д.).

Каждой совокупности термодинамических параметров соответствует определенное макросостояние системы.

Существует минимальное число параметров, которые однозначно описывают состояние системы. Так, например, для идеального газа массой m достаточно ввести два параметра – давление и объём. Другие параметры (температура, плотность, … ) будут функциями давления и объёма.

Параметры, не зависящие от способа перевода системы в рассматриваемое состояние, называются функциями состояния. К ним относятся, например, внутренняя энергия системы. Функции состояния имеют для термодинамики особо важное значение.

Состояние системы называется стационарным, если параметры системы не изменяются с течением времени. Стационарное состояние системы может быть неравновесным, если неизменность параметров поддерживается каким-либо внешним воздействием и равновесным, если параметры системы неизменны и эта неизменность поддерживается в системе самопроизвольно.

Опыт показывает, что изолированная ТДС независимо от своего начального состояния в конечном итоге переходит в состояние, которое в дальнейшем не изменяется. Это состояние называется состоянием термодинамического равновесия.

Этот опытный факт не имеет исключений и называется законом макроскопической необратимости.

Процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное называется процессом релаксации, а время перехода называется временем релаксации.

Параметры, характеризующие термодинамическое равновесие системы, не являются независимыми. Закон, выражающий зависимость между параметрами ТДС в условиях равновесия, называется уравнением состояния. Например, для идеального газа это уравнение Клапейрона-Менделеева.

Процесс перехода ТДС из одного состояния равновесия в другое, связанное с изменением хотя бы одного параметра, называется термодинамическим процессом.

Подходящим воздействием систему можно вернуть в первоначальное состояние. Второй процесс по отношению к первому (прямому) называют обратным. Прямой и обратный процесс вместе называют круговым.

Термодинамический процесс называется равновесным, если любое промежуточное состояние системы является равновесным.

Понятие «равновесный процесс» - физическая абстракция. Реальные процессы в макросистемах можно приближённо считать равновесными при выполнении некоторых условий.

Введенными понятиями и определениями не исчерпываются термодинамические понятия. Новые понятия мы будем вводить по мере необходимости.