Глава 2 молекулярная физика и термодинамика

1. Основы молекулярно-кинетической теории вещества

   1. Основные понятия и определения

Молекулярно-кинетической теорией называется учение, которое объясняет строение и свойства тел движением и взаимодействием атомов²⁰, молекул²¹ и ионов, из которых состоят тела. В основе молекулярно-кинетической теории лежат три важнейших положения, которые полностью подтверждены экспериментально и теоретически:

1. Все тела состоят из частиц – молекул, атомов и ионов, в состав которых входят более мелкие элементарные частицы.

2. Атомы, молекулы и ионы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении.

3. Между частицами любого тела существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания.

Эти исходные положения подтверждаются явлениями диффузии (процесс выравнивания плотностей или концентраций двух веществ при их смешивании друг с другом), броуновского движения (непрерывное хаотичное движение взвешенных в жидкости частиц), особенностями строения и свойствами жидкости и твердых тел, а также исследованиями в области физики элементарных частиц.

1. Почему броуновские частицы должны быть все же относительно малы? Почему броуновское движение не наблюдается для заметных крупиц вещества, например, для чаинок в стакане?

Атомом называется наименьшая частица одного химического элемента. Каждому химическому элементу соответствуют вполне определенные атомы, сохраняющие химические свойства данного элемента. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся в электрическом поле ядра.

Молекулой называется наименьшая устойчивая частица данного вещества, обладающая его основными химическими свойствами. Молекула состоит из одного или нескольких атомов одинаковых или разных химических элементов.

Атомы соединяются в молекулу за счет химических связей, основанных на различных взаимодействиях внешних (валентных) электронов. Как и атом, молекула электрически нейтральна, т.е. содержит равное количество электрически заряженных частиц противоположного знака.

Количеством вещества называется физическая величина, определяемая числом специфических структурных элементов – молекул, атомов или ионов, из которых состоит вещество. Единицей количества вещества является моль.

Число атомов (или других структурных единиц), содержащихся в одном моле вещества, называется числом (или постоянной) Авогадро моль^-1.

Объем одного моля называется молярным объемом :

,

где удельный объем;

плотность вещества;

масса одного моля (молярная масса).

При нормальных условиях молярные объемы всех идеальных газов одинаковы .

Молярная масса , где масса одного структурного элемента.

2. Силы и потенциальная энергия взаимодействия двух молекул

Между молекулами любого вещества одновременно действуют силы взаимного притяжения и отталкивания (межмолекулярное взаимодействие). Две молекулы, свободные от любых воздействий, кроме силы межмолекулярного взаимодействия, должны сближаться или удаляться друг от друга в зависимости от того, какая сила преобладает – сила притяжения или сила отталкивания. Лишь при расстоянии между молекулами, на котором , молекулы находятся в равновесии.

Потенциальной энергией (рис. 2.1) взаимодействия двух молекул называется часть энергии системы двух молекул, зависящая от расстояния между их центрами. Величина измеряется той работой, которая совершается силой при изменении расстояния между молекулами от до бесконечности, где потенциальная энергия считается равной нулю . Такой выбор нулевого значения потенциальной энергии обусловлен тем, что две молекулы, находящихся на очень большом расстоянии друг от друга, не взаимодействуют.

Если две молекулы сближаются на малое расстояние под действием сил притяжения , то система молекул совершает положительную работу . Из закона сохранения энергии следует, что при этом увеличивается кинетическая энергия молекул, а их потенциальная энергия уменьшается. Но при бесконечном удалении молекул они не взаимодействуют . Поэтому при сближении двух молекул в области действия сил притяжения потенциальная энергия их взаимодействия является величиной отрицательной.

2. Какой физический смысл «отрицательности» потенциальной энергии взаимодействия молекул?

Если две молекулы сближаются под внешним воздействием на расстояние в области, где действуют силы отталкивания , то система совершает отрицательную работу по преодолению сил отталкивания. Этот процесс связан с уменьшением кинетической энергии молекул и увеличением потенциальной энергии их взаимодействия. Из выбора начала отсчета потенциальной энергии следует, что в области, где действуют силы отталкивания, должна быть величиной положительной. Наибольшее сближение молекул достигается при расстоянии , при котором вся кинетическая энергия молекул полностью израсходована на совершение работы против сил отталкивания. При этом потенциальная энергия равна полной энергии Е системы двух молекул и имеет наибольшее значение (рис. 2.1). Величина Е определяет расстояние , которое представляет собой диаметр (эффективный диаметр) молекулы, определяющий линейные размеры той области, в которую другая молекула проникнуть не может. Таким образом, силы отталкивания между молекулами определяют размеры молекулы.

При система двух молекул находится в состоянии устойчивого равновесия. Этому соответствует наименьшее значение потенциальной энергии – в этой точке кривая имеет минимум (рис. 2.1).