Молекулярна фізика і термодинаміка

1 Молекулярно-кінетичний і термодинамічний підходи (методи) при вивченні речовини

Молекулярно-кінетичний підхід базується на молекулярно-кінетичній теорії (МКТ) і встановлює зв’язок між параметрами тіла, які можуть бути виміряні експериментально (тиск, температура, об’єм – макропараметри), і усередненими характеристиками молекул , що входять до їх складу (середньою енергією, швидкістю, концентрацією).

МКТ базується на наступних твердженнях:

1. Всі речовини складаються з атомів і молекул.

2. Молекули знаходяться в постійному хаотичному русі, який зростає із зростанням температури.

3. Між атомами і молекулами існують сили притягування і відштовхування

Слід пам’ятати, що кожна окрема молекула (атом) мають енергію і швидкість, які відрізняються від середніх значень. Тому при опису системи враховують статистику, тобто розподіл частинок по енергіях або швидкостях, для чого використовують математичний аппарат теорії ймовірності.

Термодинамічний підхід базується на найбільш фундаментальних законах природи. Ці закони встановлені на основі великої кількості експериментів і справедливі для всіх відомих явищ, і тому називаються началами.

Фундаментальними законами, якими користується термодинаміка, є:

1 закон (начало), який є фактично законом збереження енергії;

2 закон (начало), який вказує напрямок протікання процесів в природі.

В термодинаміці використовуються однозначні функції, які характеризують стан системи: внутрішня енергія (U), ентропія (S), вільна енергія (F), ентальпія (H).

Розглядаючи зміни речовини з різних позицій, термодинаміка і МКТ фактично є єдиним цілим.

2 Ідеальний газ. Рівняння Менделєєва-Клапейрона. Ізопроцеси в газах

Ідеальний газ – це теооретична модель газа, в якій не враховується взаємодія частинок газу (середня кінетична енергія частинок набагато більша енергії взаємодії).

В ідеальному газі молекули, в більшості випадків, вважаються матеріальними точками, які мають тільки кінетичну енергію. Тому внутрішня енергія ідеального газу, тобто енергія всіх частинок, з яких складається даний газ, представляється як сума їх кінетичних енергій. В реальному газі внутрішня енергія складається з кінетичної і потенціальної енергій молекул.

Розрізняють класичний і квантовий ідеальний газ – їх поведінка описується різними статистиками. Нами розглядається тут класичний ідеальний газ, що описується статистикою Максвелла-Больцмана.

Стан системи (сукупності тіл) виражається в загальному вигляді як:

.

Стан класичного ідеального газу описує рівняння Менделєєва-Клапейрона:

де p - тиск, V - об’єм, m - маса газу,  - молекулярна маса газу, R - універсальна газова стала (R=8,31 Дж/мольК)). Т - температура в К.

Кількість речовини  - це фізична величина, що дорівнює числу структурних елементів, які складають систему.

К іломоль – це кількість речовини, в якій знаходиться стільки ж молекул, скільки їх в 12 кг ізотопу .

Один моль – відповідно кількість речовини, в якій знаходиться стільки ж молекул, скільки їх в 0,012 кг ізотопу ₆С¹². Це – стала Авогадро. N_A6.0210²³ 1/моль.

Перехід системи з одного рівноважного стану в інший називається процесом.

В залежності від умов протікання розрізняють:

р=const - ізобарний процес;

T=const - ізотермічний процес;

V=const - ізохорний процес.

Процес, що відбувається без обміну енєргією з зовнішнім середовищем, називається адіабатним.

Оскільки

,

(див. рівняння стану ідеального газу)

де k - стала Больцмана (k1,3810^-23 Дж/К), то:

,

де n - концентрація молекул

.

Задача: На рис. 31 показано ізотерми для двох різних газів, що мають однакову температуру і масу. Визначити, яка ізотерма відповідає газу, що має меншу молярну масу .