2. Молекулярна фізика та термодинаміка

2.1 Молекулярно-кінетична теорія ідеальних газів. Рівняння стану ідеального газу. Перший закон термодинаміки. Статистичний і термодинамічний методи дослідження.

Молекулярна фізика і термодинаміка – розділи фізики, в яких розглядаються залежності агрегатних станів та властивостей тіл від їх будови, взаємодії між частинками, з яких складаються тіла та характеру руху частинок.

Дослідження фізичних властивостей макроскопічних систем, які налічують велику кількість атомів і молекул, застосовують два якісно різних методи, що взаємно доповнюють один одного: статистичний (або молекулярно-кінетичний) і термодинамічний.

Статистичний метод – це метод дослідження систем з великої кількості частинок, який оперує статистичними залежностями і середніми (усередненими) значеннями фізичних величин, які характеризують всю систему.

Цей метод лежить в основі молекулярної фізики – розділу фізики, який досліджує будову та властивості речовини виходячи з молекулярно-кінетичних уявлень, які спираються на те, що всі тіла складаються з атомів, молекул або іонів, які знаходяться в безперервному хаотичному русі. Властивості макроскопічних систем обумовлені не лише індивідуальними властивостями самих частинок, а й особливостями їх сукупних рухів та середніми значеннями динамічних характеристик частинок.

Термодинамічний метод – це метод дослідження систем з великої кількості частинок, який оперує величинами, що характеризують систему в цілому (тиск, об’єм, температура) при різних перетвореннях енергії, які відбуваються в системі, не враховуючи при цьому внутрішньої будови досліджуваних тіл і характеру руху окремих частинок.

Цей метод лежить в основі термодинаміки – розділу фізики, який досліджує загальні якості макроскопічних систем, які знаходяться у стані термодинамічної рівноваги, і процеси переходу між цими станами.

Термодинамічна система.

Термодинамічна система – сукупність макроскопічних тіл, які взаємодіють і обмінюються енергією як між собою, так і з іншими тілами (зовнішньою середою). Термодинамічні системи, які не обмінюються з зовнішнім середовищем речовиною називаються замкненими. Термодинамічна система називається ізольованою, якщо вона не обмінюється з зовнішнім середовищем ні енергією, ні речовиною.

Термодинамічні параметри – фізичні величини, які характеризують стан термодинамічної системи. Прикладами термодинамічних параметрів є температура, тиск, об’єм та інш.

Якщо для даної системи зовнішні умови не змінюються і стан системи з часом не змінюється, то ця система знаходиться в термодинамічній рівновазі. Параметри стану системи можуть змінюватися. Будь-яка зміна в термодинамічній системі, зв’язана зі зміною хоча б одного з її термодинамічних параметрів, називається термодинамічним процесом. Термодинамічний процес називається рівноважним, якщо система в цьому процесі проходить неперервний ряд нескінченно близьких термодинамічно рівноважних станів.

Температура системи, що знаходиться в рівноважному стані, є мірою інтенсивності теплового руху атомів, молекул та інших частинок, які утворюють систему. Температура – фізична величина, яка характеризує стан термодинамічної рівноваги макроскопічної системи і визначає напрям теплообміну між тілами.

Для вимірювання температури застосовуються температурні шкали, які встановлюються за допомогою термометричних тіл. Міжнародна практична шкала (шкала Цельсія) градуйована в градусах Цельсія (ºС) по двом реперним точкам – температурам кристалізації і кипіння води при тиску 1,01310⁵ Па, які приймаються відповідно за 0ºС і 100ºС.

Термодинамічна температурна шкала (шкала Кельвіна), градуйована в градусах Кельвіна (К) визначається по одній реперній точці – потрійна точка води – температурі, при якій лід, вода і насичена пара при тиску 609 Па знаходяться в термодинамічній рівновазі. Температура цієї точки по даній шкалі дорівнює 273,15 К. Температура Т = 0 К називається абсолютним нулем температури.

Термодинамічна температура (Т) і температура (t) по Міжнародній практичній шкалі зв’язані співвідношенням Т = 273,15 + t.

Нормальні умови: Т₀ = 273,15 К = 0ºС, р₀ = 101325 Па.