Молекулярная физика и термодинамика.

1 Молекулы, атомы и их массы. Атомная единица массы. Моль и число Авогадро. Агрегатные состояния вещества. Тепловое движение молекул. Параметры термодинамического состояния. Идеальный газ. Давление и объем. Уравнение состояния. Равновесное и неравновесное состояния.

Молекулы - электрически нейтральная частица, состоящая из двух или более связанных ковалентными связями атомов, наименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Обычно подразумевается, что молекулы нейтральны (не несут электрических зарядов) и не несут неспаренных электронов (все валентности насыщены); заряженные молекулы называют ионами, молекулы с мультиплетностью, отличной от единицы (то есть с неспаренными электронами и ненасыщенными валентностями) — радикалами. Молекулы относительно высокой молекулярной массы, состоящие из повторяющихся низкомолекулярных фрагментов, называются макромолекулами. Особенности строения молекул определяют физические свойства вещества, состоящего из этих молекул.

Атом - наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента. Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

Атомная масса — это значение массы атома, выраженное в атомных единицах массы. В настоящее время атомная единица массы принята равной 1/12 массы нейтрального атома наиболее распространённого изотопа углерода 12C, поэтому атомная масса этого изотопа по определению равна совершенно точно 12. Атомная масса – это масса химического элемента, выраженная в атомных единицах массы (а. е.м.). За 1 а. е.м. принята 1/12 часть массы изотопа углерода с атомным весом 12. 1а.е.м.=1,6605655·10-27 кг. Атомная масса складывается из масс всех протонов и нейтронов в данном атоме.

Атомная единица массы, она же дальтон, — это внесистемная единица массы, применяемая для масс молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Рекомендована к применению ИЮПАП в 1960 и ИЮПАК в 1961 годах.

Моль - единица измерения количества вещества. Соответствует количеству вещества, в котором содержится NA частиц (молекул, атомов, ионов, или любых других тождественных структурных частиц).[1] NA это постоянная Авогадро, равная количеству атомов в 12 граммах нуклида углерода 12C. Таким образом, количество частиц в одном моле любого вещества постоянно и равно числу Авогадро NA.

NA = 6,02214179(30)·1023.

Иначе говоря, моль — это количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равняется его массе в атомных единицах массы. Иногда моль молекул, атомов или ионов называют, соответственно, грамм-молекулой, грамм-атомом и грамм-ионом.

Агрега́тное состоя́ние — состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств. Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Иногда к агрегатным состояниям причисляют плазму. Существуют и другие агрегатные состояния, например, жидкие кристаллы или конденсат Бозе — Эйнштейна. Изменения агрегатного состояния это термодинамические процессы, называемые фазовыми переходами. Выделяют следующие их разновидности: из твёрдого в жидкое — плавление; из жидкого в газообразное — испарение и кипение; из твёрдого в газообразное — сублимация; из газообразного в жидкое или твёрдое — конденсация; из жидкого в твёрдое — кристаллизация. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию. Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Так, существуют аморфные тела, сохраняющие структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять форму; жидкие кристаллы текучи, но при этом обладают некоторыми свойствами твёрдых тел, в частности, могут поляризовать проходящее через них электромагнитное излучение.

Теплово́е движе́ние — процесс хаотического (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество. Чаще всего рассматривается тепловое движение атомов и молекул. Хаотичность — важнейшая черта теплового движения. Важнейшими доказательствами существования движения молекул является Броуновское движение и диффузия.

Броуновским называется движение видимых взвешенных в веществе частиц; тепловым — движение частиц самого вещества. Тепловое движение является причиной броуновского движения.

термодинамические параметры — физические величины, характеризующие состояние термодинамической системы: температура, давление, удельный объём, намагниченность, электрическая поляризация и др. Различают экстенсивные параметры состояния, пропорциональные массе системы:

объём - количественная характеристика пространства, занимаемого телом или веществом.

внутренняя энергия - полная энергия этого тела за вычетом кинетической энергии тела как целого и потенциальной энергии тела во внешнем поле сил. Следовательно, внутренняя энергия складывается из кинетической энергии хаотического движения молекул, потенциальной энергии взаимодействия между ними и внутримолекулярной энергии.

Энтропия - функция состояния системы, равная в равновесном процессе кол-ву теплоты сообщенной системе или отведенной из системы.

Энтальпия - это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенных температуре и давлении

энергия Гиббса - называют термодинамический потенциал следующего вида:

• ,

где U — внутренняя энергия, P — давление, V — объем, T — абсолютная температура, S — энтропия. Энергию Гиббса можно понимать как полную химическую энергию системы (кристалла, жидкости и т.д.)

энергия Гельмгольца (свободная энергия) - термодинамический потенциал, убыль которого в квазистатическом изотермическом процессе равна работе, совершённой системой над внешними телами.

и интенсивные параметры состояния, не зависящие от массы системы:

давление - отношение силы, нормальной к поверхности взаимодействия между телами, к площади этой поверхности или в виде формулы: P = F/S.

Температура - физическая величина, примерно характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

Концентрация - отношение числа частиц компонента системы (смеси, р-ра, сплава), его кол-ва (молярная К.) или массы (массовая К.) к объему системы.

магнитная индукция - векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой \vec F магнитное поле действует на заряд q\!, движущийся со скоростью \vec v\!.

Не все параметры состояния независимы, так что равновесное состояние системы можно однозначно определить, установив значения ограниченного числа параметров состояния.

Идеальный газ — математическая модель газа, в которой предполагается, что потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями.

Неравновесное состояние, это при котором в системе происходит или может в любой момент начаться одностороннее направленное изменение её параметров может вследствие несоответствия их с параметрами состояния среды. Своеобразной разновидностью неравновесного является стандартное (установившиеся) состояние. В нем система находится как бы в покое, без видимого изменения её параметров благодаря воздействию внешних по отношению к данной системе процессов.Равновесным является такое состояние системы, при котором действие процессов внутри системы приводит к её выходу из равновесия, полностью компенсируется противодействием процессов, идущих во внешней среде. Необходимым условием равновесия является равенство соответствующих интенсивных параметров и химических потенциалов компонентов во всех частях системы. Существуют различные виды равновесных состояний:

- стабильная, при которой система устойчива как к бесконечно малым, так и к конечным изменениям параметров её состояния, т.е. для вывода системы из равновесия необходимо затратить работу

- устойчивое

- подвижное (мобильное)

- неустойчивое (лабильное)

Таким образом, если хотя бы один из параметров состояния изменяется, то изменяется и состояние системы, т.е. происходит термодинамический процесс, который представляет совокупность изменяющихся состояний. Термодинамические процессы разделяются на равновесные и неравновесные. Равновесные это такие процессы, при которых система переходит последовательно из одного состояния равновесия в другое. Под системой равновесия термодинамической системы понимается такое состояние, к которому она стремится, принимая при этом минимальные значения общей энергии. В состоянии равновесия параметры системы при отсутствии внешнего воздействия остаются постоянными. Неравновесные это такие процессы, которые не сопровождаются состоянием равновесия. Для этих процессов характерно, что различные части системы имеют различные термодинамические параметры. Равновесное состояние является предельным случаем неравновесного состояния, если скорость стремится к нулю. Теоретически все термодинамические процессы являются неравновесными, практически многие из них можно считать равновесными с определенным приближением. Если при равновесном процессе температура системы остается постоянной, то такой процесс называется изотермическим. Примером такого процесса является хранение сжиженных газов в подземных хранилищах. Равновесный процесс, при котором постоянным является давление, называется изобарическим (изобарным). Примером изобарного процесса является подземная газификация подземного топлива, когда за счет горного давления и давление воздуха, нагнетаемого в пласт угля, общее давление в газовых продуктах сгорания остается постоянным. Если при равновесном процессе остается постоянным объем, то такой процесс называется изохорным. Примером изохорного процесса служит термическое и электротермическое дробление крупных габаритов горных пород. Если при равновесном процессе отсутствует теплообмен системы с окружающей средой, то такой процесс называется адиабатическим (адиабатным). В природе таких процессов не существует. Процессы могут быть обратимые и необратимые. Если термодинамическая система возвращается в исходное состояние, то такой процесс обратимый. Если при обратном процессе система не возвращается в исходное состояние, то такой процесс называется необратимый. Практически все процессы в природе являются необратимыми. Любой необратимый процесс можно сделать обратимым за счет внешнего воздействия, при этом в окружающей системе внешней среды произойдут необратимые изменения. Все необратимые процессы происходят до тех пор, пока не установится равновесие системы, а свидетельствует о том, что работа совершается системой только в том случае, если ею не достигнуто равновесное состояние. В равновесном состоянии термодинамическая система не совершает работу над окружающей средой.

Уравнение состояния – выражает зависимые параметры состояния через независимые. Например, давление является функцией температуры и объема.