- •Глава 2
- •§1 Основные математические понятия.
- •§2 Макроскопические и микроскопические системы. Постулат равновероятности. Эргодическая гипотеза. Статистический вес. Флуктуации.
- •§3 Распределение Больцмана.
- •§4 Распределение Максвелла.
- •§5 Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов.
- •§6 Функция Больцмана
- •§7 Распределение энергии по степеням свободы.
- •§8 Статистики Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна.
- •Глава 3. Процессы переноса.
- •§1 Длина свободного пробега, среднее число столкновений.
- •§2 Явления переноса.
- •§3 Молекулярная теория явлений переноса в газах.
- •Глава 4. Реальные жидкости и газы.
- •§1 Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия.
- •§2. Уравнение Ван-дер-Ваальса
- •§ 3. Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ.
- •Часть 7—6 — отвечает газообразному состоянию;
- •Часть 2—1 — жидкому;
- •Часть 6—2, — горизонтальный участок, соответствующий равновесию жидкой и газообразной фаз вещества.
- •§ 4. Внутренняя энергия реального газа
- •§ 5. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение
- •§ 6. Смачивание
- •§ 7. Давление под искривленной поверхностью жидкости
- •§ 8. Капиллярные явления
- •§ 9. Испарение, сублимация, плавление и кристаллизация. Аморфные тела
- •§10. Фазовые переходы I и II рода
- •§ 11. Диаграмма состояния. Тройная точка
§5 Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов.
Применим распределение Максвелла для вывода основного уравнения кинетической теории газов. Наша задача установить путем статистического усреднения микрохарактеристик молекул системы, некоторые макрохарактеристики, описывающие газ в целом. Известно, что давление газа создается за счет ударов молекул газа о стенки сосуда. Примем, что удар является абсолютно упругим и молекулы бомбардируют стенки как материальные точки под разными углами и с различными скоростями.
По
второму закону Ньютона:
,
.
Молекулы
ударяются о стенку и отскакивают, меняя
только
-составляющую
скорости. Подсчитаем изменение
-составляющей
импульса всех молекул за время
.
Надо подсчитать поток импульса молекул
в положительном направлении оси
,
т.е.
м2,
с,
поток – число частиц пролетающих за
единицу времени через единичную площадку.
В стенку ударятся только те молекулы,
которые движутся к ней, а не от нее, т.е.
.
За время
до стенки долетают все молекулы в объеме
,
.
Вероятность
частиц иметь такую скорость
,
тогда число частиц, имеющих такую
скорость
.
Импульс,
передаваемый стенке сосуда
,
вычислим
отдельно внутренний интеграл и подставим
в выражение
,
рассчитаем интеграл, сделав замену
переменной,
,
,
,
отсюда
,
,
,
,
,
подставим полученное в интеграл:
.
Таким образом давление на стенку
.
Аналогично
для других стенок
,
с другой стороны
,
тогда
,
таким образом
,
- основное
уравнение молекулярно-кинетической
теории идеального газа.
Отсюда можно получить уравнение состояния идеального газа:
-
уравнение
состояния идеального газа.
Если
имеется смесь газов, то
- закон
Дальтона.
§6 Функция Больцмана
Плотность
вероятности того, что молекула имеет
положение в интервале
– функция распределения Больцмана
Вероятность
того, что частица находится в объеме
,
вблизи точки
-
.
Определим
зависимость плотности
идеального газа в поле сил тяжести при
изотермических условиях. Потенциальная
энергия частицы в поле силы тяжести:
,
,
тогда число частиц в объеме
,
.
Масса
частиц в объеме
,
отсюда
.
Пусть
,
тогда обозначив,
- плотность на уровне моря, а
,
получим
зависимость плотности от высоты
.
Если учтем уравнение состояния идеального газа, то получим зависимость давления от
высоты
получим
- барометрическая
формула.
Используя распределение молекул по высоте Ж.Перрен экспериментально определил постоянную Авогадро. Он исследовал под микроскопом распределение броуновских частиц, т.е. считал под микроскопом число таких частиц на разных высотах в сосуде. Частицы были помещены в жидкость, плотность которой лишь на немного меньше плотности материала частиц, для того чтобы тяжелые частицы не «осели на дно», а распределились в достаточно большом слое по высоте.
,
где
- масса частицы,
- масса вытесненной воды.
,
.
§7 Распределение энергии по степеням свободы.
Среднее
значение энергии одной молекулы
.
Если бы мы посчитали отдельно
,
то получили бы величину ровно в три раза
меньшую, чем полная энергия. Такие же
значения и для
.
Таким
образом, если вы молекула могла двигаться
только вдоль оси
,
ее средняя энергия была бы
.
Говорят, что у молекулы, которая может
совершать только одномерные движения
– одна степень свободы:
.
Это значит. Что нужна только одна
переменная, чтобы описать движение
частицы. Для материальной точки таких
переменных нужно 3:
.
Если же молекула может еще и вращаться,
то число степеней свободы увеличивается.
Средняя энергия, приходящаяся на одну
степень свободы вращательного движения,
а также на одну колебательную степень
свободы (как потенциальной , так и
кинетической) равна
.
Теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы: на все степени свободы статистической системы приходится одна и та же энергия . Это не относится к потенциальной энергии системы во внешних полях.
Средняя
энергия одной молекулы
,
где число степеней свободы
.
Р
асхождение
теории теплоемкости идеального газа с
экспериментом.
Например,
для некоторого количества идеального
газа:
,
его молярная теплоемкость
Для
двух атомных молекул всего может быть
3-поступательных, 2-вращательных,
1-колебательная степени свободы. По
расчетам для водорода (идеального газа)
теплоемкость не зависит от температуры
.
Зависимость
теплоемкости молекулярного водорода
от температуры, полученная в ходе
экспериментов, дается на графике
.
Молекула водорода ведет себя при низкой температуре как точечная частица, у которой отсутствуют внутренние движения, при нормальной температуре – как жесткая гантель и наряду с поступательным движением также совершает вращательные движения, а при очень высокой температуре к этим движениям добавляются также колебательные движения атомов, входящих в молекулу. Объяснить эту зависимость классической теории не удалось.
Отличие экспериментальной кривой от теоретической прямой имеет квантовое объяснение. При низких температурах вращательные и колебательные степени свободы «выключены», т.е. они не возбуждаются. При температурах 116К могут возбуждаться вращательные степени свободы, а при температурах 4100К возбуждаются и колебательные степени свободы. Однако переход от одного режима движения к другому происходит не скачком при определенной температуре, а постепенно в некотором интервале температур. Это объясняется тем, что при определенной температуре возникает лишь возможность перехода молекул в другой режим движения, но эта возможность не реализуется сразу всеми молекулами, а лишь их частью.
