Методы молекулярной физики

Методы молекулярной физики

Методы молекулярной физики

Специфическим признаком, который позволяет физические системы и их свойства отнести к категории термодинамических — это строение этих систем. Макросистемы состоят из большого числа частиц, движение которых очень сложное. Такие системы называют статистическими.

К статистическим системам динамические методы описания состояния применить нельзя. В таких системах используют методы математической статистики: теорию вероятностей, тот раздел, который занимается приближенным описанием сложных систем с большой массой элементов.

Статистические методы заведомо неточны, однако статистическая неопределённость тем меньше, чем большее число элементов образует систему.

Итак, существует два способа (метода) описания процессов, происходящих в макроскопических телах: статистический и термодинамический. Макроскопическим телом называют тело, состоящее из очень большого числа частиц (атомов или молекул).

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Раздел физики, который использует статистический метод, называется статистической физикой. Он посвящен изучению свойств образующих тело частиц и взаимодействий между ними.

Статистическая физика изучает статистические закономерности, используя при этом вероятностные методы и объясняет свойства тел, наблюдаемые на опыте (такие как давление, температура), как результат суммарного действия отдельных частиц.

Статистическая физика оперирует микропараметрами, которые относят к характеристикам отдельных частиц (скорость частицы, масса частицы и т.д.). Статистическая физика делится на статистическую термодинамику и физическую кинетику.

Статистическая термодинамика исследует системы в состоянии равновесия, физическая кинетика изучает неравновесные процессы. Основной метод физической кинетики: решение кинетического уравнения Больцмана.

Термодинамический метод

Эти вопросы изучает термодинамика. В основе термодинамики лежит небольшое количество фундаментальных законов (начал термодинамики), установленных путем обобщения опытных фактов.

Термодинамический метод, в отличие от статистического, не связан с каким—либо конкретным представлением о внутреннем строении тел и характером движения отдельных частиц. Термодинамика оперирует макроскопическими величинами, которые характеризуют состояние системы в целом (давление, температура, объем и т.д.).

Термодинамический метод используется для теоретического анализа общих закономерностей разнообразных явлений. В силу общности исходных предположений методы термодинамики обладают большой строгостью. В этом их достоинство.

Термодинамика, именно из-за ее общности, часто не в состоянии вывести частные закономерности, характеризующие специфические свойства тех или иных конкретных физических систем. Роль дополнения выполняет молекулярно-кинетическая теория. Эта теория целиком опирается на статистические методы.

Молекулярно-кинетическая теория исходит из модели молекулярного строения рассматриваемого объекта. Опираясь на механику (атомы рассматриваются как механические системы) и статистику, она выводит затем те или иные термодинамические закономерности. Главное ее достоинство — большая глубина объяснений, наблюдаемых свойств и явлений. Статистическая физика начинает изучение явлений с описания строения тел.

Разница между этими двумя методами касается не предмета изучения, а применяемых подходов. Термодинамика хотя и изучает статистические закономерности физических процессов, но строится по дедуктивному плану (наподобие механики) исходя из небольшого числа начальных принципов, в формулировке которых статистика никак не отражается.

Так как в макросистемах динамические методы описания не применяются, то возникает вопрос о способах описания таких систем. Движения микрочастиц описывается законами квантовой механики. Их положение в принципе не может быть предсказано, положение частицы в некоторой области является случайным событием.

Поэтому необходим специальный математический аппарат. Так, в идеальном газе координаты и скорости отдельных молекул являются случайными величинами. Задача теории по предсказанию случайных событий сводится к нахождению количественной характеристики возможности наступления события, коей является вероятность.

Разделим объем, занятый идеальным газом, на две равные части. Пусть N — число наблюдений, $N_A$ — число наблюдений в которых «маркированная» частица находилась в правой части объема, А — само событие. Тогда Вероятность наступления события А определяется формулой:

\[W\left(A\right)={\mathop{lim}_{N\to \infty } \frac{N_A}{N}\ }\ \left(1\right).\]

Вычисление вероятности с помощью формулы (1) и комбинаторных методов производится следующим образом: если испытание может приводить к N равным исходам и из этих исходов $N_A$ раз наступало событие А, то его вероятность дается формулой (1).

Если множество событий не является счетным, их описание осуществляется с помощью плотности вероятности. Представим замкнутый сосуд с газом, находящийся в неизменных внешних условиях. Молекулы в сосуде беспорядочно движутся.

Разделим все пространство на небольшие объемы $\triangle V_i,\ i=1,2,\dots $ Число актов наблюдения N. При каждом акте наблюдения молекула окажется обнаруженной в каком-то объеме $\triangle V_i.

$ Пусть при N актах наблюдения ($N\to \infty )\ $молекула обнаружена $N_i\ $ раз в объеме $\triangle V_i.$ Тогда плотность вероятности определяется равенством:

\[f\left(x,y.z\right)={\mathop{lim}_{\triangle V_i\to \infty } \frac{W(\triangle V_i)}{\triangle V_i}\ }={\mathop{lim}_{ \begin{array}{c}\triangle V_i\to \infty \\ N\to \infty \end{array}} \frac{N_i}{\triangle V_iN}\left(2\right)\ },\]

где x, y, z — координаты точки, к которой стягивается бесконечно малый объем $\triangle V_i$.

Вероятность $W\left(V_1\right)$ для молекулы быть обнаруженной в объеме $V_1$ равна:

\[W\left(V_1\right)=\frac{N\left(V_1\right)}{N_0}=\intolimits_{V_1}{f\left(x,y,z\right)}dxdydz\ \left(3\right).\]

Если в качестве $V_1$ взять все пространство, то вероятность нахождения частицы равна 1:

\[\intolimits_{V_1\to \infty }{f\left(x,y,z\right)}dxdydz=1\ \left(4\right).\]

Уравнение (4) называется условием нормировки плотности вероятности.

Если молекула находится в замкнутом объеме, то условие нормировки:

\[\intolimits_V{f}dV=1\ \left(5\right)\]

Рассмотрим событие, заключающееся в том, что частица находится либо в объеме $V_1$, либо в объеме $V_2$. Вероятность этого события:

\[W\left(V_1+V_2\right)=\frac{V_1+V_2}{V}=W\left(V_1)+W(V_2\right)\ \left(6\right).\]

Формула (6) выражает правило сложения вероятностей для взаимно исключающих друг друга событий.

Формула, выражающая вероятность совместного наступления событий имеет вид:

\[W\left(A+B\right)=W\left(A\right)+W\left(B\right)-W\left(AB\right)\ \left(7\right),\]

где $W\left(AB\right)=\frac{N_{AB}}{N}$ — вероятность совместного наступления событий A и B.

Вероятность наступления события A при условии, что произошло событие B, называется условной вероятностью:

\[W\left(\frac{A}{B}\right)=\frac{N_{AB}}{N_B}=\frac{W(AB)}{W(B)}\left(8\right).\]

(8) — формула умножения вероятностей.

Для независимых событий:

\[W\left(AB\right)=W\left(A\right)W\left(B\right)\left(9\right).\]

Важное значение в статистической физике имеет понятие средней дискретной величины. Если случайная величина X принимает ряд значений: $x_1,x_2,\dots x_n\ $, то ее среднее значение определяется равенством:

\[\left\langle x\right\rangle =\frac{1}{N}\sum\limitsN_{i=1}{ \begin{array}{c} \\ x_i \end{array}}=\sum\limits_j{W_jx_j}\left(10\right)\]

где $W_j$- вероятность того, что X принимает значение $x_j$.

Для непрерывно изменяющейся величины среднее значение находят по формуле:

\[\left\langle x\right\rangle =\intolimits{\infty }_{-\infty }{xf\left(x\right)dx\ \left(11\right),}\]

где $f\left(x\right)$- плотность вероятности распределения величины x.

Пример 1

Задание: В урне имеется n=30 черных и m=10 белых шаров одинаковых между собой (за исключением цвета). Шары перемешаны. Найти вероятность извлечения черного и белого шаров из ящика при одном испытании. Проверить условие выполнения нормировки.

рис.1

Решение: Так как обстоятельства, которые обеспечивали бы предпочтительные условия для извлечения какого-либо конкретного шара, отсутствуют, вероятность извлечения при испытании для всех шаров одинакова и равна 1/ (m+n). Следовательно, используем формулу сложения вероятности (для черного шара):

\[W\left(bl\right)=\frac{1}{m+n}+\frac{1}{m+n}+\dots +\frac{1}{m+n}=\frac{n}{n+m}=0,75\]

Аналогично для белого шара:

\[W\left(w\right)=\frac{m}{n+m}=0,25\]

Так как эти два события составляют полный набор возможных результатов испытания, то должно выполняться условие нормировки вероятности.

\[W\left(bl\right)+W\left(w\right)=0,75+0,25=1\]

Ответ: Вероятность извлечения черного шара — 0,75, вероятность извлечения белого шара 0,25. Условие нормировки выполняется.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/molekulyarnaya_fizika/metody_molekulyarnoy_fiziki/

Основы молекулярной физики и термодинамики

Методы молекулярной физики

Федун В. И. Конспект лекций по физике Молекулярная физика и термодинамика

Молекулярнаяфизика и термодинамика — разделы физики,в которых изучаются макроскопическиепроцессывтелах, связанные с огромным числомсодержащихся в этих телах атомов имолекул.

Лекция13.

12. 1. Статистический и термодинамический методы исследования

Воснове исследования лежат два метода:термодинамическийистатистический.

Термодинамикойназывают науку о наиболее общих свойствахмакроскопических физических систем,находящихся в состоянии термодинамическогоравновесия, и о процессах перехода междуэтими состояниями. Она позволяет найтиобщие закономерности при установленииравновесия в физических системах.

Термодинамика строится на основефундаментальных принципов (начал),которые являются обобщением многочисленныхнаблюдений и выполняются независимоот конкретной природы образующих системутел. Поэтому закономерности и соотношениямежду физическими величинами, к которымприводит термодинамика, имеют универсальныйхарактер.

Термодинамический метод.(Основа термодинамики)— метод исследования систем, состоящихиз большого числа частиц и оперирующийвеличинами, характеризующими всю системув целом (например, объём, давление,температура), не рассматривая микроструктурысистемы и проходящих в системемикропроцессов.

Термодинамическийметод применим для большинства областейфизики, химии и других наук. Термодинамическийметод устанавливает связи междумакроскопическими характеристикамисистемы и ничего не говорит о микроструктуресистемы, механизмах явлений и т.д.

Недостаток термодинамического метода(независимость от конкретной природывещества) восполняется статистическимметодом, лежащим в основе молекулярнойфизики.

Молекулярнаяфизикаразделфизики, в котором изучаются строение исвойства вещества исходя измолекулярно-кинетических представлений,основывающихся на том, что все теласостоят из молекул, находящихся внепрерывном хаотическом движении.

Статистическийметод(основа молекулярной физики) — методисследования систем из большого числачастиц, оперирующий статистическимизакономерностямиисреднимизначениями физических величин,характеризующихвсю совокупность частиц, например,средние значения скоростей тепловогодвижения молекул и их энергий.

Процессы,изучаемые молекулярной физикой, являютсярезультатом совокупного действияогромного числа молекул. Поэтому вмолекулярной физике оперируют нехарактеристиками каждой частицы, анекоторыми средними значениями величин,взятыми по всем частицам.

Например,температура тела определяется(обусловлена) скоростью беспорядочногодвижения молекул, но так как в любоймомент времени различные молекулы имеютразличные скорости, то она может бытьвыражена через среднее значение скоростидвижения молекул.

Нельзяговорить о температуре одной молекулы.

12. 2. 1. Основные понятия термодинамики

Термодинамическаясистема— совокупностьмакроскопических тел, которые обмениваютсяэнергией как между собой, так и с внешнейсредой.

Внешняясреда— тела,не входящие в исследуемую термодинамическуюсистему.

Замкнутаятермодинамическаясистема— система,не обменивающаяся с внешней средой ниэнергией, ни веществом.

Термодинамическиепараметры (параметры состояния)— совокупностьфизических величин, характеризующихсвойства термодинамической системы.Обычно в качестве параметров состояниявыбирают объём, давление и температуру.

Термодинамическийпроцесс— любоеизменение в термодинамической системе,связанное с изменением хотя бы одногоиз её термодинамическ их параметров.

Термодинамическоеравновесие— неизменностьсостояния системы с течением времени,при этом предполагается, что внешниеусловия системы так же не изменяются.

В термодинамикепостулируется, что каково бы ни былоначальное состояние тел изолированнойсистемы, в ней, в конце концов, установитсятермодинамическое равновесие.

Это утверждение называютобщим началомтермодинамики.

Переход системы в состояниетермодинамического равновесия называетсярелаксацией.

Подтермодинамически равновесным состояниемподразумевается такое состояниефизической системы, в которое онасамопроизвольнопереходитчерез достаточно большой промежутоквремени в условиях изоляции от внешнейсреды.

В состоянии термодинамическогоравновесия в системе прекращаются всенеобратимыепроцессы,связанные с диссипацией энергии:теплопроводность, диффузия, химическиереакции и другие. Параметры системы,находящейся в состоянии термодинамическогоравновесия, не меняются со временем.

Строго говоря, те параметры системы,которые не фиксируют заданные условиясуществования системы, могут испытыватьмалые колебания относительно своихсредних значений флуктуации.

Существование температурыкак параметра, единого для всех частейнаходящейся в равновесии системы,называют нулевымначаломтермодинамики.

Источник: https://studfile.net/preview/5735817/

Предмет и методы молекулярной физики

Методы молекулярной физики

Молекулярная физика представляет собой раздел физики, изучающий строение и свойства вещества, исходя и так называемых молекулярно-кинетических представлений. Согласно этим представлениям любое тело (твердое, жидкое, газообразное) состоит из большого количества весьма малых обособленных частиц – молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы).

Это представление возникло ещё в глубокой древности и было отчетливо высказано греческим философом Демокритом (Vв. до н.э.).

Однако в дальнейшем эти атомистские воззрения были забыты и возрождены лишь во второй половине XVIIв. Бойлем, а затем в 18-19в.в. разработаны Ломоносовым, Дальтоном, Кренигом, Больцманом, Максвеллом и др.

в качестве научной теории, получившей название молекулярно-кинетической теории.

Основоположником этой теории является Ломоносов, который впервые заявил, что любое тело состоит из мельчайших частиц – корпускул, имеющих форму шара с шероховатой поверхностью. При движении эти частицы сталкиваются друг с другом и из-за шероховатости приобретают вращательное движение.

Т.е. Ломоносов высказал мысль о том, что молекулы движутся не только поступательно, но и вращательно. Этим самым он опроверг теорию теплорода, согласно которой теплота рассматривалась как особая жидкость, которая впитывалась телами в различной степени в зависимости от теплового состояния.

Ломоносов также впервые ввел понятие абсолютного нуля. Он заявил, что должна существовать наивысшая степень холода, при которой отсутствует какое либо движение частиц, включая и вращательное. Непосредственным доказательством хаотичности теплового движения является броуновское движение.

Особенно стоит отметить труды русского ученого и мыслителя М.В. Ломоносова (1711-1765г.г.), который предпринял попытку дать единую картину всех известных в его время физических и химических явлений.

При этом он исходил из корпускулярного (по современной терминологии – молекулярного) представления о строении материи.

Восставая против господствовавшей в его время теории теплорода (гипотетической тепловой жидкости, содержание которой в теле определяет степень его нагретости), Ломоносов «причину тепла» видит в во вращательном движении частиц тела.

Таким образом, Ломоносовым были по существу сформулированы молекулярно-кинетические представления. Также М.В. Ломоносов впервые объяснил природу теплоты на основе беспорядочного движения молекул. По его представлениям температура вещества не имеет ограничения сверху, т.к.

скорости теплового движения молекул могут быть сколь угодно велики. При уменьшении скорости молекул до нуля должно быть достигнуто минимально возможное значение температуры вещества. Объяснение природы теплоты движением молекул и вывод о существовании температуры абсолютного нуля, сделанный Ломоносовым, получили теоретическое и экспериментальное подтверждение в конце 19в.

Представления о молекулярном строении тел Ломоносовым высказывались в следующей форме.

Он писал: «Нельзя также отрицать движение тел там, где глаз его не видит; кто будет отрицать, что движутся листья и ветви деревьев при сильном ветре, хотя издали он не заметит никакого движения.

Как здесь из-за отдаленности, так и в горячих телах вследствие малости частичек вещества движение скрывается от взоров». Т.е. причина того, что тела нам представляются сплошными в том, что атомы и молекулы чрезвычайно малы.

Как уже говорилось благодаря трудам многих ученых, начало которым положил Ломоносов, Атомистика во второй половине 19в. – начале 20в. превратилась в научную теорию.

Для характеристики масс атомов и молекул применяют величины, получившие название относительной атомной массы элемента (сокращенно – атомной массы) и относительной молекулярной массы вещества (сокращенно – молекулярной массы).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Атомной массой (Ar) химического элемента называется отношение массы атома этого элемента к 1/12 массы атома С12.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Молекулярной массой (Mr) вещества называется отношение массы молекулы этого вещества к 1/12 массы атома С12.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Единица массы, равная 1/12 массы атома С12, называется атомной единицей массы (а.е.м.).

Тогда, масса атома, выраженная в кг, будет равна Ar×mед., а масса молекулы Mr×mед., где mед. – атомная единица массы, выраженная в кг.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Количество вещества, в котором содержится число частиц (атомов или молекул), равное числу атомов в 0,012кг изотопа углерода С12, называется молем.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Число частиц, содержащееся в моле (или в киломоле) вещества, называется числом Авогадро.

NA=6,023×1023моль-1=6,023×1026кмоль-1.

Итак, в 1 моле меди (Cu) содержится NA атомов Cu; в 1 моле азота содержится NA атомов азота и т.д.

Масса моля называется молярной массой М.

Молярная масса . (*)

Для углерода С12: ‑ М=12кг/кмоль, масса атома рана 12·mед.. Тогда из (*) следует:

12кг/кмоль=NA(кмоль-1)×12×mед.(кг).

Отсюда

.

Зная число Авогадро, получаем: .

Таким образом, масса любого атома равна 1,66×10-27×Ar, (кг), а масса любой молекулы: 1,66×10-27×Mr, (кг).

Так как произведение NA×mед. численно рано “1”, то масса киломоля M численно рана относительной молекулярной массе Mr. (При этом Mr – безразмерная величина, [M] = [кг/кмоль]).

Или

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Количество вещества, масса которого, выраженная в кг, численно равна его молекулярному весу, называется кмолем.

Проведем теперь оценку размеров молекул.

Предположив, что в жидкостях молекулы располагаются достаточно близко друг к другу, приближенную оценку объема одной молекулы получим, разделив объем киломоля жидкости, например, воды на число молекул в киломоле NA. Киломоль (т.е., 18 кг) воды занимает объем 0,018м3. Следовательно, на долю одной молекулы приходится объем равный . Отсюда линейные размеры молекул воды приблизительно равны .

У молекул других веществ размеры молекул того же порядка.

2. Молекулы, образующие тело, находятся в состоянии непрерывного беспорядочного (хаотичного) движения.

При этом молекулы, сталкиваясь друг с другом, изменяют свою скорость как по величине, так и по направлению. Правда, столкновения в обычном смысле этого слова не происходит, т.к.

соприкосновению молекул препятствуют резко возрастающие при сближении силы отталкивания. Однако действие этих сил приводит к такому же результату, как и обычное столкновение, т.е.

к отскакиванию сблизившихся молекул друг от друга.

Скорость движения молекул в теле связана с его температурой, чем больше скорость, тем выше температура тела.

Непрерывное хаотическое движение молекул наглядно обнаруживается в явлениях диффузии и броуновского движения.

3. Между молекулами вещества одновременно действуют силы взаимного притяжения (сцепления) и силы взаимного отталкивания (иначе говоря, силы взаимодействия).

Согласно экспериментальным и теоретическим исследованиям межмолекулярные силы взаимодействия “f” обратно пропорциональны n-ой степени расстояния r между ними, т.е. .

Для сил притяжения – n=7;

Для сил отталкивания – n=9…15.

Только при таком соотношении между fприт. и fотталк. молекулы могут находиться в устойчивом равновесии на некотором расстоянии друг от друга.

Примерный характер потенциальной энергии взаимодействия молекул в зависимости от расстояния между ними показан на рисунке.

Равновесное расстояние r0 между молекулами составляет около 3×10-8см (на этом расстоянии F = 0). На расстоянии r ≥ 1,5×10‑7см межмолекулярные силы практически перестают действовать (F®0), т.е.

силы межмолекулярного взаимодействия проявляются на расстояниях такого же порядка, что и размер самих молекул.

(Силы межмолекулярного взаимодействия на больших расстояниях имеют электрическую природу, обусловленную тем, что молекулы состоят из электрически заряженных частиц и молекулы либо изначально полярны, в силу несимметричности расположения зарядов, либо, имея нулевой средний по времени дипольный момент, обладают ненулевым мгновенным дипольным моментом, в силу непрерывного движения составляющих их заряженных частиц).

——— « » ———

Для того чтобы исследовать структуру вещества и происходящие в нем процессы используют 2 (два) метода (подхода):

Молекулярно-кинетическая теория ставит целью истолковать те свойства тел, которые непосредственно наблюдаются на опыте, например давление, температуру и другие параметры, как суммарный результат действия молекул. Для этого она пользуется статистическим методом, т.е. вычисляет средние величины, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц.

Другим методом изучения различных свойств вещества является термодинамический метод, который в отличие от статистического не интересуется микроскопической картиной.

В основе термодинамического метода лежат несколько фундаментальных законов, установленных на основании огромного числа опытных фактов, например, законы сохранения и перехода энергии.

В отличие от молекулярно-кинетической теории термодинамика изучает макроскопические свойства тел и явлений природы, не интересуясь их микроскопической картиной.

В основе термодинамики лежат несколько фундаментальных законов (называемых началами термодинамики), установленных на основании обобщения большой совокупности опытных данных. В силу этого выводы термодинамики имеют весьма общий характер.

1 начало – закон сохранения и превращения энергии в тепловых процессах.

2 начало – указывает направление протекания тепловых процессов.

3 начало – заключается в том, что абсолютный нуль температуры недостижим.

Термодинамический метод позволяет, не делая никаких предположений о молекулярном строении вещества, получить основные закономерности для тепловых процессов, установить связь между ними.

Статистический и термодинамический методы дополняют друг друга, образуя единое целое.

Для описания поведения термодинамических систем (газы, жидкости и т.д.) пользуются следующими величинами: давлением p , объемом V и абсолютной температурой T , которые называют термодинамическими параметрами. Первые два параметра достаточно хорошо известны, поэтому рассмотрим подробнее температуру.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/4_109193_predmet-i-metodi-molekulyarnoy-fiziki.html

Предмет и методы молекулярной физики Физические основы молекулярнокинетической

Методы молекулярной физики

Предмет и методы молекулярной физики. Физические основы молекулярнокинетической теории (МКТ). Идеальный газ как модельная термодинамическая система. Уравнение состояния. Основное уравнение МКТ идеального газа.

• Молекулярная физика – раздел курса общей физики, в котором изучаются макроскопические свойства вещества, обусловленные его молекулярным строением, характером движения молекул и силами, действующими между ними.

• Задачи молекулярной физики решаются методами статистической механики, термодинамики и физической кинетики, они связаны с изучением движения и взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих физические тела.

• Молекулярная физика и термодинамика изучают поведение макросистем. Макросистемой называется система, состоящая из очень большого числа частиц.

• Область физики, в которой изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их микроскопического (молекулярного) строения, называется молекулярной физикой; рассматриваются строение и свойства тел, фазовые превращения, явления переноса и др.

Два метода молекулярной физики: Статистический Термодинамический В статистическом методе микроскопические величины, характеризующие движение молекулы, являются случайными.

Для построения теории : гипотетическая модель механизма молекулярного движения и строения вещества-> разрабатываются методы нахождения плотности вероятностей величин -> вычисляют средние значения этих величин.

Позволяет установить связь поведения системы в целом с поведением и свойствами отдельных частиц.

В термодинамическом методе исследования вещества, в отличие от статистического, ставится своей задачей установление зависимости между наблюдаемыми макроскопическими (измеряемыми в опыте) величинами, (давление, температура, объем, концентрация, напряженность электр. или маг. поля и т. п. ) Позволяет изучать явления без знания внутренних их внутренних механизмов (и моделей).

• Основой молекулярной физики является молекулярнокинетическая теория (МКТ), родоначальником которой был М. В. Ломносов. • Физические основы молекулярно-кинетической теории: 1. Все вещества в природе — жидкие, твердые, газообразные — состоят из мельчайших частиц (атомов и молекул).

Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т. е. состоять из одного или нескольких атомов. Атом- наименьшая частица. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы.

При определенных условиях молекулы и атомы могут превращаться в положительные или отрицательные ионы. 2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении, которое называется тепловым движением 3.

Частицы вещества взаимодействуют друг с другом: существуют силы притяжения или отталкивания, зависящие от расстояния между частицами. Силы имеют электрическую природу, так как гравитационная сила пренебрежимо мала.

• Экспериментальное подтверждение МКТ: • Существует множество молекул и известно 113 разных атомов- химических элементов. Атомы химических элементов, комбинируясь друг с другом создают миллионы существующих молекул.

• Броуновское движение – тепловое движение мельчайших микроскопических частиц, взвешенных в газе или жидкости, под влиянием беспорядочных ударов молекул. Скорость беспорядочно меняется по модулю и амплитуде- траектория зигзагообразная кривая.

• Диффузия- самопроизвольное проникновение и перемешивание частиц двух или более соприкасающихся веществ — проявление хаотического теплового движения.

• Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. • Термодинамическая температура T и температура по Международной шкале t связаны соотношением: T=273.

16+t • Температура T=0 называется абсолютным нулем; 0 К недостижим, хотя приближение к нему сколь угодно близко возможно. • Атомный вес (атомная масса) A химического эелемнта — отношение массы атома этого элемента к 1/12 массы атома углерода С 12. Атомный вес С 12 равен 12.

За единицу массы атомов и молекул принимается 1/12 массы атома изотопа углерода 12 C (с массовым числом 12). Она называется атомной единицей массы (а. е. м. ): 1 а. е. м. = 1, 66· 10– 27 кг. • Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц (молекул), сколько содержится атомов в 0, 012 кг углерода 12 C.

Молекула углерода состоит из одного атома. • Таким образом, в одном моле любого вещества содержится одно и то же число частиц (молекул). Это число называется постоянной Авогадро NA = 6, 02· 1023 моль– 1.

• Состояние макросистемы характеризуют величинами, которые называют термодинамическими параметрами (давление, температура, объём и т. д. ). • Соотношение дающее взаимосвязь между параметрами какого-либо тела, называется уравнением состояния этого тела.

Уравнение состояния данной массы газа: • Аналитический вид закона Бойля –Мариотта (T=const): • Изотерма- совокупность состояний, отвечающих одной и той же температуре, определяемая уравнением Бойля-Мариотта.

Изотермический процесс-переход из одного состояния в другое при постоянной температуре.

• Закон Гей-Люссака-при неизменном давлении объём данной массы газа меняется линейно с температурой: • При постоянном объеме: • t° — температура по шкале Цельсия, V 0 -объем при 0° С, p 0 — давление при 0° С, α- коэффициент равный 1/273 1/град. • Процесс, протекающий при постоянном давлении, называется изобарическим. • Процесс, протекающий при неизменном объеме, называется изохорическим. Изобара Изохора

• Идеальный газ- математическая модель газа, для которой: • потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией; • соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги; • время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями. • На основе МКТ и свойства ид. газа приняты следующие допущения: • Диаметр молекулы

Источник: https://present5.com/predmet-i-metody-molekulyarnoj-fiziki-fizicheskie-osnovy-molekulyarnokineticheskoj/

Введение. Предмет и задачи молекулярной физики и термодинамики — Учебник по молекулярной физике

Методы молекулярной физики

Молекулярная физика –раздел физики, изучающий строение и свойства вещества исходя измолекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все теласостоят из молекул (атомов), находящихся в непрерывном хаотическом движении.

Законы поведения совокупностей молекулявляются статистическими закономерностями и изучаются с помощью статистического метода, согласнокоторому свойства макроскопической системы, в конечном счете, определяютсясвойствами частиц системы, особенностями их движения и усредненными значениямидинамических характеристик частиц (скорости, ускорения, и т. д.).

Термодинамика— раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихсяв состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этимисостояниями. В основе термодинамики лежат несколькофундаментальных законов (начал), которые обобщают экспериментальные данные ивыполняются независимо от конкретной природы макроскопической системы.

Термодинамическая система –совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваютсяэнергией, как между собой, так и с другими телами. Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрамисостояния) – совокупностью физических величин, характеризующих свойстватермодинамической системы (температура,давление, объем и т. д.).

Температура –физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесиямакроскопической системы.

История «температуры»

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода.

По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами.

Из того, что температура — это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях).

Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F — 32), 1 °F = 5/9 °С. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.

Шкала Кельвина
В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д.

Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Шкала Цельсия
В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия — особая точка дляметеорологии, поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.Любоеизменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного изее термодинамических параметров, называется термодинамическим процессом. Макроскопическая система находится всостоянии термодинамического равновесия, если ее состояние не изменяется стечением времени. У молекулярной физики и термодинамики общий предмет изучения –свойства веществ и происходящие в них процессы. Подходя к изучению этих свойстви процессов с различных точек зрения, молекулярная физика и термодинамикавзаимно дополняют друг друга, образуя единое целое.

Пересчёт температуры между основными шкалами

Кельвин

Цельсий

Фаренгейт

Кельвин (K)

= K

= С + 273,15

= (F + 459,67) / 1,8

Цельсий (°C)

= K − 273,15

= C

= (F − 32) / 1,8

Фаренгейт (°F)

= K · 1,8 − 459,67

= C · 1,8 + 32

= F

 Сравнение температурных шкал

Описание

КельвинЦельсий

Фаренгейт

НьютонРеомюр

Абсолютный ноль

0

−273.15

−459.67

−90.14

−218.52

Температура таяния смеси Фаренгейта (соли и льда в равных количествах)

255.37

−17.78

0

−5.87

−14.22

Температура замерзания воды (нормальные условия)

273.15

0

32

0

0

Средняя температура человеческого тела¹

310.0

36.8

98.2

12.21

29.6

Температура кипения воды (нормальные условия)

373.15

100

212

33

80

Температура поверхности Солнца

5800

5526

9980

1823

4421

Сопоставление шкал Фаренгейта и Цельсия

(oF — шкала Фаренгейта, oC — шкала Цельсия)

oF

oC

oF

oC

oF

oC

oF

oC

-459.67-450-400-350-300-250-200-190-180-170-160-150-140-130-120-110-100-95-90-85-80-75-70

-65

-273.15-267.8-240.0-212.2-184.4-156.7-128.9-123.3-117.8-112.2-106.7-101.1-95.6-90.0-84.4-78.9-73.3-70.6-67.8-65.0-62.2-59.4-56.7

-53.9

-60-55-50-45-40-35-30-25-20-19-18-17-16-15-14-13-12-11-10-9-8-7-6

-5

-51.1-48.3-45.6-42.8-40.0-37.2-34.4-31.7-28.9-28.3-27.8-27.2-26.7-26.1-25.6-25.0-24.4-23.9-23.3-22.8-22.2-21.7-21.1

-20.6

-4-3-2-1

0

123456789101112131415161718

19

-20.0-19.4-18.9-18.3

-17.8

-17.2-16.7-16.1-15.6-15.0-14.4-13.9-13.3-12.8-12.2-11.7-11.1-10.6-10.0-9.4-8.9-8.3-7.8

-7.2

2021222324253035404550556065707580859095100125150

200

-6.7-6.1-5.6-5.0-4.4-3.9-1.11.74.47.210.012.815.618.321.123.926.729.432.235.037.851.765.6

93.3

Источник: https://www.sites.google.com/site/ucebnikpomolekularnojfizike/vvedenie-predmet-i-zadaci-molekularnoj-fiziki-i-termodinamiki

Booksm
Добавить комментарий