Физика лекции и примеры решения задач

 

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

Основные понятия и определения молекулярной

физики и термодинамики

Рассмотрим несколько терминов и понятий, широко используемых в термодинамике и молекулярной физике.

Совокупность тел, составляющих макроскопическую систему, называется термодинамической системой.

Система может находиться в различных состояниях. Величины, характеризующие состояние системы, называются параметрами состояния: давление P, температура T, объём V и так далее. Связь между P, T, V специфична для каждого тела и называется уравнением состояния.

Любой параметр, имеющий определённое значение для каждого равновесного состояния, является функцией состояния системы.

Равновесной называется такая система, параметры состояния которой одинаковы во всех точках системы и не изменяются со временем (при неизменных внешних условиях). При этом в равновесии находятся отдельные, макроскопические части системы.

Термодинамическое равновесие существенно отличается от механического тем, что хотя параметры системы остаются неизменными, частицы, из которых состоит система, находятся в непрерывном движении.

Например, рассмотрим газ, равномерно распределенный по всему объему. При огромном числе молекул, некоторые из них отклоняются от равномерного распределения. Параметры состояния не остаются строго постоянными, а испытывают небольшие колебания внутри своих равновесных состояний. Такие колебания называются флуктуациями.

Процесс – переход из одного равновесного состояния в другое.

Релаксация – возвращение системы в равновесное состояние. Если система выведена из состояния равновесия и предоставлена самой себе, то есть, не подвержена внешним воздействиям, то в течение достаточно большого промежутка времени самопроизвольно происходит процесс перехода к равновесному состоянию. Время перехода – время релаксации.

Если равновесие установилось, то система самопроизвольно не сможет выйти из него. Например, если опустить горячий камень в холодную воду, то через некоторое время наступит равновесное состояние: температуры выровняются. Но обратный процесс невозможен – температура камня самопроизвольно не увеличится.

Атомная единица массы (а.е.м.) – единица массы, равная 1/12 массы изотопа углерода 12С – mC:

Атомная масса химического элемента (атомный вес) А есть отношение массы атома этого элемента mA к 1/12 изотопа углерода С12 (атомная масса – безразмерная величина).

Молекулярная масса (молекулярный вес)

Отсюда можно найти массу атома и молекулы в килограммах:

.

В термодинамике широко используют понятия киломоль, моль, число Авогадро и число Лошмидта. Дадим определения этих величин.

Моль – это стандартизированное количество любого вещества, находящегося в газообразном, жидком или твердом состоянии.

1 моль – количество грамм вещества, равное его молекулярной массе.

avogadro-200Соответственно для киломоля: 1 – киломоль это количество килограмм вещества, равное его молекулярной массе.

Или по-другому: количество вещества, масса которого, выраженная в килограммах, равна его молекулярному весу, называется киломолем μ:

.

Авогадро Амедео (1776–1856) – итальянский физик и химик. Основные физические работы посвящены молекулярной физике. Уже первыми своими исследованиями в этой области заложил основы молекулярной теории, выдвинув молекулярную гипотезу. Открыл важный для химии и физики закон, по которому в равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое количество молекул (закон Авогадро). Исходя из этого закона, разработал метод определения молекулярного и атомного веса.

В 1811 г. Авогадро высказал предположение, что число частиц в киломоле любого вещества постоянно и равно величине, названной впоследствии числом Авогадро:

Молярная масса – масса одного моля (µ):

При одинаковых температурах и давлениях все газы содержат в единице объёма одинаковое число молекул. Число молекул идеального газа, содержащихся в 1 м3 при нормальных условиях, называется числом Лошмидта:

.

Нормальные условия: P0 = 105 Па; Т0 = 273 К

Под идеальным газом мы будем понимать газ, для которого:

радиус взаимодействия двух молекул много меньше среднего расстояния между ними (молекулы взаимодействуют только при столкновении);

столкновения молекул между собой и со стенками сосуда – абсолютно упругие (выполняются законы сохранения энергии и импульса);

объем всех молекул газа много меньше объема, занятого газом.

Следует помнить, что классические представления в молекулярно-кинетической теории и термодинамике, как и вообще в микромире, не объясняют некоторые явления и свойства. Здесь, как и в механике, условием применимости классических законов является выполнение неравенства

,

где m – масса, υ – скорость, R – размер пространства движения частицы, ,  – постоянная Планка (М. Планк (1858-1947) – немецкий физик–теоретик). В противном случае используются квантово-механические представления.