Конспект лекций «Молекулярная физика и термодинамика»

Молекулярная физика – раздел физики, изучающий внутреннее строение физических тел и их свойства в разных агрегатных состояниях.

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ)

Основные положения:

1. Все тела состоят из мельчайших частиц, которые называются атомами (молекулами)

2. Атомы (молекулы) находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Атомы (молекулы) взаимодействуют между собой. Природа взаимодействии – электромагнитная.

Атом – наименьшая частица определенного химического элемента

Молекула – наименьшая устойчивая частица определенного вещества, состоящая из атомов и обладает основными химическими свойствами.

Масса и размеры атомов (молекул).

Размеры атомов или молекул очень малы, что увидеть их в оптическом диапазоне невозможно. Например, методами рентгеноструктурного анализа был установлен размер молекулы кислорода 4*10^-10м

Массы молекул тоже очень маленькие. Например, масса молекулы воды 3*10^-26кг.

В силу таких маленьких величин, в молекулярной физике массы характеризуют не их абсолютным значением, а относительными единицами – атомной единицей массы (а.е.м).

1 а.е.м. = m₀ = 1.66 * 10^-27 кг – это масса 1/12 массы изотопа углерода

Относительная молекулярная масса – это отношение массы молекулы к массе 1/12

Относительная атомная масса - это отношение массы молекулы к массе 1/12

Количество вещества – это отношение количества молекул N к количеству атомов в 0.012 кг углерода (постоянная Авогадро).

Постоянная Авогадро – это количество молекул, содержащихся в одном моле любого вещества.

Молярная масса – это масса одного моля вещества.

Концентрация – это количество молекул в единице объема.

Броуновское движение – хаотическое движение, взвешенных в жидкости или газе, броуновских частиц. (открыто в 1827 г. Р. Броуном).

Причиной броуновского движения является хаотическое движение молекул газа или жидкости, которые ударяясь об броуновские частицы сообщают им движение. Таким образом броуновское движение является отражением хаотического движения молекул. Броуновские частицы – это частицы достаточно малые, чтобы двигаться вследствие соударения с молекулами газа или жидкости, но достаточно большие, чтобы можно было их наблюдать в оптическом диапазоне электромагнитных волн.

Диффузия – явление взаимного проникновения частиц одного вещества в другое вещество.

Вообще говоря, диффузия вызывает взаимное перемешивание веществ вследствие их хаотического движения. Хотя интенсивность диффузии зависит от рода диффундирующих веществ и от агрегатного состояния, очевидно, что с ростом температуры, скорость протекания диффузии увеличивается. Например, в твердых телах диффузия проходит очень медленно, а в газах наиболее быстро.

Температура – это скалярная физическая величина, характеризующая состояние тел в тепловом равновесии. Свойство температуры определять направление теплообмена.

В молекулярной физике используют термодинамическую шкалу температур, поскольку она не зависит от свойств термометрического тела. (предложена Кельвином). По этой шкале за начало отсчета берется температура абсолютного нуля, а размер градуса совпадает с градусом цельсия.

Связь между шкалой Цельсия и Кельвина:

Однако, мы будем применять такую связь

Абсолютный нуль – это температура, при которой средняя энергия хаотического движения равна нулю.

Самая низкая температура, достигнутая человеком, была получена в 1995 году Эриком Корнеллом и Карлом Виманом из США при охлаждении атомов рубидия. T=5,9·10^-12 K.

Свойства газов.

· Занимает весь предоставленный объем.

· Расстояния между молекулами больше размеров молекул.

Идеальный газ – модель газа, в которой молекулы газа представляются идеально упругими шариками, которые не притягиваются.

Давление – это физическая величина, определяемая силой действующей на единицу площади

Другие единицы измерения давления:

Миллиметр ртутного столба

Физическая атмосфера

Бар

Прибор для измерения давления называется – манометр.

Основное уравнение МКТ

Возьмем полый куб со стороной l и с концентрацией молекул n. При движении каждая молекула обладает импульсом . Считаем удары молекул о стенку сосуда абсолютно упругими. После удара импульс молекулы изменяется на , а стенка получает такой-же по величине импульс. По второму закону Ньютона:

Сила давления газа на стенку сосуда равна сумме сил от отдельной ударяющейся молекулы.

Средней квадратичной скоростью называется величина:

Тогда:

На одну стенку действует сила , т.к. 6 стенок площадью l². Наконец:

Получаем основное уравнение МКТ (3 формы):

1.

2.

3.