Молекулярная физика. Вопросы по физике

Опытное обоснование основных положений МКТ:

Молекулярно-кинетическая теория – учение о строении и свойствах вещества, использующее представление о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химического вещества. В основе МКТ лежат три строго доказанных с помощью опытов утверждения:

· Вещество состоит из частиц – атомов и молекул, между которыми существуют промежутки;

· Эти частицы находятся в хаотическом движении, на скорость которого влияет температура;

· Частицы взаимодействуют друг с другом.

То, что вещество действительно состоит из молекул, можно доказать, определив их размеры: Капля масла расплывается по поверхности воды, образуя слой, толщина которого равна диаметру молекулы. Капля объемом 1 мм 3 не может расплыться больше, чем на 0,6 м 2:

Существуют также другие способы доказательства существования молекул, но перечислять их нет необходимости: современные приборы (электронный микроскоп, ионный проектор) позволяют видеть отдельные атомы и молекулы.

Силы взаимодействия молекул . а) взаимодействие имеет электромагнитный характер; б) силы короткодействующие, обнаруживаются на расстояниях, сопоставимых с размерами молекул; в) существует такое расстояние, когда силы притяжения и отталкивания равны (R 0), если R>R 0 , тогда преобладают силы притяжения, если R

Действие сил молекулярного притяжения обнаруживается в опыте со свинцовыми цилиндрами, слипающимися после очистки их поверхностей.

Молекулы и атомы в твердом теле совершают беспорядочные колебания относительно положений, в которых силы притяжения и отталкивания со стороны соседних атомов уравновешены. В жидкости молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседнее, эти перескоки молекул являются причиной текучести жидкости, ее способности принимать форму сосуда. В газах обычно расстояния между атомами и молекулами в среднем значительно больше размеров молекул; силы отталкивания на больших расстояниях не действуют, поэтому газы легко сжимаются; практически отсутствуют между молекулами газа и силы притяжения, поэтому газы обладают свойством неограниченно расширяться.

Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро:

Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Единицей количества вещества является моль . Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же частиц, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода.

Отношение числа молекул к количеству вещества называется постоянной Авогадро:

Постоянная Авогадро равна

. Она показывает, сколько атомов или молекул содержится в одном моле вещества.

Количество вещества можно найти как отношение числа атомов или молекул вещества к постоянной Авогадро:

Молярной массой называется величина, равная отношению массы вещества к количеству вещества:

Молярную массу можно выразить через массу молекулы:

Для определения массы молекул нужно разделить массу вещества на число молекул в нем:

Броуновское движение:

Броуновское движение – тепловое движение взвешенных в газе или жидкости частиц. Английский ботаник Роберт Броун (1773 – 1858) в 1827 году обнаружил беспорядочное движение видимых в микроскоп твердых частиц, находящихся в жидкости. Это явление было названо броуновским движением. Это движение не прекращается; с увеличением температуры его интенсивность растет. Броуновское движение – результат флуктуации давления (заметного отклонения от средней величины).

Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга.

Идеальный газ:

У разреженного газа расстояние между молекулами во много раз превышает их размеры. В этом случае взаимодействие между молекулами пренебрежимо мало и кинетическая энергия молекул много больше потенциальной энергии их взаимодействия.

Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии вместо реального газа используется его физическая модель - идеальный газ. В модели предполагается:

Расстояние между молекулами чуть больше их диаметра;

Молекулы – упругие шарики;

Между молекулами не действуют силы притяжения;

При соударении молекул друг с другом и со стенками сосуда действуют силы отталкивают;

Движения молекул подчиняется законам механики.

Основное уравнение МКТ идеального газа:

Основное уравнение МКТ позволяет вычислить давление газа, если известны масса молекулы, среднее значение квадрата скорости и концентрация молекул.

Давление идеального газа заключается в том, что молекулы при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела. При столкновении молекулы со стенкой сосуда проекция скорости v x вектора скорости на ось OX, перпендикулярную стенке, изменяет свой знак на противоположный, но остается постоянной по модулю. Поэтому в результате столкновений молекулы со стенкой проекция ее импульса на ось OX изменяется от mv 1x =-mv x до mv 2x =mv x . Изменение импульса молекулы при столкновении со стенкой вызывает сила F 1 , действующая на нее со стороны стенки. Изменение импульса молекулы равно импульсу этой силы:

Во время столкновения, согласно третьему закону Ньютона, молекула действует на стенку с силой F 2 , равной по модулю силе F 1 и направленной противоположно.

Молекул много, и каждая передает стенке при столкновении такой же импульс. За секунду они передают импульс

, где z – число столкновений всех молекул со стенкой, которое пропорционально концентрации молекул в газе, скорости молекул и площади поверхности стенки: . К стенке движется только половина молекул, остальные движутся в обратную сторону: . Тогда полный импульс, переданный стенке за 1 секунду:

. Согласно второму закону Ньютона изменение импульса тела за единицу времени равно действующей на него силе:

Учитывая, что не все молекулы имеют одинаковую скорость, сила, действующая на стенку будет пропорциональна среднему квадрату скорости. Так как молекулы движутся во всех направлениях, средние значения квадратов проекций скорости равны. Следовательно, средний квадрат проекции скорости:

; . Тогда давление газа на стенку сосуда равно:

- основное уравнение МКТ.

Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа:

, получим

Температура и ее измерение:

Основное уравнение МКТ для идеального газа устанавливает связь легко измеряемого макроскопического параметра – давления – с такими микроскопическими параметрами газа, как средняя кинетическая энергия и концентрация молекул. Но, измерив только давление, мы не можем узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужны измерения еще какой-то физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул. Такой величиной является температура .

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия. Тепловое равновесие – это такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными.

Температура характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру .

Для измерения температуры можно воспользоваться изменением любой макроскопической величины в зависимости от температуры: объема, давления, электрического сопротивления и т.д.

Чаще всего на практике используют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры. При градуировке термометра обычно за начало отсчета (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении (шкала Цельсия). Так как различные жидкости расширяются при нагревании неодинаково, то установленная таким образом шкала будет до некоторой степени зависеть от свойств данной жидкости. Конечно, 0 и 100°С будут совпадать у всех термометров, но 50°С совпадать не будут.

Основные положения МКТ:

Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов («элементарных молекул»). Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Диффузия:

Диффузия - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

Броуновское движение:

Броуновское движение -беспорядочное движение микроскопических видимых, взвешенных в жидкости или газе частиц твердого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа. Броуновское движение никогда не прекращается. Броуновское движение связано с тепловым движением, но не следует смешивать эти понятия. Броуновское движение является следствием и свидетельством существования теплового движения.

Постоянная Авогадро:

П остоянная Авогадро - физическая величина, численно равная количеству специфицированных структурных единиц (атомов,молекул,ионов,электронов или любых других частиц) в 1 молевещества. Определяется как количество атомов в 12граммах(точно) чистогоизотопауглерода-12. Обозначается обычно как N A , реже как L .

N A = 6,022 141 29(27)·10 23 моль −1 .

Количество вещества:

Количество вещества - физическая величина, характеризующая количество однотипных структурных единиц, содержащихся ввеществе. Под структурными единицами понимаются любые частицы, из которых состоит вещество (атомы,молекулы,ионы,электроныили любые другие частицы).Единица измеренияколичества вещества вСИ-моль.

Взаимодействие молекул. Природа сил межмолекулярного взаимодействия. График зависимости их от расстояния.

Взаимодействие молекул:

Газы : расстояние между атомами или молекулами в среднем во много раз превышает размеры самих молекул. Газы легко сжимаются. Молекулы с огромными скоростями движутся в пространстве. Газы не сохраняют обьема и формы. Мнодественные удары молекул газа о стенки сосуда создают давление газа (молекулы стоят свободно).Жидкости : Молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу. Жидкости текучи, не сохраняют формы, но сохраняют обьем (молекулы стоят не очень плотно друг к другу).Твердые тела : Сохраняют и обьем и форму. Если соеденить центры положения равновесий атомов или ионов твердого тела, то получится правильная пространственная решетка называемая кристалической (молекулы стоят очень плотно друг к другу).

Природа сил межмолекулярного взаимодействия:

Межмолекулярное взаимодействие имеет электростатическую природу. Предположение о его существовании было впервые использовано Я. Д. Ван-дер-Ваальсомв1873 годудля объяснения свойствреальных газов и жидкостей. В наиболее широком смысле под ним можно понимать такие взаимодействия между любыми частицами (молекулами, атомами, ионами), при которых не происходит образования химических, то есть ионных, ковалентных или металлических связей. Иными словами, эти взаимодействия существенно слабее ковалентных и не приводят к существенной перестройке электронного строения взаимодействующих частиц.

На больших расстояниях преобладают силы притяжения, которые могут иметь ориентационную, поляризационную (индукционную) и дисперсионную природу (см. подробнее в статьях ван-дер-ваальсово взаимодействиеидисперсионные силы). При усреднении по вращению частиц, происходящему вследствие теплового движения, потенциал межмолекулярных сил обратно пропорционален шестой степени расстояния, а ион-дипольных (как с постоянным, так и с наведенным диполем) - четвёртой степени. На малых расстояниях начинают преобладать силы отталкивания электронных оболочек частиц. Особым случаем является водородная связь - возникающее на малом расстоянии взаимодействие между атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом другой, когда эти атомы несут достаточно большой эффективный заряд.

График зависимости их от расстояния:

Идеальный газ. Основное уравнение МКТ идеального газа.

Идеальный газ:

Идеальный газ - математическая модельгаза, в которой предполагается, что: 1)потенциальной энергиейвзаимодействиямолекулможно пренебречь по сравнению с ихкинетической энергией; 2) суммарный объем молекул газа пренебрежимо мал. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосудаабсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями. В расширенной модели идеального газа частицы, из которого он состоит, имеют также форму в виде упругих сферилиэллипсоидов, что позволяет учитывать энергию не только поступательного, но и вращательно-колебательного движения, а также не только центральные, но и нецентральные столкновения частиц и др.

Основное уравнение МКТ идеального газа:

Молекулярно-кинетическая теория (сокращённо МКТ) - теория, возникшая в XIX веке и рассматривающая строение вещества, в основном газов, с точки зрения трёх основных приближенно верных положений:

все тела состоят из частиц: атомов,молекулиионов;

частицы находятся в непрерывном хаотическомдвижении (тепловом);

частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений.

МКТ стала одной из самых успешных физических теорий и была подтверждена целым рядом опытных фактов. Основными доказательствами положений МКТ стали:

Диффузия

Броуновское движение

Изменение агрегатных состояний вещества

Где k являетсяпостоянной Больцмана(отношениеуниверсальной газовой постоянной R кчислу АвогадроNA), i - число степеней свободы молекул ( в большинстве задач про идеальные газы, где молекулы предполагаются сферами малого радиуса, физическим аналогом которых могут служить инертные газы), а T - абсолютная температура.

Основное уравнение МКТ связывает макроскопические параметры (давление,объём,температура) газовой системы с микроскопическими (масса молекул, средняя скорость их движения).

Молекулярно-кинетический смысл температуры. Энергия и скорость теплового движения молекул.

Молекулярно-кинетический смысл температуры:

Если два тела находятся в тепловом равновесии, то температуры этих тел одинаковы. А это означает, что результирующий поток энергии от одного тела к другому равен нулю. Это условие выполняется при равенстве средних значений кинетической энергии движения молекул контактирующих тел.

Энергия и скорость теплового движения молекул:

Энергия :

Все молекулы вещества находятся в беспрерывном хаотическом движении (перемещаются, колеблются около положения равновесия и т.д.). Молекулы, находясь в движении, обладают кинетическими энергиями. Сумма кинетических энергий движущихся молекул составляет часть внутренней энергии тела (потенциальную энергию взаимодействия молекул пока не рассматриваем). Так вот эта "внутренняя энергия" и называется энергией теплового движения. Ею и определяется температура тела. (Т.е. ТЕМПЕРАТУРА- является мерой средней кинетической энергии молекул тела.)

Тепловое:

Движение молекул в разных телах происходит по-разному. Молекулы газов беспорядочно движутся с большими скоростями (сотни м/с) по всему объему газа. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга, изменяя величину и направление скоростей. Молекулы жидкости колеблются около равновесных положений (т.к. расположены почти вплотную друг к другу) и сравнительно редко перескакивают из одного равновесного положения в другое. Движение молекул в жидкостях является менее свободным, чем в газах, но более свободным, чем в твердых телах. В твердых телах частицы колеблются около положения равновесия. С ростом температуры скорость частиц увеличивается, поэтому хаотическое движение частиц принято называть тепловым.

Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары.

Испарение и конденсация:

Парообразование - процесс превращения жидкости в пар.

Конденсация - процесс превращения пара в жидкость.

ИСПАРЕНИЕ - процесс парообразования с поверхности жидкости или твердого тела.

Заключается в вылетании частиц (молекул, атомов), которых превышает потенциальную энергию их связи с остальными частицами вещества. Скорость испарения зависит от:

1. площади поверхности жидкости,

2. температуры (увеличивается), хотя происходит при любой температуре и не требует постоянного притока тепла. Температура жидкости уменьшается.

3. движения молекул над поверхностью жидкости или газа,

4. рода вещества.

Насыщенные и ненасыщенные пары:

Насыщенный:

Насыщенный пар - пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом того же состава. Давление насыщенного пара зависит от температуры и рода жидкости и не зависит от объема.

Ненасыщенный :

Ненасыщенный пар - пар, не достигший динамического равновесия со своей жидкостью. При данной температуре давление ненасыщенного пара всегда меньше давления насыщенного пара. При наличии над поверхностью жидкости ненасыщенного пара процесс парообразования преобладает над процессом конденсации, и потому жидкости в сосуде с течением времени становится все меньше и меньше. Давление ненасыщенного пара зависит от температуры, объема и рода жидкости.

Кипение. Зависимость температуры кипения от давления.

Кипение:

Кипение - процесс парообразования в жидкости (переход вещества из жидкого в газообразное состояние), с возникновением границ разделения фаз. Температура кипения при атмосферном давлении приводится обычно как одна из основных физико-химических характеристик химически чистого вещества.

Кипение отличается от испарения, тем, что может происходить при определённой температуре и давлении. Кипение, как и испарение, является одним из способов парообразования.

Кипение является фазовым переходом первого рода. Кипение происходит гораздо более интенсивно, чем испарение с поверхности, из-за образования очагов парообразования, обусловленных как достигнутой температурой кипения, так и наличием примесей.

Зависимость температуры кипения от давления:

Температу́ра кипе́ния, точка кипения - температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением. Температура кипения соответствует температуре насыщенного пара над плоской поверхностью кипящей жидкости, так как сама жидкость всегда несколько перегрета относительно температуры кипения.

Согласно уравнению Клапейрона - Клаузиуса с ростом давления температура кипения увеличивается, а с уменьшением давления температура кипения соответственно уменьшается. Предельной температурой кипения является критическая температура вещества. Так температура кипения воды будет изменяться на Земле в зависимости от высоты

Влажность воздуха. Точка росы.

Влажность воздуха:

Влажность воздуха - это величина, характеризующая содержание водяных паров в атмосфере Земли - одна из наиболее существенных характеристик погоды и климата.

Влажность воздуха в земной атмосфере колеблется в широких пределах. Так, у земной поверхности содержание водяного пара в воздухе составляет в среднем от 0,2 % по объёму в высоких широтах до 2,5 % в тропиках. Упругость пара в полярных широтах зимой меньше 1 мбар (иногда лишь сотые доли мбар) и летом ниже 5 мбар; в тропиках же она возрастает до 30 мбар, а иногда и больше. В субтропических пустынях упругость пара понижена до 5-10 мбар.

Абсолютная влажность воздуха (f) - это количество водяного пара, фактически содержащегося в 1 м³ воздуха. Определяется как отношение массы содержащегося в воздухе водяного пара к объёму влажного воздуха.

Обычно используемая единица абсолютной влажности - грамм на метр кубический, г/м³

Относительная влажность воздуха (φ) - это отношение его текущей абсолютной влажности к максимальной абсолютной влажности при данной температуре. Она также определяется как отношение парциального давления водяного пара в газе к равновесному давлениюнасыщенного пара.

Точка росы:

Температура точки росы газа (точка росы) - это значение температуры газа, ниже которой водяной пар, содержащийся в газе, охлаждаемом изобарически, становится насыщенным над плоской поверхностью воды.

Линейное тепловое расширение твердых тел. Коэффициент линейного расширения. Объемное тепловое расширение твердых тел. Связь между α и γ .

Линейное тепловое расширение твердых тел:

Тепловое расширение - изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры. Количественно тепловое расширение жидкостей и газов при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным коэффициентом теплового расширения). Для характеристики теплового расширения твёрдых тел дополнительно вводят коэффициент линейного теплового расширения.

Раздел физики изучающий данное свойство называется дилатометрией.

Тепловое расширение тел учитывается при конструировании всех установок, приборов и машин, работающих в переменных температурных условиях.

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером в соответствующем измерении при увеличении его температуры на расширяется на величину , равную:

где - так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.

Коэффициент линейного расширения:

Коэффициент теплового расширения - безразмерная величина, характеризующая относительное изменение объёма или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К при постоянном давлении.

Коэффициент линейного теплового расширения показывает относительное изменение длины тела при нагревании на температуру ΔT:

- относительное изменение линейного размера тела при нагревании его на dT градусов при постоянном давлении.

Объемное тепловое расширение твердых тел:

??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Cвязь между коэффициентами линейного и объемного расширения:

Пусть кубик со стороной l расширяется от нагревания. Его начальный объем равен V=l3. При нагревании на t каждая его сторона сделается равной l(1+at) и объем V" = l3(l+at)3. Следовательно, Мы видели, что a- величина весьма малая. Так как, кроме того, мы рассматриваем только небольшие изменения температуры, то члены 3a2t и a3t2 малы по сравнению с 3a (например, при a=2,0 10-5 К-1 и t=100 К член 3a2t в 500 раз меньше 3a, a член a3t2 в 750 000 раз меньше 3a). Поэтому мы можем пренебречь членами 3a2t и a3t2 по сравнению с 3a и считать, что b=3a. Итак, коэффициент объемного расширения равен утроенному коэффициенту линейного расширения. Например, для железа он равен 3,6 10-5 К-1.

Термодинамическое равновесие. Термодинамические параметры системы. Температура. Шкала температур Кельвина. Абсолютный нуль.

Термодинамическое равновесие:

Термодинамическое равновесие - состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды. В общем, эти величины не являются постоянными, они лишь флуктуируют (колеблются) возле своих средних значений. Если равновесной системе соответствует несколько состояний, в каждом из которых система может находиться неопределенно долго, то о системе говорят, что она находится в метастабильном равновесии. В состоянии равновесия в системе отсутствуют потоки материи или энергии, неравновесные потенциалы (или движущие силы), изменения количества присутствующих фаз.

Термодинамические параметры системы:

Т ермодинамические параметры - физ. величины, характеризующие равновесное состояние термодинамич. системы: темп-pa, объём, плотность, давление, намагниченность, электрич. поляризация и др. Различают экстенсивные П. с., пропорциональные объёму(или массе) системы (внутренняя энергия U, энтропия S, энтальпия Н,Гельмголъцаэнергия, или свободная энергия F, Гиббса энергия G), и интенсивныеП. с., не зависящие от массы системы (темп-pa Т, давление Р,концептрация с, хим. потенциал ).В состоянии термодинамич. равновесия П. с. не зависят от времени и пространств. координат. В неравновесном состоянии П. с. могут зависеть от координат и времени.

Температура:

Температура - скалярная физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Температура всех частей системы, находящейся в равновесии, одинакова. Если система не находится в равновесии, то между её частями, имеющими различную температуру, происходит теплопередача (переход энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым), приводящая к выравниванию температур в системе.

Температура определяет: распределение образующих систему частиц по уровням энергии (см. Статистика Максвелла - Больцмана) и распределение частиц по скоростям (см. Распределение Максвелла); степень ионизации вещества (см.Уравнение Саха); спектральную плотность излучения (см. Формула Планка); полную объёмную плотность излучения (см. Закон Стефана - Больцмана) и т. д. Температуру, входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют температурой возбуждения, в распределение Максвелла - кинетической температурой, в формулу Саха - ионизационной температурой, в закон Стефана - Больцмана - радиационной температурой. Поскольку для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, их называют просто температурой системы .

Температура относится к интенсивным величинам, не зависящим от массы системы.

Шкала температур Кельвина:

Абсолютная шкала температур, не зависящая от свойств термометрического вещества (начало отсчета - абсолютный нуль температур, он же по шкале Цельсия равен 273,16 градусов).

Абсолютный нуль:

Абсолютный нуль температуры - минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Абсолютный нуль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. В 1954 X Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой - тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °C, так что по шкале Цельсия, абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C.

Закон Бойля-Мариотта. Графическое изображение изотермического процесса.

Закон Бойля-Мариотта:

Закон Бойля-Мариотта - один из основных газовых законов, открытый в 1662 году Робертом Бойлем и независимо переоткрытый Эдмом Мариоттом в 1676 году. Описывает поведение газа в изотермическом процессе. Закон является следствием уравнения Клапейрона.

Закон Бойля-Мариотта гласит:

При постоянной температуре и массе идеального газа произведение его давления и объёма постоянно.

В математической форме это утверждение записывается следующим образом

где - давление газа; - объём газа.

Важно уточнить, что в данном законе газ рассматривается, как идеальный. На самом деле, все газы в той или иной мере отличаются от идеального. Чем выше молярная масса газа, тем больше это отличие.

Закон Бойля-Мариотта, закон Шарля и закон Гей-Люссака, дополненные законом Авогадро, образуют уравнение состояния идеального газа.

Графическое изображение изотермического процесса:

Закон Гей-Люссака. Графическое изображение изохорного процесса.

Закон Гей-Люссака:

Закон Гей-Люссака - закон пропорциональной зависимости объёма газа от абсолютной температуры при постоянном давлении, названный в честь французского физика и химика Жозефа Луи Гей-Люссака, впервые опубликовавшего его в 1802 году.

Изобарический закон, открытый Гей-Люссаком в 1802 году утверждает, что при постоянном давлении объём постоянной массы газа пропорционален абсолютной температуре. Математически закон выражается следующим образом:

где - объём газа, - температура.

Если известно состояние газа при неизменном давлении и двух разных температурах, закон может быть записан в следующей форме:

Графическое изображение изохорного процесса:

Закон Шарля. Графическое изображение изобарного процесса.

Закон Шарля:

Закон Шарля или второй закон Гей-Люссака - один из основных газовых законов, описывающий соотношение давления и температуры для идеального газа. Экспериментальным путем зависимость давления газа от температуры при постоянном объёме установлена в 1787 году Шарлем и уточнена Гей-Люссаком в 1802 году.

Формулировка закона Шарля следующая:

Давление газа фиксированной массы и фиксированного объёма прямо пропорционально абсолютной температуре газа.

Проще говоря, если температура газа увеличивается, то и его давление тоже увеличивается, если при этом масса и объём газа остаются неизменными.Закон имеет особенно простой математический вид, если температура измеряется по абсолютной шкале, например, в градусах Кельвина. Математически закон записывают так:

P - давление газа,

T - температура газа (в градусах Кельвина),

k - константа.

Этот закон справедлив, поскольку температура является мерой средней кинетической энергии вещества. Если кинетическая энергия газа увеличивается, его частицы сталкиваются со стенками сосуда быстрее, тем самым создавая более высокое давление.

Для сравнения того же вещества при двух различных условиях, закон можно записать в виде:

Графическое изображение изобарного процесса:

Уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоянная. Плотность газа.

Уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоянная:

Уравнение состояния идеального газа (иногда уравнение Клапейрона или уравнение Менделеева - Клапейрона ) - формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температуройидеального газа. Уравнение имеет вид :

Давление,

Молярный объём,

Универсальная газовая постоянная

Абсолютная температура,К.

Так как , где - количество вещества, а , где - масса, - молярная масса, уравнение состояния можно записать:

Эта форма записи носит имя уравнения (закона) Менделеева - Клапейрона.

Уравнение, выведенное Клапейроном содержало некую неуниверсальную газовую постоянную , значение которой необходимо было измерять для каждого газа:

Менделеев же обнаружил, что прямо пропорциональна , коэффициент пропорциональности он назвал универсальной газовой постоянной.

Плотность газа:

Понятие внутренней энергии в термодинамике. Способы изменения внутренней энергии. Работа газа в термодинамике.

Совершение работы и выделение энегргии при термодинамических процессах говорит о том, что термодинамические системы обладают запасом внутренней энергии. Существует два способа изменения внутренней энергии:

Совершение механической работы А’ внешними силами над системой или самой системой над внешними телами А(А=А’)

Теплообмен. Количество энергии, полученное или отданное телом при таком процессе, называется количеством теплоты и обозначается Q

Изменение внутренней энергии U может быть найдено по формуле

U=U 1 +U 2 , где

U 2 и U 1 – внутренняя энергия в первом и во втором состояниях

Первое начало термодинамики. Применение 1-ого начала термодинамики к изопроцессам.

Первое начало термодинамаики:

Количество теплоты, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на работу, совершаемую системой против внешних сил:

Изменение внутренней энергии системы равно сумме сообщенного телу количества теплоты и работы, произведенной над системой внешними силами

В качестве примера его применения рассмотрим процесс торможения бруска силами трения на горизонтальной поверхности- механическая энергия бруска не исчезает, а превращается во внутреннюю энергию системы «стоп-брусок», т.е трущие поверхности при этом нагреваются.

Первое начало термодинамики запрещает существование древней мечты человечества- вечного двигателя. невозможен вечный двигатель первого рода- устройство, которое может совершать полезную работу, превышающую затраченную.

Адиабатный процесс.

Адиабатный процесс- термодинамический процесс в теплоизолированной системе Q=0.

Такой процесс происходит при хорошей теплоизоляции системы либо при малой длительности процесса, когда теплообмена практически не происходит. В применении к адиабатным процессам первое начало термодинамики принимает вид

Согласно определению адиабатному процессу соответствует теплоемкость, равная 0 (С А =0)

Принципиальная схема устройства тепловой машины. Максимальный КПД тепловых двигателей. Второе начало термодинамики.

Принципиальная схема устройства тепловой машины

Любая тепловая машина- из трех честей:

КПД цикла Карно

Где Т 1 – температура нагревателя, Т 2 - температура холодильника

Второе начало термодинамики:

Невозможен такой циклический процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты, получаемой системой от внешней среды, в работу, без изменений в окружающей среде.

Строение жидкостей. Поверхностное натяжение. Коэффициент поверхностного натяжения. Методы определения коэффициента поверхностного натяжения.

Работа А по образованию S=1м2.поверхности жидкости при постоянной температуре называется поверхностным натяжением

поверхностное натяжение зависит от рожа жидкости, ее температуры, наличия примесей. С ростом температуры оно уменьшается или исчезает вовсе.

Явление смачивания и несмачивания. Краевой угол. Капиллярные явления. Капиллярность в быту, природе, технике.

Смачивание- явление межмолекулярного взаимодействия частиц твердого тела и жидкости на их границе, а жидкость называется смачивающей.

Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше, чем между молекулами самой жидкости, то прилегающие слои жидкости « отталкиваются «от его поверхности- явление несмачивания, а жидкость- несмачивающая.

Явление смачивания и несмачивания приводят к искривлению поверхности жидкости у стенок сосуда, так называевым краевым эффектом.

Количественной характеристикой эффектов служит краевой угол ɵ между плоскостью касательной к поверхности жидкости и поверхности твердого тела.

Подъем и опускание жидкости в капиллярах под действием сил поверхностного натяжения называется капиллярным явлением.

Капиллярные явления играют существенную роль в водоснабжении растений, в подъеме влаги в почве, в проникновении жидкости в пористые тела, в системе кровообращения легких.

Механические свойства твердых тел. Закон Гука. Модуль Юнга

Твердым телом в механике называется неизменимая система материальных точек, т.е. такая идеализированная система, при любых движениях которой взаимные расстояния между материальными точками системы остаются неизменными (материальные точки - достаточно малые макроскопические частицы).

Силы притяжения и отталкивания обуславливают механическую прочность твердых тел. т. е. их способность противодействовать изменению формы и объема. Растяжению тел препятствуют силы межатомного притяжения, а сжатию - силы отталкивания.

Недеформируемых тел в природе не существует.

Деформация - изменение формы или объема тела под действием внешних сил. Деформация может быть упругая или неупругая.

Упругая деформация - деформация, при которой после прекращения действия силы размеры и форма тела восстанавливаются.

Виды деформаций :

1. Линейная:

а) Растяжение (тросы подъемных кранов, канатных дорог, буксирные тросы)

б) Сжатие (колонны, стены, фундаменты зданий).

2. Сдвиг (заклепки, болты, соед. металлические конструкции, процесс разрезания ножницами бумаги).

3. Кручение (завинчивание гаек, работа валов машин, сверление металлов и т.п.).

4. Изгиб (формально деформация растяжения и сжатия, различная в разных частях тела. Нейтральный слой - слой, не подвергающийся ни растяжению, ни сжатию, при изгибе.)

Деформацию растяжения и сжатия можно охарактеризоватьабсолютной деформацией ℓ , равной разности длин образца после растяжения ℓ и до него ℓ 0 : ℓ = ℓ – ℓ 0

Отношение абсолютной деформации ℓ к первоначальной длине образцаℓ o называют относительной деформацией :

Если деформация упругая, а относительная деформацияИз опыта: - закон Гука.Сила упругости прямо пропорциональна абсолютной деформации .

С учетом направления:

k - коэффициент жесткости (упругости) . Зависит от материала, формы и размеров тела (Например, чем длиннее и тоньше пружина, тем ее жесткость меньше.)

Единицы коэффициента упругости в СИ: .

Движение под действием силы упругости.

Ускорение изменяется с координатой! Это неравнопеременноедвижение. Такое движение является колебательным.

Частные случаи силы упругости:

1. Сила реакции опоры - направлена всегда перпендикулярно поверхности.

2. Сила натяжения (нити, сцепки)

Физическая величина, равная отношению модуля силы упругости F упр, возникающей при деформации, к площади сечения S образца, перпендикулярного вектору силы F. называется механическим напряжением: . За единицу механического напряжения в СИ принята единица паскаль (Па): 1 Па= 1Н/м 2 .

Отношение механического напряжения к относительному удлинению,при малых упругих деформациях растяжения и сжатия, называетсямодулем упругости Е (модулем Юнга): .

Из выше написанной формулы видно, что модуль Юнга Е величина не зависящая от формы и размеров предмета, изготовленных из данного материала. [Е]=Па . Модуль Юнга показывает, какое надо создать механическое напряжение, чтобы деформировать тело в 2 раза (Если - на самом деле нереально).

Если обозначить ,

то получим F упр =k| l | - закон Гука. Другая форма записи этого закона:  = E |  | - механическое напряжение прямо пропорционально модулю относительной деформации.

Молекулярная физика - раздел физики , который изучает физические свойства тел на основе рассмотрения их молекулярного строения. 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.

История

Первым сформировавшимся разделом молекулярной физики была кинетическая теория газов . В процессе её развития работами Джеймса Клерка Максвелла , Людвига Больцмана , Дж. У. Гиббса была создана классическая статистическая физика.

Количественные представления о взаимодействии молекул (молекулярных силах) начали развиваться в теории капиллярных явлений. Классические работы в этой области Алекси Клод Клеро (1743), Пьера-Симона Лапласа (1806), Томаса Юнга (1805), С. Д. Пуассона , Карла Фридриха Гаусса (1830-1831) и других положили начало теории поверхностных явлений. Межмолекулярные взаимодействия были учтены Й. Д. Ван-дер-Ваальсом (1873) при объяснении физических свойств реальных газов и жидкостей.

В начале XX века молекулярная физика вступила в новый этап развития. В работах Жана Батиста Перрена и Теодора Сведберга (1906), Мариан Смолуховского и Альберта Эйнштейна (1904-06), посвященных броуновскому движению микрочастиц, были получены доказательства реальности существования молекул.

Методами рентгеновского структурного анализа (а впоследствии методами электронографии и нейтронографии) были изучены структура твёрдых тел и жидкостей и её изменения при фазовых переходах и изменении температуры, давления и других характеристик. Учение о межатомных взаимодействиях на основе представлений квантовой механики получило развитие в работах Макса Борна , Фрица Лондона и Вальера Гайтлера , а также Петера Дебая . Теория переходов из одного агрегатного состояния в другое, намеченная Ван-дер-Ваальсом и Уильямом Томсоном и развитая в работах Гиббса (конец XIX века), Льва Давидовича Ландау и Макса Фольмера (1930-е) и их последователей, превратилась в современную теорию образования фазы - важный самостоятельный раздел физики. Объединение статистических методов с современными представлениями о структуре вещества в работах Якова Ильича Френкеля , Генри Эйринга (1935-1936), Джона Десмонда Бернала и других привело к молекулярной физике жидких и твёрдых тел.

Задачи науки

Круг вопросов, охватываемых молекулярной физикой, очень широк. В ней рассматриваются: строение вещества и его изменение под влиянием внешних факторов (давления, температуры, электромагнитного поля), явления переноса (диффузия , теплопроводность , вязкость), фазовое равновесие и процессы фазовых переходов (

Изучающие происходящие в телах макроскопические процессы, которые связанны с большим числом атомов и молекул, содержащихся в них.

Молекулярная физика изучает строение и со стороны молекулярно - кинетических представлений, которые основываются на том, что любое тело состоит из молекул (частиц), находящихся в постоянном хаотическом движении. Молекулярная физика изучает процессы совокупного воздействия колоссального числа молекул.

Термодинамика изучает общие (макроскопической), находящейся в

Исследование макроскопических процессов осуществляется при помощи двух методов:

1. молекулярно - кинетического (молекулярная физика основана на данном методе);

2. термодинамического, лежит в основе термодинамики.

Эти методы дополняют один другого.

Молекулярная физика основана на молекулярно-кинетической теории, согласно которой строение и свойства тел объясняются хаотичным движением и взаимодействием молекул, атомов и ионов (т.е. частиц). Наблюдаемые на опыте свойства тел (например, давление) объясняются результатом воздействия частиц, то есть свойства всей макроскопической системы зависят от свойств частиц, особенностей их движения и усредненных значений динамических характеристик частиц. Определить точное местоположение частицы в пространстве и ее импульс не возможно, однако огромное их количество позволяет эффективно использовать молекулярно-кинетический (статистический) метод, так как существуют определенные закономерности в поведении средних параметров.

Основными положениями молекулярно-кинетической теории являются:

1. Любое вещество состоит из частиц - молекул и атомов, а те из более маленьких частиц;

2. Молекулы, атомы и другие частицы находятся в непрерывном хаотичном движении;

3. Между частицами имеется сила притяжения и сила отталкивания.

Молекулярной физикой рассматриваются: строение газов, твёрдых тел и жидкостей, их изменение под внешним воздействием (давления, температуры, магнитного и электрического полей), явления переноса (внутреннее трение, теплопроводность, диффузия), процессы фазовых переходов кристаллизация и плавление и т.п.), фазовое равновесие, веществ.

Термодинамика изучает тепловые процессы, которые связаны с изменением температуры тела и его агрегатного состояния. Термодинамика не занимается рассмотрением микропроцессов, она занимается установлением связей, существующих между макроскопическими свойствами веществ. Термодинамическая система представляет собой совокупность взаимодействующих и обменивающихся энергией между собой и с внешней средой макроскопических тел. Задачей термодинамического метода является определение состояния, в котором находится термодинамическая система в любое время. Совокупность характеризующих свойства системы (давление, температуру, объем) физических величин, задают ее состояние.

Термодинамический процесс -изменение термодинамической системы, связанное с изменением ее параметров.

Молекулярная химия - это наука о составе, строении, физических свойствах вещества.

Физические свойства веществ:

1. агрегатное состояние (твердое тело, газ, жидкость);

4. плотность;

5. растворимость;

6. электро - и теплопроводность;

7. температура плавления и кипения.

Любые вещества состоят из атомов и молекул, ионов.

Атом представляет собой мельчайшую частицу вещества, состоящую из заряженного положительно ядра и заряженной отрицательно электронной оболочки.

Положительный заряд несет протон. Также в состав ядра входят нейтральные элементарные частицы - нейроны. Единица отрицательного заряда - электрон.

Молекулярная физика - раздел физики, в котором изучаются физические и физико-химические свойства макроскопических тел в различных агрегатных состояниях, исходя из молекулярно-кинетических представлений об их строении. Молекулярная физика основывается на трех основных положениях:

Все макроскопические тела состоят из очень большого числа частиц - молекул (атомов);
Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловое движение);
Молекулы взаимодействуют друг с другом, притягиваясь на больших и отталкиваясь на малых расстояниях.

Основной задачей молекулярной физики является построение физической картины молекулярных явлений для объяснения наблюдаемого поведения веществ и предсказания новых явлений.

Основные области и методы исследований

Разделами молекулярной физики являются физика газов, физика жидкостей , физика твердых тел, а также физика необычных конденсированных систем (полимеры, жидкие кристаллы, наночастицы и др.). В них рассматриваются: строение вещества в различных агрегатных состояниях и его изменение под влиянием внешних факторов (давления, температуры, электрических и магнитных полей), поведение вещества в экстремальных условиях, релаксационные процессы, фазовые переходы (конденсация, кристаллизация, испарение, плавление и др.), явления переноса (диффузия, теплопроводность, вязкость), критическое состояние вещества, поверхностные явления на границе раздела фаз.

Общим для всех разделов молекулярной физики является теоретический подход, основанный на применении феноменологического (термодинамического) и статистического (молекулярного) методов исследования. Хотя эти методы качественно различны, они тесно связаны и взаимно дополняют друг друга. Термодинамический метод основан на началах термодинамики, имеющих общий характер и не использующих представления о молекулярном строении вещества. Молекулярно-кинетический подход подразумевает рассмотрение конкретной молекулярной модели вещества. Несмотря на внешние различия этих методов, они внутренне связаны между собой, поскольку все выводы, полученные из рассмотрения частных молекулярных моделей, должны согласовываться с общими выводами термодинамики.

История молекулярной физики, основные научные результаты и достижения

Современная молекулярная физика начала развиваться с XVII в., хотя понятие и термин «атом» возник еще в античный период (Левкипп, V в.до н.э., Демокрит , ок. 460-370 гг. до н.э., Эпикур , 341-270гг. до н.э.). Зарождение кинетической теории газов связывают с именем Д. Бернулли (D.Bernoulli) (1700-1782). Атомистические представления использовал М.В. Ломоносов (1711-1765). Первой современной формой физической атомистики является кинетическая теория газов, авторы которой А.К. Крёниг (A.K. Kronig, 1822-1879), Р.Ю. Клаузиус (R.J. Clausius, 1822-1888), Д.К. Максвелл (D.K. Maxwell, 1831-1879), Л. Больцман (L. Boltzmann, 1844-1906), Дж.У. Гиббс (J.W. Gibbs, 1839-1903) заложили также основы классической статистической физики . Квантовая механика привела к созданию квантовой кинетики и квантовой статистической физики.

Непосредственные доказательства реальности существования молекул были получены в начале XX века в работах Ж.Б. Перрена (J.B. Perrin,1870-1942) и Т. Сведберга (Th. Svedberg, 1874-1971), М. Смолуховского (M.Smoluchowski,1872-1917) и А. Эйнштейна (A. Einstein, 1879-1955), изучавших броуновское движение частиц.

Количественное изучение жидкости началось с работ Д. Бернулли и Л. Эйлера (L. Euler,1707-1783), Я.Д. Ван-дер-Ваальса (J.D. Van der Waals, 1837-1923), П-И.В. Дебая (P.I.W.Debye,1884-1966). Статистическую теорию жидкостей развивали Д.Г. Кирквуд (J.G. Kirkwood,1907-1959), М. Борн (M. Born, 1882-1970), Г.С. Грин (H.S. Green, 1920-1999), Н.Н. Боголюбов (1909-1992), Я.И. Френкель (1894-1952).

Развитие квантовой механики позволило исследовать специфические жидкости: жидкие металлы, а также квантовые жидкости и. Численные методы в теории жидкости начали интенсивно развиваться с 1957 г. и в настоящее время занимают ведущее место в изучении жидкости.

В становлении молекулярной физики твердого тела основополагающую роль сыграли работы О. Бравэ (O. Bravais, 1811-1863), Е.С. Федорова (1853-1919), А. Шёнфлиса (A. Schonflies,1853-1928), М. Лауэ (M.Laue, 1879-1960), П. Книппинга (P. Knipping, 1883-1935), В. Фридриха (W.Fridrich, 1883-1968), У.Г. и У.Л. Брэггов (W.H and W.L Bragg, 1862-1942, 1890-1971), Ю.В. Вульфа (1863-1925) и др. Квантовая теория твердых тел начала развиваться с 1926 г.

Физика полимеров и жидких кристаллов - это раздел молекулярной физики, связанный с изучением высокомолекулярных соединений . Он тесно примыкает к биофизике и химической физике . Нанофизика как наука об объектах, промежуточных между молекулами и конденсированными системами, в настоящее время переживает период своего рождения. У ее истоков стоял Р. Фейнман (R. Feynman, 1918-1988).

Современная теория межатомных взаимодействий построена на основе квантовых представлений в работах М. Борна, Ф. Лондона (F. London, 1900-1954), В. Гайтлера (W. Heitler,1904-1981) и др. Учение о межмолекулярных взаимодействиях первоначально начало развиваться в связи с изучением капиллярных явлений в классических работах А.К. Клеро (A.C. Clairault, 1713-1765), П.С. Лапласа (P.S. Laplace, 1749-1827), Т. Юнга (Th. Young, 1773-1829), С.Д. Пуассона (S.D. Poisson, 1781-1840), К.Ф. Гаусса (C.F. Gauss, 1777-1855), Дж.У. Гиббса, И.С. Громеки (1851-1889) и др., а также в более поздних работах П.А. Ребиндера (1898-1972) и Б.В. Дерягина (1902-1994). Непосредственное экспериментальное изучение сил межмолекулярного (межатомного) взаимодействия началось с разработки метода молекулярных пучков Л. Дюнуайе (L. Dunoyer, 1880-1963) и О. Штерном (O.Stern, 1888-1969).

Учение о фазовых переходах и критических явлениях возникли после появления работ Я. Ван-дер-Ваальса, У. Томсона (Кельвина) (W. Thomson, 1824-1907), Т. Эндрюса (T. Andrews, 1813-1885), Д.И. Менделеева (1834-1907) и др. и получила развитие в работах Дж.У. Гиббса, Л.Д. Ландау (1908-1968), В.Л. Гинзбурга (1916-2009) и др.

Исследования релаксационных процессов в газах ведут свое начало от работ А. Эйнштейна, П.Н. Лебедева (1866-1912), Г.О. Кнезера (H.O. Kneser, 1898-1973), М.А. Леонтовича (1903-1981), Л.И. Мандельштама (1879-1944), Л.Д. Ландау, Э. Теллера (E. Teller, 1908-2003) и др.

Молекулярная физика и смежные науки

Развитие молекулярной физики привело к выделению из нее многих самостоятельных разделов (статистическая физика, кинетика, физическая газовая динамика и др.). Представления молекулярной физики послужили основой для возникновения таких областей науки, как физика металлов, физика полупроводников, физика полимеров, физика поверхности , физика плазмы , нанофизика, теория тепло- и массопереноса и т.д.

При всем разнообразии объектов и методов исследования молекулярную физику объединяет общая идея, заключающаяся в описании макроскопических свойств на основе микроскопической (атомно-молекулярной) картины его строения.

История

Задачи науки

Основные области и методы исследований

История молекулярной физики, основные научные результаты и достижения

Молекулярная физика и смежные науки

Рекомендуемая литература