Конспект лекций по физике к разделу "Молекулярная физика"

§1. Предмет молекулярной физики.

Определение: Молекулярной физикой называется раздел физики изучающий зависимости строения и физических свойств тел от характера движения и взаимодействия между частицами, из которых состоят тела.

  Молекулярная физика основывается на молекулярно - кинетической теории строения вещества, согласно которой все тела состоят из мельчайших частиц (атомы, молекулы, ионы), которые находятся в некотором хаотическом движении, называемым тепловым движением, данные эти неоднократно подтверждались.

В молекулярно - кинетической теории с единой точки зрения рассматриваются разнообразные физические явления, протекание которых зависит от движения и взаимодействия частиц вещества. Например, эта теория позволяет понять механизм упругих свойств твёрдых тел, электропроницаемости различных по своей природе проводников электрического тока, вскрывает причины внутреннего трения в газах и жидкостях, объясняет электромагнитные свойства различных веществ и т. д.

 В различных агрегатных состояниях вещества характер движения и взаимодействия частиц не одинаков. У газообразных тел взаимодействие между частицами на расстоянии практически отсутствует, поэтому газ не сохраняет форму и объём.

  Взаимодействие между частицами происходит только при непосредственном соприкосновении. Каждая частица между двумя соседними соударениями движется прямолинейно и равномерно. В твёрдых телах взаимодействие между частицами столь велико, что каждая из них находится на определённой позиции, называемой узлом кристаллической решётки. Каждая частица совершает колебания относительно устойчивого положения равновесия (узла). Если бы не дефекты кристаллической решётки, то колебания частиц носили бы гармонический характер (sin, cos), а т. к. в любом кристалле существуют дефекты, то колебания носят ангармонический характер. Жидкость находится в промежуточном состоянии между газом и твёрдыми телами. Каждая частица жидкости за небольшой промежуток времени совершает колебания около какого - либо места. Если жидкость покоится, то перескоки в различных направлениях равновероятны. Если жидкость движется, то большинство перескоков происходит в сторону её движения. Жидкость сохраняет только объём, твёрдое тело объём и форму.

§2. Статистический, динамический и термодинамический методы исследования.

Любое тело состоит из огромного числа частиц, так в 1  газа при нормальных условиях находятся  молекул, а в жидкостях и твёрдых телах  молекул. Если исследовать такие системы с помощью классической механики Ньютона, то для каждой системы необходимо будет записать  уравнений динамики, затем полученную систему уравнений решить (нереально). Поэтому при исследовании таких систем используется статистический метод.

 Определение: Статистическим называется метод, основанный на применении теории вероятности и определённых моделей строения вещества.

  Определение: Статистической физикой называется раздел физики, изучающий свойства вещества с помощью статистического метода.

  В совокупном поведении огромного числа частиц появляются особые закономерности, которые называются статистическими. Эти закономерности проявляются в том, что существует среднее значение физических величин, которые характеризуют движение и взаимодействие всей совокупности частиц системы. Например, у газов это средняя скорость движения молекул, у твёрдых тел - средняя энергия приходящаяся на одну степень свободы колебаний частицы.

  Определение: Динамическим называется метод, с помощью которого изучаются законы движения отдельной частицы.

С помощью динамического метода исследования устанавливаются динамические закономерности. Связь между динамическими и статистическими закономерностями проявляются в том, что законы движения отдельной частицы влияют на свойства систем изучаемых статистическим методом.

  Определение: Термодинамикой называется раздел физики изучаемый различные превращения энергий в системе.

При термодинамическом исследовании не требуются знания о характере движения и взаимодействия отдельных частиц. Термодинамика исследует физические свойства систем исходя из условий различных превращений энергий и соотношения между разными видами энергий.

Термодинамика базируется на трёх законах (началах): 1 и 2 начала получены при обобщении экспериментальных данных. 3 начало – это теорема Нёрнсто (о невозможности достижения абсолютного нуля).

§3. Термодинамические параметры. Термодинамический процесс.

  Определение: Термодинамической системой называется совокупность макроскопических объектов: тел и полей, которые могут обмениваться энергией как друг с другом, так и с внешней средой, то есть телами и полями, которые являются внешними по отношению к данной системе.

Для описания состояния термодинамической системы вводятся термодинамические величины, которые называются термодинамическими параметрами состояния системы: p, V, t⁰, и т. д.

  Определение: Равновесное состояние (состояние термодинамического равновесия) называется состояние системы, не изменяющееся с течением времени (стационарное состояние) и независящее от процессов, происходящих во внешней среде.

Равновесное состояние устанавливается в системе при постоянных внешних условиях и сохраняется в системе произвольно долгое время. Во всех частях термодинамической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, температура одинакова.

К понятию температуры подойдём следующим образом:

если при соприкосновении 2 - х тел происходит теплообмен, то говорят, что у этих тел различные температуры, если теплового обмена нет, - одинаковые температуры; то тело, которое передаёт энергию в форме тепла, имеет большую температуру, а тело, принимающее энергию в форме тепла, имеет меньшую температуру. При длительном контакте - температура соприкасающихся тел выравнивается.

  Определение: Температура равновесной системы является мерой интенсивности теплового движения её молекул.

Для равновесной системы, частицы которой подчиняются законам классической статической физики, средняя кинетическая энергия теплового движения пропорциональна температуре системы. Температуру можно измерить только косвенным путём, основываясь на том факте, что целый ряд физических свойств тел, поддающихся прямому или косвенному измерению, зависят от температуры - это длина, объём, сопротивление, удельное сопротивление, упругие и пластичные свойства и т. д. Измерения любых из этих свойств может быть основой измерения температуры. Для этого необходимо, чтобы для тела, названного термометрическим телом, была известна функциональная зависимость данного свойства от температуры. Температурные шкалы, устанавливаемые с помощью термометрического тела, называют эмпирическими.

  Международная стоградусная шкала (шкала Цельсия), в которой в качестве двух основных точек выбраны температуры кипения и плавления дистиллированной воды при p = 1, 01325× 10 ⁵ Па: t_плав. = 0^о С, t_кип. =100^о С. Цена одного градуса равна одной сотой полученного интервала - один Цельсий. На практике, для измерения температуры используются градусники, основанные на зависимости объёма жидких тел (например: ртути, спирта) от температуры. Вначале фиксируются на шкале две точки для моментов замерзания и закипания дистиллированной воды, а затем интервал между этими точками на шкале делится на равные сто долей.

 Абсолютная шкала температур (шкала Кельвина). В подавляющем большинстве физических законов используется температура из данной шкалы. Это связано с тем, что математическая запись физических законов имеет более компактный вид именно при использовании температуры из шкалы Кельвина. Почему происходит именно так? Ответ находится за рамками общего курса физики. Здесь можно только отметить, что абсолютная шкала температуры имеет детерминированную связь с термодинамической шкалой температур, которая не зависит от свойств термометрических тел.

Связь между этими шкалами выражается соотношением: Т = 273, 15 + t⁰ , т. е. цена градуса в обоих шкалах одинакова. Температура по шкале Кельвина Т = 0 К называется абсолютным нулём.

Параметры системы разделяются на внешние и внутренние.

  Определение: Внешними параметрами системы называется физические величины, зависящие от положения в пространстве и различных свойств тел, являющихся внешними по отношению к данной системе.

Пример: газ в сосуде - V (объём) внешний параметр.

 Определение: Внутренними параметрами системы называется физические величины, зависящие как от положения в пространстве внешних по отношению к системе тел, так и от координат и скоростей частиц, образующих данную систему.

Пример: для газа - p (давление) и U (внутренняя энергия).

Параметры состояния равновесной системы не являются независимыми, так как они зависят от внешних параметров и температуры.

  Определение: Уравнением состояния простой системы называется функциональная зависимость равновесного давления в системе от объёма и температуры, то есть p = f(V, T).

В термодинамике уравнение состояния получают опытным путём, а в молекулярной физике - теоретически. В этом состоит взаимосвязь между статистическими и термодинамическими методами.

  Определение: Термодинамическим процессом называется процесс, при котором изменяется хотя бы один из внешних параметров системы.

 Определение: Термодинамический процесс называется равновесным, если система бесконечно медленно проходит непрерывный ряд бесконечно близких равновесных состояний.

Весь материал – смотрите документ.