Основы физической кинетики Основы статистической физики Основы термодинамики Теплоемкость идеального газа Кристаллическое состояние Строение жидкостей .

Молекулярная физика и термодинамика

Молекулярная физика и термодинамика

Существует два метода изучения свойств вещества: молекулярно-кинетический и термодинамический.

Молекулярно-кинетическая теория истолковывает свойства тел, которые непосредственно наблюдаются на опыте (давление, температуру и т.п.), как суммарный результат действия молекул. При  этом она пользуется статистическим методом, интересуясь не движением отдельных молекул, а лишь средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое её название – статистическая физика.

Термодинамика изучает макроскопические свойства тел, не интересуясь их микроскопической картиной. В основе термодинамики лежит несколько фундаментальных законов (называемых началами термодинамики), установленных на основании обобщения большой совокупности опытных фактов. Термодинамика и молекулярно-кинетическая теория взаимно дополняют друг друга, образуя по существу единое целое.

Основные положения молекулярно-кинетической теории

Все вещества состоят из мельчайших частиц - атомов и молекул.

Молекулы и атомы любого вещества находятся в непрерывном хаотическом движении, которое называется тепловым движением. При нагревании вещества интенсивность движения частиц увеличивается.

Молекулы вещества взаимодействуют между собой с силами притяжения Fпр и отталкивания Fот . Маленький шарик массой 100 мг и зарядом 16,7 нКл подвешен на нити. На какое расстояние надо подвести к нему снизу одноименный и равный ему заряд, чтобы сила натяжения нити уменьшилась вдвое? Принять 1/4peo = 9×109 Н×м2/Кл2, g = 10 м/с2. Ответ представьте в сантиметрах и округлите до целого числа.

 r = r0 , Fот = Fпр ,

 r < r0 , Fот > Fпр ,

 r > r0 , Fот <  Fпр ,

 r ® ¥ , F ® 0.

Характер движения молекул зависит от агрегатного состояния вещества.

Движение молекул газов сводится к хаотическому поступательному движению.

Скорость молекул газов зависит от температуры.

Масса молекулы:

Молекулярная масса вещества – масса молекулы вещества, выраженная в а.е.м.

Атомная единица массы (а.е.м.) – единица массы, равная 1/12 массы атома С12.

Моль – количество вещества, в котором содержится число молекул, равное числу атомов в 0,012 кг изотопа углерода С12.

Число частиц, содержащихся в моле вещества, называется числом Авогадро:

NA = 6,023 × 1023 моль-1

Молярная масса М – масса моля вещества.

Зная число Авогадро, можно найти значение а.е.м.

0,012 = NA × 12 × 1 а.е.м.,

.

Размеры молекулы:

Линейные размеры молекул воды приблизительно равны 3 × 10-10 м.

Явления переноса в термодинамических неравновесных системах

В термодинамических неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, импульса. К явлениям переноса относятся теплопроводность (обусловлена переносом энергии), диффузия (обусловлена переносом массы) и внутреннее трение (обусловлено переносом импульса). Для простоты ограничимся одномерными явлениями переноса. Систему отсчета будем выбирать так, чтобы ось  была ориентирована в направлении переноса.

1. Теплопроводность. Если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени вследствие постоянных столкновений молекул происходит процесс выравнивания средних кинетических энергий молекул, т. е., иными словами, выравнивание температур.

Перенос энергии в форме теплоты подчиняется закону Фурье:

,

где  - элементарное количество теплоты, переносимое через площадку  в течение времени ; - коэффициент теплопроводности;  - градиент температуры, равный скорости изменения температуры на единицу длины  в направлении нормали к площадке . Знак минус показывает, что при теплопроводности энергия переносится в направлении убывания температуры. Можно показать, что

,

где  - удельная теплоемкость газа при постоянном объеме (количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К при постоянном объеме),  — плотность газа,  - средняя скорость теплового движения молекул,  - средняя длина свободного пробега.

Термодинамические параметры. Уравнение состояния идеального газа.

Запишем уравнение состояния идеального газа в другой форме.Введем новую постоянную величину:  - постоянная Больцмана.

Давление, оказываемое газом на грань куба, равно: ,где n – концентрация молекул.

На каждую степень свободы молекулы приходится в среднем одинаковая кинетическая энергия равная  (k-постоянная Больцмана).

Числом степеней свободы i системы называется количество независимых величин, с помощью которых может быть задано положение системы.

Полное ускорение тела: . Угловое перемещение тела  – вектор, модуль которого равен углу поворота тела вокруг некоторой оси, а направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта, если вращательное движение винта совпадает с вращательным движением тела (правило правого винта). Угловой скоростью называется векторная величина, равная первой производной углового перемещения тела по времени: . Взаимосвязь между линейной  и угловой  скоростями: , где  - радиус-вектор точки, в которой находится в данный момент тело. Взаимосвязь периода , линейной частоты вращения  и циклической частоты вращения тела : .
Гармонические колебания