Основы молекулярной физики и термодинамики. Молекулярно-кинетическая теория газов

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.

Рекомендуемая литература

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.2, Термодинамика и молекулярная физика, М., 1975.

2. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика, 2 изд, М., 1976.

3. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ. М., 1961.

4. Фортов В.Е. (ред). Физика экстремальных состояний вещества, сборник, 2002.

5. Осипов А.И., Сысоев Н.Н., Уваров А.В. Современная молекулярная физика. Неравновесный газ. Учебное пособие по курсу «Молекулярная физика». М. Физический факультет МГУ, 2006.

Раздел физики, в к ром изучаются физ. св ва тел в разл. агрегатных состояниях на основе рассмотрения их микроскопич. (молекулярного) строения. Задачи М. ф. решаются методами физ. статистики, термодинамики и физ. кинетики, они связаны с изучением… … Физическая энциклопедия

МОЛЕКУЛЯРНАЯ физика, раздел физики, изучающий физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения. Первым сформировавшимся разделом молекулярной физики была кинетическая теория газов… … Современная энциклопедия

Раздел физики, изучающий физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения. Из молекулярной физики выделились в самостоятельные разделы физика твердого тела, физическая кинетика, физическая … Большой Энциклопедический словарь

Сущ., кол во синонимов: 2 молекулярка (2) физика (55) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

Раздел физики, изучающий физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения. Из молекулярной физики выделились в самостоятельные разделы физика твёрдого тела, физическая кинетика, физическая … Энциклопедический словарь

Раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их микроскопического (молекулярного) строения. Задачи М. ф. решаются методами физической статистики, термодинамики и… … Большая советская энциклопедия

молекулярная физика - molekulinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. molecular physics vok. Molekülphysik, f rus. молекулярная физика, f pranc. physique moléculaire, f … Fizikos terminų žodynas

Раздел физики, в к ром изучаются физ. св ва тел, особенности агрегатных состояний в ва (газообразного, жидкого и кристаллич.) и процессы фазовых переходов в зависимости от молекулярного строения тел, сил взаимодействия молекул (атомов, ионов) и… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Раздел физики, изучающий физ. свойства тел в разл. агрегатных состояниях на основе рассмотрения их мол. строения. Из М. ф. выделились в самостоят. разделы физика тв. тела, физ. кинетика, физ. химия и т. д … Естествознание. Энциклопедический словарь

ФИЗИКА. 1. Предмет и структура физики Ф. наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиб. общие свойства и законы движения окружающих нас объектов материального мира. Вследствие этой общности не существует явлений природы, не имеющих физ. свойств … Физическая энциклопедия

Книги

• Молекулярная физика , И. А. Квасников. Предлагаемое пособие по разделу "Молекулярная физика" авторитетного специалиста в области статистической физики И. А. Квасникова соответствует современным представлениям о молекулярном…
• Молекулярная физика , И. К. Кикоин, А. К. Кикоин. Книга "Молекулярная физика", написанная выдающимися учеными и педагогами А. К. Кикоиным и И. К. Кикоиным, до настоящего времени является одним из лучших учебных пособий. Содержит элементы…

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ

Статистический и т/д методы исследования .

Молекулярная физика и термодинамика - разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул.

Молекулярная физика представляет собой раздел физики, изучающий строение и свойства веществ, исходя из так называемых молекулярно-кинетических представлений. Согласно этим представлениям:

1. Любое тело - твердое, жидкое или газообразное состоит из большого количества весьма малых обособленных частиц-молекул.

2. Молекулы всякого вещества находятся в бесконечном хаотическом движении (например, броуновское движение).

3. Используется идеализированная модель идеального газа, согласно которой:

а). Собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда (разреженность).

б). Между молекулами отсутствуют силы взаимодействия.

в). Столкновение молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.

4. Макроскопические свойства тел (давление, температура и др.) описываются с помощью статистических методов, основным понятием которых является статистический ансамбль, т.е. описывается поведения большого числа частиц через введение средних характеристик (средняя скорость, энергия) всего ансамбля, а не отдельной частицы.

Термодинамика в отличие от молекулярно-кинетической теории изучает макроскопические свойства тел, не интересуясь их макроскопической картиной.

Термодинамика - раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями.

В основе термодинамики лежат 3 фундаментальных закона, называемых началами термодинамики, установленных на основании обобщения большой совокупности опытных фактов.

Молекулярно-кинетическая теория и термодинамика взаимно дополняют друг друга, образуя единое целое, но отличаясь различными методами исследования.

Термодинамическая система - совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами. Состояние системы задается термодинамическими параметрами - совокупность физических величин, характеризующих свойства термодинамической системы, обычно в качестве параметров состояния выбирающих температуру, давление и удельный объем.

Температура - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

[ T ] = K - термодинамическая шкала, [ t ] = ° C - международная практическая шкала. Связь термодинамической и м/н практической температуры: Т = t + 273, например, при t = 20 ° C T = 293 K .

Удельный обьем - это обьем единицы массы. Когда тело однородно т. е. ρ = const , то макроскопические свойства однородного тела могут характеризовать обьем тела V .

Молекулярно-кинетическая теория (м. к. т) идеальных газов.

§1 Закон идеальных газов .

В молекулярно - кинетической теории используется идеализированная модель идеального газа.

Идеальным газом называется газ, молекулы которого не взаимодействуют друг с другом на расстоянии и имеют ничтожно малые собственные размеры.

У реальных газов молекулы испытывают действия силы межмолекулярного взаимодействия. Однако H 2, He , O 2, N 2 при н. у. (Т=273К, Р=1,01 ·10 5 Па) можно приблизительно считать идеальным газом.

Процесс, при котором один из параметров ( p , V , T , S ) остаются постоянными, называются изопроцессами.

1. Изотермический процесс Т= const , m = const , описываются законом Бойля-Мариотта :

pV = const

1. Изобарический процес p = const описывается законом Гей-Люссака

V = V 0 (1+ α t );

V = V 0 α T

Терметический коэффициент обьемного расширения град -1

1. Изохорический процесс V = const

Описывается законом Шарля

p = p 0 (1+ α t );

p = p 0 α T

Характеризует зависимость объёма от температуры. α равен относительному изменению объёма газа при нагревании его на 1 К. Как показывает опыт, одинаков для всех газов и равен .

4. Моль вещества. Число Авогадро. Закон Авогадро.

Атомной массой () химического элемента называется отношение массы атома этого элемента к 1/12 массы атома изотопа углерода С 12