Молекулярная физика и термодинамика
Теория
Что такое молекулярная физика?
Это - раздел физики, изучающий и описывающий физические свойства тел, особенности агрегатных состояний вещества и процессы фазовых переходов в зависимости от молекулярного строения тел, сил межмолекулярного взаимодействия и характера теплового движения частиц. Молекулярная физика тесно связана с термодинамикой и статистической физикой.
Что такое атом?
Это - наименьшая частица данного химического элемента ( от греч. atomos - неделимый). Размеры атома - порядка одного ангстрема ( 10^(-10) м).
Ангстрем - это единица измерения расстояний. Обозначение: Å. Названа в честь шведского физика и астронома Андерса Ангстрема. В русском языке ударение на первый слог, по шведски - онгстрём. Данная единица измерения часто используется в физике, поскольку 10^(-10) м - это приблизительный диаметр орбиты электрона в невозбуждённом атоме водорода.
Андерс Йонас Ангстрем ( швед. Anders Jonas Ångström; 1814-1874) - шведский ученый-астрофизик, один из основателей спектрального анализа.
Что такое молекула?
(От лат. moles cula - маленькая масса) - это наименьшая устойчивая частица данного вещества, обладающая его основными химическими свойствами. Молекула состоит из одного или нескольких атомов одинаковых либо даже различных химических элементов - Fe, He, O2, O3, H2O, C2H5OH и т.п. (Число атомов в составе молекулы может даже доходить до сотен тысяч штук - некоторые витамины, гормоны, белки. Молекулы, которые состоят из тысяч повторяющихся групп атомов, называют макромолекулами.)
Атомы соединяются в молекулы за счёт химических связей, основанных на различных взаимодействиях внешних (валентных) электронов. Как и атом, молекула электрически нейтральна. Для чистых веществ (не смесей), как правило, название молекулы совпадает с названием вещества. Например, вещество - вода, значит имеется молекула воды.
В качестве примера, рисунке указаны модели молекул, названия веществ (и их химические формулы), входящих в состав, скажем, лесного воздуха: 1 - азот (N2), 2 - кислород (O2), 3 - аргон (Ar), 4 - углекислый газ (CO2), 5 - вода (H2O), 6 - озон (O3, образуется из кислорода при грозовых разрядах), 7 - терпинеол (C10H18O, выделяется хвойными деревьями).
Что такое ион?
Это (от греч. Ἴων - странник) - "бывший" атом (или молекула), имеющий "ныне" избыток или недостаток электронов по тем или иным причинам.
Что такое моль?
Во многих случаях удобно пользоваться порциями вещества, содержащими одинаковое количество структурных элементов (атомов или молекул, или ионов, или вообще - групп частиц). В СИ такой порцией является моль. Моль как единица количества вещества является одной из семи основных единиц СИ. Моль равен количеству вещества в теле или системе тел, содержащих столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 (это наиболее устойчивый изотоп углерода) массой 0,12 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц.
Один моль любого вещества содержит число частиц, равное постоянной Авогадро (NA ≈6,02* 10^23 1/моль). Поэтому 1 моль для каждого различного вещества имеет свою массу, т.к. атомы различных веществ неодинаковы по массе.
Что показывает постоянная Лошмидта?
Концентрацию идеального газа (ИГ) при нормальных условиях (н.у.) - NL ≈ 2,68*10^25 1/м^3.
Иоганн Йозеф Лошмидт (нем. Johаnn Josef Loschmidt, 1821-1895) - австрийский физик.
Член Австрийской академии наук. В его честь названа постоянная Лошмидта.
Что такое молекулярно-кинетическая теория (МКТ)?
Это - раздел молекулярной физики, который объясняет строение и свойства тел движением и взаимодействием атомов, молекул, ионов, из которых состоят тела.
Каковы основные положения МКТ?
Их всего три:
1) Всякое вещество состоит из частиц - атомов, молекул, ионов - между которыми имеются некоторые промежутки.
2) Частицы всегда находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении с различными скоростями, зависящими от температуры. Такое движение часто называют тепловым.
3) Частицы взаимодействуют друг с другом; между ними действуют как сила притяжения, так и сила отталкивания.
Эти положения экспериментально подтверждаются явлениями диффузии, броуновского движения, особенностями строения жидкостей и твердых тел, а также исследованиями в области физики элементарных частиц.
Что такое основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа (ОУ МКТ ИГ)?
Это - уравнение, выражающее количественную связь между давлением газа, концентрацией молекул газа, массой молекулы газа и среднеквадратичной скоростью молекул газа:
P= 1/3*n*m0*Vср ^2
Это уравнение получено в 1837 году немецким физиком-теоретиком Рудольфом Клаузисом. Основное уравнение МКТ применимо в случаях, когда газ можно заменить его мысленной моделью - идеальным газом.
Рудольф Юлиус Эммануэль Клаузис (нем. Rudolf Julius Emanuel Clausius, 1822-1888) -немецкий
физик, механик и математик.
Основное уравнение МКТ ИГ может иметь ещё несколько видов записи, помимо главного
вида записи, представленного выше.
Второй вид записи: P= 2/3*n*Wкин.ср , где P - давление газа, n -концентрация частиц, Wкин.ср -
средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул.
Третий вид записи: P=n*k*T , здесь P - давление газа, n - концентрация частиц, k - постоянная
Больцмана, T - абсолютная температура. Иногда это уравнение называют ещё уравнением
Больцмана.
Что такое температура?
Это - скалярная физическая величина, введённая для количественного оценивания степени нагретости тел; иначе - мера средней кинематической энергии хаотического поступательного движения молекул данного тела. Температура (от лат. temperatio - состояние) определяет направление теплообмена между частями термодинамического равновесия системы: в этом случае во всех частях системы температура имеет одно и то же значение.
Что такое распределение Максвелла?
Джеймс Клерк Максвелл (англ. James Clerk Maxwell, 1831-1879) - великий шотландский физик.
Известен прежде всего, как автор классической электромагнитной теории. Главный его труд -
это "Трактат по электричеству и магнетизму" (1873г.).
Распределение Максвелла - это сортировка молекул по скоростям в состоянии теплового
равновесия. Нагляднее всего эта сортировка производится графически. В газе, находящемся
в состоянии равновесия, устанавливается некоторое стационарное, не меняющееся со
временем распределение молекул по скоростям, которое подчиняется вполне определенному
статистическому закону. Этот закон теоретически выведен Дж. Максвеллом. Закон Максвелла
описывается некоторой функцией f(v), называемой функцией распределения молекул по
скоростям.
График функции распределения молекул по скоростям
представлен на рисунке справа.
Если разбить диапазон скоростей молекул на малые интервалы,
равные ΔV, то на каждый интервал скорости будет приходиться
некоторое число молекул ΔN(V), имеющих скорость, заключённую
в этом интервале. функция f(V) определяет относительное число
молекул ΔN(v)/N, скорости которых лежат в интервале от V до
V + ΔV, т.е. f(V)=(ΔN(V))/(N*ΔV). Относительное число молекул
ΔN(V)/N, скорости которых лежат в интервале от V до V+ΔV,
находится как площадь заштрихованной на рисунке полоски.
Скорость, при которой функция распределения молекул
идеального газа по скоростям максимальна, называется наиболее
вероятней скоростью.
