Термодинамика и молекулярная физика

Ещё одним достаточно масштабным разделом физики, который изучается в курсе школьной физики, является термодинамика и молекулярная физика.  Т.к. частиц в телах очень много, то описание их поведения через законы кинематики (равномерное, равноускоренное движение) или динамики (второй закон Ньютона) весьма проблематично (слишком много уравнений).

Молекулярная физика изучает физические свойства тел, состоящих из огромного количества частиц, опираясь на внутреннее строение тела, взаимодействие и движение атомов и молекул.

Термодинамика также изучает физические свойства тел, состоящих из огромного количества частиц, однако оперирует при этом экспериментальными (эмпирическими) законами и соотношениями.

Модель тела, используемого в данном разделе, это модель материального тела — тело, состоящее из молекул и атомов, которые хаотично движутся и взаимодействуют между собой.

Молекулярная физика основывается на постулатах (заявлениях, которые утверждаются без доказательств). Данные заявления не доказываются в силу их достаточно чёткой очевидности (т.е. каждый из нас может убедится в их правдивости). Итак,

Постулаты МКТ (молекулярно-кинетической теории):

  • Все тела состоят из частиц – молекул, атомов и ионов. В состав атомов входят более мелкие элементарные частицы.
  • Атомы, молекулы и ионы находятся в непрерывном хаотическом движении.
  • Между частицами любого тела существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания.

Введём несколько определений, которые позволят нам общаться на эту тему.

Атом – наименьшая частица данного химического элемента.

Молекула – наименьшая устойчивая частица данного вещества, обладающая его основными химическими свойствами.

Моль — такое число структурных единиц вещества (атомов, молекул, ионов), которое содержится в 12 г углерода \displaystyle {}_{6}^{12}C. Из всего определения нам достаточно знать, что один моль — это кучка вещества, в которой содержится \displaystyle {{N}_{A}}\approx 6,02*{{10}^{23}} штук структурных единиц. Данное число (\displaystyle {{N}_{A}}) называется числом Авогадро.

Молярная масса — масса одного моля вещества. Обозначение \displaystyle M, размерность — [кг/моль]. Для огромного количества веществ этот параметр является табличным. Соответственно, если в задаче сказано о конкретном веществе, то данный параметр можно заносить в дано.

\displaystyle M={{N}_{A}}{{m}_{0}} (1)

  • где
    • \displaystyle M — молярная масса вещества,
    • \displaystyle {{N}_{A}} — постоянная Авогадро,
    • \displaystyle {{m}_{0}} — масса одной молекулы/атома.

Числом молей (или химическим количеством вещества) называется конкретного тела, описывающая число структурных единиц (атомов, молекул, ионов), входящих в его состав. Обозначение — \displaystyle \nu или \displaystyle n, размерность — [моль].

Химическое количество вещества может быть найдено, исходя только из двух соотношений:

\displaystyle \nu =\frac{N}{{{N}_{A}}} (2)

  • где
    • \displaystyle N — число структурных единиц в теле,
    • \displaystyle {{N}_{A}} — постоянная Авогадро.

\displaystyle \nu =\frac{m}{M} (3)

  • где
    • \displaystyle m— масса тела,
    • \displaystyle M — молярная масса вещества, из которого состоит тело.

В курсе школьной физики в данной теме рассматривается преимущественно газ (газообразное вещество). Реальный газ для описания достаточно сложен, поэтому работают с условной моделью.

Тепловое движение – хаотическое движение молекул, атомов и ионов в газах, твёрдых телах и жидкостях.

Модель идеального газа — совокупность молекул, которые движутся хаотически, но при этом в данной модели пренебрегаются силами взаимодействий.

Для идеального газа вводят параметры, определяющие газ как систему. Пусть газ поместили в сосуд:

  • \displaystyle P — давление, которое газ оказывает на стенки сосуда (размерность [Па], Паскали),
  • \displaystyle V — объём сосуда (газ занимает весь предоставленный объём) (размерность [м\displaystyle ^{3}], метры кубические),
  • \displaystyle T - температура (параметр, характеризующий скорость/энергию движения молекул) (размерность [K], градусы Кельвина или [ \displaystyle C], градусы Цельсия).

Немного о давлении газа. Давление мы уже ввели как отношение силы (\displaystyle F) к площади (\displaystyle S), на которую она действует:

\displaystyle P=\frac{F}{S} (4)

Т.к. газ находится в непрерывном тепловом движении, то частицы газа непрерывно бомбардируют стенки сосуда, тогда, исходя из второго закона Ньютона в импульсном виде, можем просчитать силу, с которой весь газ действует на всю площадь внутренней поверхности сосуда, таким образом, давление газа описывается величиной и силой удара частиц газа в сосуде.

Исходя из введённых параметров, получены:

  • соотношения для описания газа в любом состоянии и переходы из состояния в состояние (эмпирические законы, закон Менделеева-Клапейрона)
  • методы описания газа через энергию и теплоту (первое начало термодинамики)
  • связь между кинематическими характеристиками газа (скорость молекулы) и температурой
  • возможность описания циклических процессов (КПД циклов, цикл Карно)
  • соотношения, описывающие насыщенный пар (абсолютная и относительная влажность воздуха)
  • возможность описания явления смачивания и капиллярных явлений
  • уравнение теплового баланса (уравнения фазовых переходов).

Вывод: в качестве настоятельной просьбы, рекомендую отчётливо понять все физические параметры в данной статье, т.к. они необходимы для дальнейшего понимания материала.

Добавить комментарий