Вопросы по физике. Основы молекулярной физики и термодинамики

Молекулярная физика изучает изменение свойств веществ на молекулярном уровне в зависимости от их агрегатного состояния (твердого, жидкого и газообразного). Этот раздел физики очень обширен и включает в себя множество подразделов.

Инструкция

• В первую очередь, молекулярная физика изучает строение молекулы и веществ в целом, ее массу и размер, и взаимодействие ее составляющих – микроскопических частиц (атомов). Эта тема включает в себя изучение относительной молекулярной массы (отношение массы одной молекулы/атома вещества к постоянной величине – массе одного атома углерода); понятие количества вещества и молярной массы; расширение/сжатие веществ при нагревании/охлаждении; скорости движения молекул (молекулярно-кинетическая теория). Молекулярно-кинетическая теория основывается на изучении отдельных молекул вещества. А в теме поведения вещества при различных температурах рассматривается очень интересное явление – многим известно, что при нагревании вещество расширяется (расстояние между молекулами увеличивается), а при охлаждении сжимается (расстояние между молекулами уменьшается). Но вот что интересно – при переходе воды из состояния жидкости в твердую фазу (лед), вода расширяется. Это обеспечивается полярной структурой молекул и водородной связью между ними, до сих пор столь непонятными современной науке.
• Также, в молекулярной физике существует понятие «идеального газа» - это вещество, находящееся в газообразной форме и обладающее определенными свойствами. Идеальный газ очень разряжен, т.е. его молекулы не взаимодействуют между собой. Помимо этого, идеальный газ подчиняется законам механики, в то время как реально существующие газы не имеют такого свойства.
• Из раздела молекулярной физики появилось новое направление – термодинамика. Этот раздел физики рассматривает строение вещества и влияние на него внешних факторов, таких как давление, объем и температура, не учитывая микроскопическую картину вещества, а рассматривая связи в нем в целом. Если почитать учебники по физике, можно натолкнуться на специальные графики зависимости этих трех величин по отношению к состоянию вещества – они изображают изохорный (объем неизменен), изобарный (давление неизменно) и изотермический (температура неизменна) процессы. В термодинамику также входит понятие термодинамического равновесия – когда все три эти величины постоянны. Очень интересный вопрос, который затрагивает термодинамика – почему, к примеру, вода при температуре в 0° С может находится как в жидком, так и в твердом агрегатном состоянии.

Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химического вещества. В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

• Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул , которые сами состоят из атомов («элементарных молекул»). Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными и состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы (соответственно, анионы и катионы).
• Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении и взаимодействии, скорость которого зависит от температуры, а характер – от агрегатного состояния вещества.
• Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Атом – наименьшая химически неделимая частица элемента (атом железа, гелия, кислорода). Молекула – наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекула состоит из одного и более атомов (вода – Н 2 О – 1 атом кислорода и 2 атома водорода). Ион – атом или молекула, у которых один или несколько электронов лишние (или электронов не хватает).

Молекулы имеют чрезвычайно малые размеры. Простые одноатомные молекулы имеют размер порядка 10 –10 м. Сложные многоатомные молекулы могут иметь размеры в сотни и тысячи раз больше.

Беспорядочное хаотическое движение молекул называется тепловым движением. Кинетическая энергия теплового движения растет с возрастанием температуры. При низких температурах молекулы конденсируются в жидкое или твердое вещество. При повышении температуры средняя кинетическая энергия молекулы становится больше, молекулы разлетаются, и образуется газообразное вещество.

В твердых телах молекулы совершают беспорядочные колебания около фиксированных центров (положений равновесия). Эти центры могут быть расположены в пространстве нерегулярным образом (аморфные тела) или образовывать упорядоченные объемные структуры (кристаллические тела).

В жидкостях молекулы имеют значительно большую свободу для теплового движения. Они не привязаны к определенным центрам и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей.

В газах расстояния между молекулами обычно значительно больше их размеров. Силы взаимодействия между молекулами на таких больших расстояниях малы, и каждая молекула движется вдоль прямой линии до очередного столкновения с другой молекулой или со стенкой сосуда. Среднее расстояние между молекулами воздуха при нормальных условиях порядка 10 –8 м, то есть в сотни раз превышает размер молекул. Слабое взаимодействие между молекулами объясняет способность газов расширяться и заполнять весь объем сосуда. В пределе, когда взаимодействие стремится к нулю, мы приходим к представлению об идеальном газе.

Идеальный газ – это газ, молекулы которого не взаимодействуют друг с другом, за исключением процессов упругого столкновения и считаются материальными точками.

В молекулярно-кинетической теории количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Единица количества вещества называется молем (моль). Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц (молекул), сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода 12 C. Молекула углерода состоит из одного атома. Таким образом, в одном моле любого вещества содержится одно и то же число частиц (молекул). Это число называется постоянной Авогадро: N А = 6,022·10 23 моль –1 .

Постоянная Авогадро – одна из важнейших постоянных в молекулярно-кинетической теории. Количество вещества определяется как отношение числа N частиц (молекул) вещества к постоянной Авогадро N А, или как отношение массы к молярной массе:

Массу одного моля вещества принято называть молярной массой M . Молярная масса равна произведению массы m 0 одной молекулы данного вещества на постоянную Авогадро (то есть на количество частиц в одном моле). Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль). Для веществ, молекулы которых состоят из одного атома, часто используется термин атомная масса. В таблице Менделеева молярная масса указана в граммах на моль. Таким образом имеем еще одну формулу:

где: M – молярная масса, N A – число Авогадро, m 0 – масса одной частицы вещества, N – число частиц вещества содержащихся в массе вещества m . Кроме этого понадобится понятие концентрации (количество частиц в единице объема):

Напомним также, что плотность, объем и масса тела связаны следующей формулой:

Если в задаче идет речь о смеси веществ, то говорят о средней молярной массе и средней плотности вещества. Как и при вычислении средней скорости неравномерного движения, эти величины определяются полными массами смеси:

Не забывайте, что полное количество вещества всегда равно сумме количеств веществ, входящих в смесь, а с объемом надо быть аккуратными. Объем смеси газов не равен сумме объемов газов, входящих в смесь. Так, в 1 кубометре воздуха содержится 1 кубометр кислорода, 1 кубометр азота, 1 кубометр углекислого газа и т.д. Для твердых тел и жидкостей (если иное не указано в условии) можно считать, что объем смеси равен сумме объемов ее частей.

Основное уравнение МКТ идеального газа

При своем движении молекулы газа непрерывно сталкиваются друг с другом. Из-за этого характеристики их движения меняются, поэтому, говоря об импульсах, скоростях, кинетических энергиях молекул, всегда имеют в виду средние значения этих величин.

Число столкновений молекул газа в нормальных условиях с другими молекулами измеряется миллионами раз в секунду. Если пренебречь размерами и взаимодействием молекул (как в модели идеального газа), то можно считать, что между последовательными столкновениями молекулы движутся равномерно и прямолинейно. Естественно, подлетая к стенке сосуда, в котором расположен газ, молекула испытывает столкновение и со стенкой. Все столкновения молекул друг с другом и со стенками сосуда считаются абсолютно упругими столкновениями шариков. При столкновении со стенкой импульс молекулы изменяется, значит на молекулу со стороны стенки действует сила (вспомните второй закон Ньютона). Но по третьему закону Ньютона с точно такой же силой, направленной в противоположную сторону, молекула действует на стенку, оказывая на нее давление. Совокупность всех ударов всех молекул о стенку сосуда и приводит к возникновению давления газа. Давление газа – это результат столкновений молекул со стенками сосуда. Если нет стенки или любого другого препятствия для молекул, то само понятие давления теряет смысл. Например, совершенно антинаучно говорить о давлении в центре комнаты, ведь там молекулы не давят на стенку. Почему же тогда, поместив туда барометр, мы с удивлением обнаружим, что он показывает какое-то давление? Правильно! Потому, что сам по себе барометр является той самой стенкой, на которую и давят молекулы.

Поскольку давление есть следствие ударов молекул о стенку сосуда, очевидно, что его величина должна зависеть от характеристик отдельно взятых молекул (от средних характеристик, конечно, Вы ведь помните про то, что скорости всех молекул различны). Эта зависимость выражается основным уравнением молекулярно-кинетической теории идеального газа :

где: p - давление газа, n - концентрация его молекул, m 0 - масса одной молекулы, v кв - средняя квадратичная скорость (обратите внимание, что в самом уравнении стоит квадрат средней квадратичной скорости). Физический смысл этого уравнения состоит в том, что оно устанавливает связь между характеристиками всего газа целиком (давлением) и параметрами движения отдельных молекул, то есть связь между макро- и микромиром.

Следствия из основного уравнения МКТ

Как уже было отмечено в предыдущем параграфе, скорость теплового движения молекул определяется температурой вещества. Для идеального газа эта зависимость выражается простыми формулами для средней квадратичной скорости движения молекул газа:

где: k = 1,38∙10 –23 Дж/К – постоянная Больцмана , T – абсолютная температура. Сразу же оговоримся, что далее во всех задачах Вы должны, не задумываясь, переводить температуру в кельвины из градусов Цельсия (кроме задач на уравнение теплового баланса). Закон трех постоянных :

где: R = 8,31 Дж/(моль∙К) – универсальная газовая постоянная . Следующей важной формулой является формула для средней кинетической энергии поступательного движения молекул газа :

Оказывается, что средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул зависит только от температуры, одинакова при данной температуре для всех молекул. Ну и наконец, самыми главными и часто применяемыми следствиями из основного уравнения МКТ являются следующие формулы:

Измерение температуры

Понятие температуры тесно связано с понятием теплового равновесия. Тела, находящиеся в контакте друг с другом, могут обмениваться энергией. Энергия, передаваемая одним телом другому при тепловом контакте, называется количеством теплоты.

Тепловое равновесие – это такое состояние системы тел, находящихся в тепловом контакте, при котором не происходит теплопередачи от одного тела к другому, и все макроскопические параметры тел остаются неизменными. Температура – это физический параметр, одинаковый для всех тел, находящихся в тепловом равновесии.

Для измерения температуры используются физические приборы – термометры, в которых о величине температуры судят по изменению какого-либо физического параметра. Для создания термометра необходимо выбрать термометрическое вещество (например, ртуть, спирт) и термометрическую величину, характеризующую свойство вещества (например, длина ртутного или спиртового столбика). В различных конструкциях термометров используются разнообразные физические свойства вещества (например, изменение линейных размеров твердых тел или изменение электрического сопротивления проводников при нагревании).

Термометры должны быть откалиброваны. Для этого их приводят в тепловой контакт с телами, температуры которых считаются заданными. Чаще всего используют простые природные системы, в которых температура остается неизменной, несмотря на теплообмен с окружающей средой – это смесь льда и воды и смесь воды и пара при кипении при нормальном атмосферном давлении. По температурной шкале Цельсия точке плавления льда приписывается температура 0°С, а точке кипения воды: 100°С. Изменение длины столба жидкости в капиллярах термометра на одну сотую длины между отметками 0°С и 100°С принимается равным 1°С.

Английский физик У.Кельвин (Томсон) в 1848 году предложил использовать точку нулевого давления газа для построения новой температурной шкалы (шкала Кельвина). В этой шкале единица измерения температуры такая же, как и в шкале Цельсия, но нулевая точка сдвинута:

При этом изменение температуры на 1ºС соответствует изменению температуры на 1 К. Изменения температуры по шкале Цельсия и Кельвина равны. В системе СИ принято единицу измерения температуры по шкале Кельвина называть кельвином и обозначать буквой К. Например, комнатная температура T С = 20°С по шкале Кельвина равна T К = 293 К. Температурная шкала Кельвина называется абсолютной шкалой температур. Она оказывается наиболее удобной при построении физических теорий.

Уравнение состояния идеального газа или уравнение Клапейрона-Менделеева

Уравнение состояние идеального газа является очередным следствие из основного уравнения МКТ и записывается в виде:

Данное уравнение устанавливает связь между основными параметрами состояния идеального газа: давлением, объемом, количеством вещества и температурой. Очень важно, что эти параметры взаимосвязаны, изменение любого из них неизбежно приведет к изменению еще хотя бы одного. Именно поэтому данное уравнение и называют уравнением состояния идеального газа. Оно было открыто сначала для одного моля газа Клапейроном, а впоследствии обобщено на случай большего количество молей Менделеевым.

Если температура газа равна T н = 273 К (0°С), а давление p н = 1 атм = 1·10 5 Па, то говорят, что газ находится при нормальных условиях .

Газовые законы

Решение задач на расчет параметров газа значительно упрощается, если Вы знаете, какой закон и какую формулу применить. Итак, рассмотрим основные газовые законы.

1. Закон Авогадро. В одном моле любого вещества содержится одинаковое количество структурных элементов, равное числу Авогадро.

2. Закон Дальтона. Давление смеси газов равно сумме парциальных давлений газов, входящих в эту смесь:

Парциальным давлением газа называют то давление, которое он бы производил, если бы все остальные газ внезапно исчезли из смеси. Например, давление воздуха равно сумме парциальных давлений азота, кислорода, углекислого газа и прочих примесей. При этом каждый из газов в смеси занимает весь предоставленный ему объем, то есть объем каждого из газов равен объему смеси.

3. Закон Бойля-Мариотта. Если масса и температура газа остаются постоянными, то произведение давления газа на его объем не изменяется, следовательно:

Процесс, происходящий при постоянной температуре, называют изотермическим. Обратите внимание, что такая простая форма закона Бойля-Мариотта выполняется только при условии, что масса газа остается неизменной.

4. Закон Гей-Люссака. Сам закон Гей-Люссака не представляет особой ценности при подготовке к экзаменам, поэтому приведем лишь следствие из него. Если масса и давление газа остаются постоянными, то отношение объема газа к его абсолютной температуре не изменяется, следовательно:

Процесс, происходящий при постоянном давлении, называют изобарическим или изобарным. Обратите внимание, что такая простая форма закона Гей-Люссака выполняется только при условии, что масса газа остается неизменной. Не забывайте про перевод температуры из градусов Цельсия в кельвины.

5. Закон Шарля. Как и закон Гей-Люссака, закон Шарля в точной формулировке для нас не важен, поэтому приведем лишь следствие из него. Если масса и объем газа остаются постоянными, то отношение давления газа к его абсолютной температуре не изменяется, следовательно:

Процесс, происходящий при постоянном объеме, называют изохорическим или изохорным. Обратите внимание, что такая простая форма закона Шарля выполняется только при условии, что масса газа остается неизменной. Не забывайте про перевод температуры из градусов Цельсия в кельвины.

6. Универсальный газовый закон (Клапейрона). При постоянной массе газа отношение произведения его давления и объема к температуре не изменяется, следовательно:

Обратите внимание, что масса должна оставаться неизменной, и не забывайте про кельвины.

Итак, существует несколько газовых законов. Перечислим признаки того, что нужно применять один из них при решении задачи:

1. Закон Авогадро применяется во всех задачах где речь идет о количестве молекул.
2. Закон Дальтона применяется во всех задачах, в которых идет речь о смеси газов.
3. Закон Шарля применяют в задачах, когда объем газа остается неизменным. Обычно это или сказано явно, или в задаче присутствуют слова «газ в закрытом сосуде без поршня».
4. Закон Гей-Люссака применяют, если неизменным остается давление газа. Ищите в задачах слова «газ в сосуде, закрытом подвижным поршнем» или «газ в открытом сосуде». Иногда про сосуд ничего не сказано, но по условию понятно, что он сообщается с атмосферой. Тогда считается, что атмосферное давление всегда остается неизменным (если в условии не сказано иного).
5. Закон Бойля-Мариотта. Тут сложнее всего. Хорошо, если в задаче написано, что температура газа неизменна. Чуть хуже, если в условии присутствует слово «медленно». Например, газ медленно сжимают или медленно расширяют. Еще хуже, если сказано, что газ закрыт теплонепроводящим поршнем. Наконец, совсем плохо, если про температуру не сказано ничего, но из условия можно предположить, что она не изменяется. Обычно в этом случае ученики применяют закон Бойля-Мариотта от безысходности.
6. Универсальный газовый закон. Его используют, если масса газа постоянна (например, газ находится в закрытом сосуде), но по условию понятно, что все остальные параметры (давление, объем, температура) изменяются. Вообще, часто вместо универсального закона можно применять уравнение Клапейрона-Менделеева, вы получите правильный ответ, только в каждой формуле будете писать по две лишние буквы.

Графическое изображение изопроцессов

Во многих разделах физики зависимость величин друг от друга удобно изображать графически. Это упрощает понимание взаимосвязи параметров, происходящих в системе процессов. Такой подход очень часто применяется и в молекулярной физике. Основными параметрами, описывающими состояние идеального газа, являются давление, объем и температура. Графический метод решения задач и состоит в изображении взаимосвязи этих параметров в различных газовых координатах. Существует три основных типа газовых координат: (p ; V ), (p ; T ) и (V ; T ). Заметьте, что это только основные (наиболее часто встречающиеся типы координат). Фантазия составителей задач и тестов не ограничена, поэтому Вы можете встретить и любые другие координаты. Итак, изобразим основные газовые процессы в основных газовых координатах.

Изобарный процесс (p = const)

Изобарным процессом называют процесс, протекающий при неизменным давлении и массе газа. Как следует из уравнения состояния идеального газа, в этом случае объем изменяется прямо пропорционально температуре. Графики изобарического процесса в координатах р –V ; V –Т и р –Т имеют следующий вид:

V –T координатах направлено точно в начало координат, однако этот график никогда не сможет начаться прямо из начала координат, так как при очень низких температурах газ превращается в жидкость и зависимость объема от температура меняется.

Изохорный процесс (V = const)

Изохорный процесс – это процесс нагревания или охлаждения газа при постоянном объеме и при условии, что количество вещества в сосуде остается неизменным. Как следует из уравнения состояния идеального газа, при этих условиях давление газа изменяется прямо пропорционально его абсолютной температуре. Графики изохорного процесса в координатах р –V ; р –Т и V –Т имеют следующий вид:

Обратите внимание на то, что продолжение графика в p –T координатах направлено точно в начало координат, однако этот график никогда не сможет начаться прямо из начала координат, так как газ при очень низких температурах превращается в жидкость.

Изотермический процесс (T = const)

Изотермическим процессом называют процесс, протекающий при постоянной температуре. Из уравнения состояния идеального газа следует, что при постоянной температуре и неизменном количестве вещества в сосуде произведение давления газа на его объем должно оставаться постоянным. Графики изотермического процесса в координатах р –V ; р –Т и V –Т имеют следующий вид:

Заметим, что при выполнении заданий на графики в молекулярной физике не требуется особой точности в откладывании координат по соответствующим осям (например, чтобы координаты p 1 и p 2 двух состояний газа в системе p (V ) совпадали с координатами p 1 и p 2 этих состояний в системе p (T ). Во–первых, это разные системы координат, в которых может быть выбран разный масштаб, а во–вторых, это лишняя математическая формальность, отвлекающая от главного – от анализа физической ситуации. Основное требование: чтобы качественный вид графиков был верным.

Неизопроцессы

В задачах этого типа изменяются все три основных параметра газа: давление, объем и температура. Постоянной остается только масса газа. Наиболее простой случай, если задача решается «в лоб» с помощью универсального газового закона. Чуть сложнее, если Вам надо отыскать уравнение процесса, описывающего изменение состояния газа, или проанализировать поведение параметров газа по данному уравнению. Тогда действовать надо так. Записать данное уравнение процесса и универсальный газовый закон (или уравнение Клапейрона-Менделеева, что Вам удобнее) и последовательно исключать ненужные величины из них.

Изменение количества или массы вещества

В сущности, ничего сложного в таких задачах нет. Надо только помнить, что газовые законы не выполняются, так как в формулировках любых из них записано «при постоянной массе». Поэтому действуем просто. Записываем уравнение Клапейрона-Менделеева для начального и конечного состояний газа и решаем задачу.

Перегородки или поршни

В задачах этого типа опять применяются газовые законы, при этом необходимо учесть следующие замечания:

• Во-первых, газ через перегородку не проходит, то есть масса газа в каждой части сосуда остается неизменной, и таким образом, для каждой части сосуда выполняются газовые законы.
• Во-вторых, если перегородка теплонепроводящая, то при нагревании или охлаждении газа в одной части сосуда температура газа во второй части останется неизменной.
• В-третьих, если перегородка подвижна, то давления по обе ее стороны равны в каждый конкретный момент времени (но это равное с обоих сторон давление может меняться со временем).
• А дальше пишем газовые законы для каждого газа по отдельности и решаем задачу.

Газовые законы и гидростатика

Специфика задач состоит в том, что в давлении надо будет учитывать «довески», связанные с давлением столба жидкости. Какие тут могут быть варианты:

• Сосуд с газом погружен под воду. Давление в сосуде будет равно: p = p атм + ρgh , где: h – глубина погружения.
• Горизонтальная трубка закрыта от атмосферы столбиком ртути (или другой жидкости). Давление газа в трубке точно равно: p = p атм атмосферному, так как горизонтальный столбик ртути не оказывает давления на газ.
• Вертикальная трубка с газом закрыта сверху столбиком ртути (или другой жидкости). Давление газа в трубке: p = p атм + ρgh , где: h – высота столбика ртути.
• Вертикальная узкая трубка с газом повернута открытым концом вниз и заперта столбиком ртути (или другой жидкости). Давление газа в трубке: p = p атм – ρgh , где: h – высота столбика ртути. Знак «–» ставится, так как ртуть не сжимает, а растягивает газ. Часто ученики спрашивают, почему ртуть не вытекает из трубки. Действительно, если бы трубка была широкой, ртуть бы стекла вниз по стенкам. А так, поскольку трубка очень узкая, поверхностное натяжение на дает ртути разорваться посередине и пропустить внутрь воздух, а давление газа внутри (меньшее, чем атмосферное) удерживает ртуть от вытекания.

Как только Вы сумели правильно записать давление газа в трубке, применяйте какой-либо из газовых законов (как правило, Бойля-Мариотта, так как большинство таких процессов изотермические, или универсальный газовый закон). Применяйте выбранный закон для газа (ни в коем случае не для жидкости) и решайте задачу.

Тепловое расширение тел

При повышении температуры возрастает интенсивность теплового движения частиц вещества. Это приводит к тому, что молекулы более «активно» отталкиваются друг от друга. Из-за этого большинство тел увеличивает свои размеры при нагревании. Не совершите типичную ошибку, сами атомы и молекулы не расширяются при нагревании. Увеличиваются лишь пустые промежутки между молекулами. Тепловое расширение газов описывается законом Гей-Люссака. Тепловое расширение жидкостей подчиняется следующему закону:

где: V 0 – объем жидкости при 0°С, V – при температуре t , γ – коэффициент объемного расширения жидкости. Обратите внимание, что все температуры в этой теме нужно брать в градусах Цельсия. Коэффициент объемного расширения зависит от рода жидкости (и от температуры, что не учитывается в большинстве задач). Обратите внимание, что численное значение коэффициента, выраженное в 1/°С или в 1/К, одинаково, так как нагреть тело на 1°С это то же самое, что нагреть его на 1 К (а не на 274 К).

Для расширения твердых тел применяются три формулы, описывающие изменение линейных размеров, площади и объема тела:

где: l 0 , S 0 , V 0 – соответственно длина, площадь поверхности и объем тела при 0°С, α – коэффициент линейного расширения тела. Коэффициент линейного расширения зависит от рода тела (и от температуры, что не учитывается в большинстве задач) и измеряется в 1/°С или в 1/К.

Успешное, старательное и ответственное выполнение этих трех пунктов позволит Вам показать на ЦТ отличный результат, максимальный из того на что Вы способны.

Нашли ошибку?

Если Вы, как Вам кажется, нашли ошибку в учебных материалах, то напишите, пожалуйста, о ней на почту. Написать об ошибке можно также в социальной сети (). В письме укажите предмет (физика или математика), название либо номер темы или теста, номер задачи, или место в тексте (страницу) где по Вашему мнению есть ошибка. Также опишите в чем заключается предположительная ошибка. Ваше письмо не останется незамеченным, ошибка либо будет исправлена, либо Вам разъяснят почему это не ошибка.

РАЗДЕЛ «МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»

В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ

§ 1. ЗНАЧЕНИЕ, МЕСТО И ОСОБЕННОСТИ РАЗДЕЛА

«МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»

В разделе «Молекулярная физика» учащиеся изучают пове-дение качественно нового материального объекта: системы, со-стоящей из большого числа частиц (молекул и атомов), новую, присущую именно этому объекту форму движения (тепловую) и соответствую-щий ей вид энергии, (внутреннюю). Здесь учащихся впервые знако-мят со статистическими закономерностями, которые используют для описания поведения большого числа частиц. Фор-мирование стати-стических представлений позволяет помять смысл необратимости тепловых процессов. Именно необратимость является отличитель-ным свойством тепловых процессов и позволяет говорить о тепловом равновесии, температуре, понять принцип ра-боты тепловых машин.

Задача учителя - рассмотреть в единстве два метода описа-ния тепловых явлений и процессов: термодинамический (феноме-нологи-ческий), основанный на понятии энергии, и статистический, основан-ный на молекулярно-кинетических представлениях о строе-нии веще-ства. При рассмотрении статистического и термодинами-ческого мето-дов необходимо четко разграничить знания, полученные эмпириче-ски, и знания, полученные в результате моделирования внутреннего строения вещества и происходящих с ним явлений и процессов.

Важно показать, что эти два подхода, по сути, описывают с раз-ных точек зрения состояние одного и того же объекта и по-тому до-полняют друг друга. В связи с этим, формируя такие по-нятия, как температура, внутренняя энергия, идеальный газ и т. д., учитель дол-жен раскрыть их содержание как с термодинамиче-ской, так и с моле-кулярно-кинетической точки зрения.

В разделе «Молекулярная физика» изучают молекулярно-кине-тическую теорию строения вещества, основные положения ко-торой рассматривали еще в VII классе. Изучая физику в VII и VIII классах, учащиеся научились объяснять целый ряд физиче-ских явлений, свойств веществ (свойства жидкостей и газов, дав-ление, тепловые явления и пр.) с точки зрения внутренней струк-туры вещества. Од-нако понятия, составляющие содержание соответствующих тем, изучали на уровне представлений, а все явления описывали качественно. Поэтому при преподавании молеку-лярной физики в X классе знания, имеющиеся у учащихся, нужно актуализировать, углубить и расширить, довести их до уровня понятий и количественного описания явлений. В частности, в курсе физики X класса изучают основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов; значительно глубже, чем в VII классе, рассматривают свойства газов, жидкостей и твердых тел.

В разделе получают дальнейшее развитие энергетические пред-ставления, происходит обобщение закона сохранения энергии на тепловые процессы, вводят формулу первого закона термодина-мики и рассматривают применение этого закона к анализу кон-кретных процессов. Изучение одного из основных принципов тер-модинамики имеет огромное познавательное и мировоззренческое значение для десятиклассников.

Раздел «Молекулярная физика» дает возможность продолжить знакомство учащихся с экспериментальным методом исследования, который находит отражение в фундаментальных опытах (броунов-ское движение, опыт Штерна) и опытах, иллюстрирующих газо-вые законы (опыт Бойля, Шарля и пр.).

Мировоззренческое значение раздела «Молекулярная физика» трудно переоценить. При его изучении происходит углубление по-нятия материи. Молекулы и атомы являются вещественной фор-мой материи, объективно существующей в окружающем мире. Они обладают массой, импульсом, энергией. Являясь видом материи, молекулы и атомы имеют присущие материи свойства, одно из которых - движение. Молекулы и атомы участвуют в особом дви-жении, называемом тепловым, которое отличается от простейше-го механического движения большой совокупностью участвую-щих в нем частиц и хаотичностью. Тепловое движение описыва-ется статистическими законами. В связи с этим важно показать школьникам различие между статистическими и динамическими закономерностями, соотношение между ними и обратить внимание учащихся на отражение в этих закономерностях категорий не-обходимого и случайного.

Раздел «Молекулярная физика» дает прекрасную возможность для демонстрации дедуктивного метода изучения явлений приро-ды. Применение дедукции в преподавании вносит свой вклад в развитие абстрактного мышления учащихся.

Велико политехническое значение этого раздела курса физики. Достижения молекулярной физики являются научной основой та-кой отрасли промышленности, как материаловедение. Знание внутреннего строения тел позволяет создавать материалы с заранее заданными свойствами, целенаправленно работать над повышени-ем твердости, термостойкости, теплопроводности металлов и сплавов.

Изучение тепловых явлений дает возможность ознакомить уча-щихся c основами теплоэнергетики, отрасли, занимающей в на-шей стране первое место в обеспечении энергией нужд промыш-ленности и быта.

Раздел «Молекулярная физика» изучается в старших классах после раздела «Механика». Такое расположение материала, с од-ной стороны, соответствует методическому принципу рассмотрения физических явлений в порядке усложнения форм движения Ма-терии, а с другой - позволяет изучать микроявления на количе-ственном уровне и использовать известные из курса механики ве-личины: масса, скорость, сила, импульс, энергия и т. д.

§ 2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛА

«МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»

Структуру раздела «Молекулярная физика» определяют два обстоятельства: избранный метод изучения газовых законов (ин-дуктивный или дедуктивный) и метод введения понятия темпе-ратуры.

При индуктивном изучении газовых законов вначале на каче-ственном уровне рассматривают основные положения молекулярно-кинетической теории, затем некоторые вопросы термодинамики, газовые законы вводят эмпирически и объясняют с точки зрения молекулярных представлений и на основе термодинамического подхода. Методическая идея в этом случае заключается в совмест-ном изучении тепловых явлений и молекулярной физики, в опыт-ном изучении свойств веществ и их объяснении на основе теории. В этом случае раздел имеет следующую структуру: основные положения молекулярно-кинетической теории - основы термоди-намики (тепловое равновесие, параметры состояния, температура, газовые законы, абсолютная температура, первый закон термоди-намики) - молекулярно-кинетическая теория идеального газа (ос-новное уравнение молекулярно-кинетической теории газов, темпе-ратура - мера средней кинетической энергии молекул) - свойства газов, жидкостей и твердых тел и их взаимные превращения.

Эмпирический подход к изучению газовых законов вполне до-ступен для учащихся, при его использовании представления и по-нятия формируют на чувственно-конкретной основе, он не требует высокого уровня абстрактного мышления, соответствует истории открытия газовых законов и позволяет знакомить учащихся с пу-тями развития физики. Недостатком этого подхода является то, что он не позволяет полностью использовать молекулярно-кинетическую теорию для описания свойств идеального газа.

При дедуктивном подходе вначале изучают молекулярно-кинетическую теорию идеального газа: выводят основное уравнение

уравнения состояния идеального газа и подтверждают экспери-ментально. Далее можно изучать законы термодинамики и рас-сматривать применение первого закона термодинамики к изопроцессам.

Такой подход имеет целый ряд достоинств по сравнению с ин-дуктивным, одно из которых заключается в соответствии его ос-новной идее современного школьного курса - усилению роли научных теорий. Кроме того, он позволяет наглядно продемонст-рировать тот факт, что фундаментальных законов в физике не так много, большинство же могут быть получены как частные случаи из более общих законов. Применение здесь дедуктивного метода играет большую роль в формировании научного мировоззрения и развитии мышления школьников. Он также позволяет получить выигрыш во времени.

При дедуктивном подходе к изучению газовых законов воз-можна и иная структура раздела, при которой школьников сначала знакомят с основными понятиями и законами молекулярно- кинетической теории и термодинамики, а затем применяют в единстве аппарат этих теорий для изучения свойств макроскопических систем. В этом случае раздел имеет следующую структуру: основные положения молекулярно-кинетической теории - основы термодинамики - строение и свойства газов, жидкостей и твер-дых тел - агрегатные превращения.

Что касается введения понятия температуры, то при индуктив-ном изучении газовых законов последовательность его раскрытия такова: температура как параметр состояния макроскопической системы - абсолютная температура (из закона Шарля или Гей-Люссака) - температура - мера средней кинетической энергии мо-лекул (из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов и эмпирически полученного уравнения состояния идеаль-ного газа).

При дедуктивном изучении газовых законов понятие темпера-туры вводят следующим образом: температура как параметр состояния макроскопической системы - абсолютная температура - температура - мера средней кинетической энергии молекул (из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов и

для всех газов в состоянии теплового равновесия показывают, что абсолютная температура пропорциональна средней кинетической энергии молекул).

При дедуктивном изучении газовых законов можно ввести по-нятие температуры и по следующей схеме: температура как па-раметр состояния макроскопической системы - температура - мера средней кинетической энергии молекул (по определению после рассмотрения основного уравнения молекулярно-кинетиче-ской теории газов) - абсолютная температура.

В соответствии с программой одиннадцатилетней школы раз-дел «Молекулярная физика» включает две темы: «Основы моле-кулярно-кинетической теории» и «Основы термодинамики», т. е. изучение материала начинают с основных положений молекуляр-но-кинетической теории и их опытного обоснования. Это вполне оправдано, так как глубокое понимание термодинамики возмож-но лишь после изучения механизма, лежащего в основе того или иного процесса. Кроме того, изучение основных положений моле-кулярно-кинетической теории сразу же позволяет установить связь рассматриваемого материала с тем, что уже известно учащимся из курса физики VП-VIП классов и из курса химии VПI- IX классов.

Вопросы молекулярно-кинетической теории изучают здесь бо-лее глубоко, особое внимание уделяют опытным обоснованиям молекулярно-кинетической теории: рассматривают броуновское движение, достаточно детально изучают характеристики молекул, методы их теоретического и экспериментального определения, при объяснении взаимодействия между молекулами проводят анализ графика сил взаимодействия.

Затем в этой же теме изучают основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа, понятие температуры, уравнение Менделеева-Клапейрона и изопроцессы. Знания, по-лученные школьниками при изучении этого материала, используют для объяснения свойств паров, жидкостей и твердых тел.

В теме «Основы термодинамики» повторяют и углубляют по-нятия, изученные учащимися в VIII классе: внутренняя энергия, способы изменения внутренней энергии, количество теплоты и ра-бота как меры изменения внутренней энергии, обсуждают зависимость внутренней энергии от параметров состояния системы. Затем изучают первый закон термодинамики, дают понятие о вто-ром законе термодинамики (невозможности полного превращения внутренней энергии в работу). Важный вопрос темы - вопрос о принципах действия тепловых двигателей, рассмотрение которого позволяет показать применение законов термодинамики в кон-кретных технических устройствах и тем самым ознакомить деся-тиклассников с физическими основами теплоэнергетики.

§ 3. СТАТИСТИЧЕСКИЙ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ

Сущность статистического метода изучения явлений соответ-ствует положению диалектического материализма о соотношении необходимого и случайного. Движение каждой молекулы тела или системы подчиняется законам классической механики, однако ее поведение в каждый момент времени случайно, оно зависит от множества причин, которые невозможно учесть. Например, ско-рость, энергия, импульс каждой молекулы зависят от столкнове-ний ее с другими молекулами, и предсказать значения этих вели-чин в каждый момент времени невозможно.

С другой стороны, поведение всей совокупности частиц под-чиняется определенным закономерностям, которые называют ста-тистическими и которые проявляются при изучении поведения большого числа частиц. Например, если скорость каждой молеку-лы в данный момент времени - величина случайная, то большин-ство молекул имеет скорость, которая близка к некоторому опре-деленному при данных условиях значению, называемому наиболее вероятным.

Математическую основу статистической физики составляет тео-рия вероятностей, важными понятиями которой являются: «слу-чайное событие», «вероятность», «статистическое распределение», «среднее значение случайной величины».

Под случайным понимают событие, которое может наступить, а может не наступить в данных условиях. Случайное событие характеризуется следующими признаками: а) невозможностью однозначного предсказания случайного события; б) наличием боль-шого числа причин, обусловливающих случайное событие; в) предсказуемостью хода процесса в массовом коллективе случайных событий; г) вероятностью события как математического выраже-ния возможности предсказания процесса.

Эти признаки можно рассмотреть на примере совокупности большого числа молекул. В частности, невозможно однозначно предсказать движение каждой отдельной молекулы, так как оно зависит от поведения множества других молекул. Это можно сде-лать лишь с определенной вероятностью.

Вероятность - это числовая характеристика возможности по-явления события в тех или иных условиях. Чем больше вероят-ность, тем чаще происходит данное событие. Если число всех проведенных испытаний N, ΔN-число испытаний, в которых про-исходит данное событие, то вероятность этого события вычисляют по формуле: ω=
.

Можно под N понимать общее число частиц в системе, а под ΔN - число частиц, находящихся в определенном состоянии. В этом случае ω - вероятность существования частицы в данном состоянии.

В теоретических расчетах бывает сложно вычислить вероят-ность, так как не представляется возможным предсказать число испытаний, в которых событие произойдет. Задача упрощается, если изучают равновероятные события, т. е. события, происходя-щие с равной частотой. Именно с равновероятными событиями имеют дело при рассмотрении хаотического движения молекул: вдоль любых выделенных направлений движется одинаковое чис-ло частиц. Следует пояснить учащимся, что понятие вероятности имеет смысл лишь для массовых событий. В противном случае частота наступления события может существенно отличаться от значения вероятности.

Понятие о статистическом распределении вводят, используя опыт с доской Гальтона (рис. 46), который достаточно наглядно иллюстрирует распределение молекул по координатам. С вопро-сом о распределении десятиклассники сталкиваются при выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов, рассматривая равновероятное рас-пределение молекул по объему и по направлениям движения. Изучая вопрос о скоростях молекул, школь-ники знакомятся с максвелловским распределением.

При изучении молекулярно-ки-нетической теории учащиеся ши-роко используют среднее значе-ние случайных величин. Важно подчеркнуть, что среднее значение случайной величины - характеристика статистического распределения. Именно для большого числа частиц среднее значение случайной величины постоянно. К таким величинам относится, например, скорость движения мо-лекул. Не имея возможности определить скорость каждой отдель-ной молекулы, для расчетов используют значение скорости, равное среднему квадрату:

При выводе основного уравнения кинетической теории газов рассчитывают давление газа на стенки сосуда. Речь идет о сред-нем значении давления, так как в разные моменты времени о стен-ку ударяется разное число молекул, имеющих различные скоро-сти. Но при большом числе молекул можно считать давление по-стоянным, а флуктуацию давления достаточно малой.

У учащихся может сложиться впечатление, что статистический метод был введен в науку как некий искусственный прием, позво-ливший описать поведение молекул, и что динамические законы являются основными по сравнению со статистическими. Следует предупредить эту ошибку и объяснить, что статистические законы существуют объективно. Классическая статистика возникла в XIX в. Этот факт выражал прогрессивное направление науки и был связан с изучением внутреннего строения вещества. В настоя-щее время известно, что поведение всех микрообъектов подчиня-ется статистическим законам, причем в квантовой физике в отли-чие от классической статистические законы проявляются не толь-ко вследствие массовости и хаотичности движения, но и в связи с самой природой квантовых объектов (с невозможностью одновре-менного точного определения координаты и скорости частицы). Целесообразно подчеркнуть, что статистический метод является основой современной физики. В частности, вероятностные, стати-стические законы господствуют в мире элементарных частиц.

Термодинамический метод описания явлений и процессов опи-рается на непосредственные данные наблюдений и опытов и на основные термодинамические принципы (законы термодинамики).

Термодинамика - феноменологическая теория, которая изучает явления и свойства макроскопических тел, связанные с превраще-нием энергии, и не рассматривает их внутреннее строение. Начало термодинамики как науки было положено в работе С. Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г.), в которой рассматривались тепловые процессы, в частности вопросы изменения внутренней энергии при совершении работы и вопросы теории тепловых машин. В на-стоящее время термодинамика изучает превращения энергии не только в тепловых процессах, но и в электрических, магнитных, химических и др.

В основе термодинамического метода лежат следующие поня-тия: «термодинамическая система», «состояние термодинами-ческой системы», «термодинамические параметры состояния» и «равновесное состояние».

Термодинамической системой называют тело или совокупность тел, обменивающихся энергией между собой и с внешними тела-ми. Если обмена энергией с внешними телами нет, то система яв-ляется изолированной. Понятие изолированной системы - абстракция, все реальные системы можно считать изолированными лишь с той или иной степенью точности.

С понятием состояния школьники уже знакомы из курса ме-ханики. Они знают, что механическое состояние системы опреде-ляется совокупностью величин, характеризующих свойства систе-мы и называемых параметрами состояния. К ним в механике от-носят координату, импульс и т. д. Состояние термодинамической системы также определяется рядом параметров (термодинамиче-ских). Термодинамическими параметрами состояния являются тем-пература, объем, давление и т. д.

Число параметров, характеризующих состояние системы, за-висит от свойств системы и от условий, в которых она находится. Трех названных выше параметров достаточно для описания изо-лированной системы «идеальный газ», но если рассматривать, на-пример, неоднородный газ, то необходимо учитывать еще и кон-центрацию.

Параметры могут быть внешними и внутренними. Температу-ра и давление, например, зависят только от состояния самой системы и не связаны с внешними условиями. Объем же зависит от внешних условий. Некоторые параметры состояния, например, объем, обладают свойством аддитивности, другие, такие, как дав-ление и температура, не обладают.

При изменении состояния системы меняются и ее параметры. Однако для целого ряда тер-модинамических систем между параметрами можно установить функциональную зависимость. Уравнение, выражающее эту зави-симость, называют уравнением состояния (для системы «идеаль-ный газ» это уравнение pV = NkT ).

Состояние системы может быть равновесным и неравновесным. Равновесное состояние характеризуется неизменностью всех тер-модинамических параметров системы во времени и одинаковостью в пространстве в отсутствие внешних воздействий. Термодинамика изучает в основном равновесные состояния. Если система находит-ся в неравновесном состоянии (т. е. параметры ее с течением времени меняются), то постепенно она придет в состояние равно-весия и ее параметры выровняются во всех частях системы.

Изо-лированная термодинамическая система с течением времени всегда приходит в равновесное состояние, из которого не может само-произвольно выйти. Это утверждение составляет сущность закона термодинамического равновесия, являющегося одним из важней-ших опытных законов термодинамики. Именно закон термодина-мического равновесия делает возможным измерение температуры системы.

Целесообразно подчеркнуть, что уравнение состояния идеаль-ного газа и частные газовые законы справедливы лишь для рав-новесных процессов. К неравновесным процессам они непримени-мы, так как в этом случае параметры состояния различны для разных частей системы. Из одного равновесного состояния в дру-гое система может перейти под влиянием внешнего воздействия.

Такой переход в термодинамике называют процессом. Если во вре-мя процесса система остается равновесной, то и процесс называ-ют равновесным. Равновесный процесс осуществляется тогда, ког-да время релаксации (время перехода системы из неравновесного состояния в равновесное) много меньше времени осуществления процесса. В этом случае систему в каждый момент времени с той или иной степенью точности считают равновесной, или статиче-ской. Поскольку в действительности отклонения от статичности имеются (иначе нельзя было бы осуществить процесс), то состоя-ние системы называют квазистатическим, а процесс - квазистати-ческим процессом. Следует иметь в виду, что на графике можно изобразить только равновесное (квазистатическое) состояние или равновесный (квазистатический) процесс.

При изучении раздела «Молекулярная физика» учителю сле-дует постоянно подчеркивать единство статистического и термоди-намического методов. В этом отношении полезно обобщать и си-стематизировать знания школьников о статистическом и термоди-намическом подходах к описанию тепловых явлений. Обобщение знаний проводят в конце изучения всего раздела, а связь между этими подходами представляют в виде схемы, изображенной на рисунке 47.

§ 4 . ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

Изучение темы «Основные положения молекулярно-кинетической теории» необходимо строить с опорой на знания учащихся, полученные ими при изучении курса физики VП и VIII классов и курса химии VIII и IX классов.

Центральное понятие этой темы - понятие молекулы; слож-ность его усвоения школьниками связана с тем, что молекула - объект, непосредственно ненаблюдаемый. Поэтому учитель дол-жен убедить десятиклассников в реальности микромира, в возмож-ности его познания. В связи с этим большое внимание уделяют рассмотрению экспериментов, доказывающих существование и движение молекул и позволяющих вычислить их основные ха-рактеристики (классические опыты Перрена, Рэлея и Штерна). Кроме этого, целесообразно ознакомить учащихся с расчетными методами определения характеристик молекул.

При рассмотрении доказательства существования и движения молекул рассказывают учащимся о наблюдениях Броуном беспо-рядочного движения мелких взвешенных частиц, которое не прекращалось в течение всего времени наблюдения. В то время не было дано правильного объяснения причины этого движения, и лишь спустя почти 80 лет А. Эйнштейн и М. Смолуховский построили, а Ж. Перрен экспериментально подтвердил теорию броу-новского движения.

Из рассмотрения опытов Броуна необходимо сделать следую-щие выводы: а) движение броуновских частиц вызывается уда-рами молекул вещества, в котором эти частицы взвешены; б) броуновское движение непрерывно и беспорядочно, оно зави-сит от свойств вещества, в котором частицы взвешены; в) движе-ние броуновских частиц позволяет судить о движении молекул среды, в которой эти частицы находятся; г) броуновское движение доказывает существование молекул, их движение и непрерывный и хаотический характер этого движения.

Это относится к таким

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

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 движения и вз-ствия ч-ц (атомов, молекул, ионов), составляющих физ. тела.

Первым сформировавшимся разделом М. ф. была . В процессе её развития работами англ. Дж. Максвелла (1858-60), австр. Л. Больцмана (1868) и амер. физика Дж. У. Гиббса (1871 -1902) была создана классич. статистич. физика.

Количеств. представления о вз-ствии молекул (мол. силах) начали развиваться в теории капиллярных явлений. Классич. работы в этой области франц. учёных А. Клеро (1743), П. Лапласа (1806), англ. учёного Т. Юнга (1805), франц. учёного С. Пуассона, нем. учёного К. Гаусса (1830 - 1831), Гиббса (1874-78), И. С. Громеки (1879, 1886) и др. положили начало теории поверхностных явлений. Межмол. вз-ствия были учтены голл. физиком Я. Д. Ван-дер-Ваальсом при объяснении физ. св-в реальных газов и жидкостей.

В нач. 20 в. М. ф. вступает в новый этап развития. В работах франц. физика Ж. Б. Перрена и швед. учёного Т. Сведберга (1906), польск. физика М. Смолуховского и А.. Эйнштейна (1904-06), посвящённых броуновскому движению микрочастиц, были получены доказательства реальности существования молекул. Методами рентгеновского структурного анализа (а впоследствии - методами электронографии и нейтронографии) были изучены структура тв. тел и жидкостей и её изменения при фазовых переходах и изменении темп-ры, давления и др. хар-к. Учение о межатомных взаимодействиях на основе представлений квантовой механики получило развитие в работах нем. физиков М. Борна, Ф. Лондона и В. Гейтлера, а также П. Дебая (Германия). Теория переходов из одного агрегатного в другое, намеченная Ван-дер-Ваальсом и англ. физиком У. Томсоном и развитая в работах Гиббса, Л. Д. Ландау (1937) и нем. физико-химика М. Фольмера (30-е гг.) и их последователей, превратилась в современную теорию образования фазы - важный самостоят. раздел М. ф. Объединение статистич. методов с совр. представлениями о структуре в-ва в работах Я. И. Френкеля, англ. физико-химика Г. Эйринга (1935-36), англ. учёного Дж. Бернала и др. привело к М. ф. жидких и тв. тел.

Круг вопросов, охватываемых М. ф., очень широк. В ней рассматриваются: строение в-в и его изменение под влиянием внеш. факторов (давления, темп-ры, электрич. и магн. полей), явления (диффузия , теплопроводность, внутр. трение), и процессы фазовых переходов (кристаллизация и плавление, испарение и конденсация и др.), критич. состояние в-ва, на границах раздела разл. фаз.

Интенсивное развитие М. Ф. привело к выделению из неё мн. самостоят. разделов (статистич. физика, физ. , физика тв. тела, физ. химия, мол. биология). На основе общих теоретич. представлений М. ф. получили развитие физика металлов, физика полимеров, физика плазмы, физико-химия дисперсных систем и поверхностных явлений, теория массо- и теплопереноса, физико-хим. . При всём различии объектов и методов исследования здесь сохраняется. однако, гл. идея М. ф.- описание макроскопич. св-в в-ва на основе микроскопической (молекулярной) картины его строения.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

- раздел физики, в к-ром изучаются физ. свойства тел на основе рассмотрения их молекулярного строения. Задачи M. ф. решаются методами физ. статистики, термодинамики и физ. кинетики, они связаны с изучением движения и взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих физ. тела.

Первым сформировавшимся разделом M. ф. была кинетич. теория газов. В процессе её развития работами Дж. К. Максвелла (J. К. Maxwell, 1858-60), Л. Больц-мана (L. Boltzmann, 1868), Дж. У. Гиббса (J. W. Gibbs, 1871 -1902) была создана классич. статистич. физика.

Количеств. представления о взаимодействии молекул (молекулярных силах) начали развиваться в теории капиллярных явлений. Классич. работы в этой области А. К. Клеро (А. С. Clairaut, 1743), П. С. Лапласа (P. S. Laplace, 1806), T. Юнга (Th. Young, 1805), С. Д. Пуассона (S. D. Poisson), K. Ф. Гаусса (С. F. Gauss, 1830-31), Гиббса (1874-78), И. С. Гро-меки (1879, 1886) и др. положили начало теории поверхностных явлений. Межмолекулярные взаимодействия были учтены Й. Д. Ван-дер-Ваальсом (J. D. van der Waals, 1873) при объяснении физ. свойств реальных газов и жидкостей.

В нач. 20 в. M. ф. вступила в новый этап развития. В работах Ж. Б. Перрена (J. В. Perrin) и T. Сведберга (Th. Svedberg, 1906), M. Смолуховского (M. Smolu-chowski) и А. Эйнштейна (1904-06), посвящённых броуновскому движению микрочастиц, были получены доказательства реальности существования молекул. Методами рентг. структурного анализа (а впоследствии методами электронографии и нейтронографии) были изучены структура твёрдых тел и жидкостей и её изменения при фазовых переходах и изменении темп-ры, давления и др. характеристик. Учение о межатомных взаимодействиях на основе представлений квантовой механики получило развитие в работах M. Борна (M. Born), Ф. Лондона (F. London) и В. Гайтлора (W. Heitier), а также П. Дебая (P. Debye). Теория переходов из одного агрегатного состояния в другое, намеченная Ван-дер-Ваальсом и У. Томсоном (W. Thomson) и развитая в работах Гиббса (кон. 19 в.), Л. Д. Ландау и M. Фольмера (M. Volmer, 30-е гг. 20 в.) и их последователей, превратилась в совр. теорию образования фазы - важный самостоятельный раздел M. ф. Объединение статистич. методов с совр. представлениями о структуре вещества в работах Я. И. Френкеля, Г. Эйринга (H. Eyring, 1935-36), Дж. Д. Бер-нала (J. D. Bernal) и др. привело к M. ф. жидких и твёрдых тел.

Круг вопросов, охватываемых M. ф., очень широк. В ней рассматриваются: строение веществ и его изменение под влиянием внеш. факторов (давления, темп-ры, электрич. и магн. полей), явления переноса (диффузия , теплопроводность, вязкость), фазовое равновесие и процессы фазовых переходов (кристаллизация , плавление, испарение, конденсация и др.), критич. состояние вещества, явления на границах раздела фаз.

Развитие M. ф. привело к выделению из неё самостоят. разделов: статистич. физики, физ. кинетики, физики твёрдого тела, физ. химии, молекулярной биологии. На основе общих теоретич. представлений M. ф. получили развитие физика металлов, физика полимеров, физика плазмы, кристаллофизика, физико-химия дисперсных систем и поверхностных явлений, теория мас-со- и теплопереноса, физико-хим. механика. При всём различии объектов и методов исследования здесь сохраняется, однако, гл. идея M. ф. - описание макроско-пич. свойств вещества на основе микроскопич. (молекулярной) картины его строения.

Лит.: Кикоин А. К., Кикоин И. К., Молекулярная физика, 2 изд., M., 1976; Гиршфельдер Д ж., Кер-тисс Ч., Беpд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., M., 1961; Fpенкель Я. И., Кинетическая теория жидкостей, Л., 1975; Дерягин Б. В., Ч у-раев H. В., Мулле p В. M., Поверхностные силы, M., 1985. П. А. Ребиндер, Б. В. Дерягин, H. В. Чураев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА" в других словарях:

Молекулярная физика раздел физики, который изучает физические свойства тел на основе рассмотрения их молекулярного строения. Задачи молекулярной физики решаются методами физической статистики, термодинамики и физической кинетики, они… … Википедия

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

Изучающие происходящие в телах макроскопические процессы, которые связанны с большим числом атомов и молекул, содержащихся в них.

Молекулярная физика изучает строение и со стороны молекулярно - кинетических представлений, которые основываются на том, что любое тело состоит из молекул (частиц), находящихся в постоянном хаотическом движении. Молекулярная физика изучает процессы совокупного воздействия колоссального числа молекул.

Термодинамика изучает общие (макроскопической), находящейся в

Исследование макроскопических процессов осуществляется при помощи двух методов:

1. молекулярно - кинетического (молекулярная физика основана на данном методе);

2. термодинамического, лежит в основе термодинамики.

Эти методы дополняют один другого.

Молекулярная физика основана на молекулярно-кинетической теории, согласно которой строение и свойства тел объясняются хаотичным движением и взаимодействием молекул, атомов и ионов (т.е. частиц). Наблюдаемые на опыте свойства тел (например, давление) объясняются результатом воздействия частиц, то есть свойства всей макроскопической системы зависят от свойств частиц, особенностей их движения и усредненных значений динамических характеристик частиц. Определить точное местоположение частицы в пространстве и ее импульс не возможно, однако огромное их количество позволяет эффективно использовать молекулярно-кинетический (статистический) метод, так как существуют определенные закономерности в поведении средних параметров.

Основными положениями молекулярно-кинетической теории являются:

1. Любое вещество состоит из частиц - молекул и атомов, а те из более маленьких частиц;

2. Молекулы, атомы и другие частицы находятся в непрерывном хаотичном движении;

3. Между частицами имеется сила притяжения и сила отталкивания.

Молекулярной физикой рассматриваются: строение газов, твёрдых тел и жидкостей, их изменение под внешним воздействием (давления, температуры, магнитного и электрического полей), явления переноса (внутреннее трение, теплопроводность, диффузия), процессы фазовых переходов кристаллизация и плавление и т.п.), фазовое равновесие, веществ.

Термодинамика изучает тепловые процессы, которые связаны с изменением температуры тела и его агрегатного состояния. Термодинамика не занимается рассмотрением микропроцессов, она занимается установлением связей, существующих между макроскопическими свойствами веществ. Термодинамическая система представляет собой совокупность взаимодействующих и обменивающихся энергией между собой и с внешней средой макроскопических тел. Задачей термодинамического метода является определение состояния, в котором находится термодинамическая система в любое время. Совокупность характеризующих свойства системы (давление, температуру, объем) физических величин, задают ее состояние.

Термодинамический процесс -изменение термодинамической системы, связанное с изменением ее параметров.

Молекулярная химия - это наука о составе, строении, физических свойствах вещества.

Физические свойства веществ:

1. агрегатное состояние (твердое тело, газ, жидкость);

4. плотность;

5. растворимость;

6. электро - и теплопроводность;

7. температура плавления и кипения.

Любые вещества состоят из атомов и молекул, ионов.

Атом представляет собой мельчайшую частицу вещества, состоящую из заряженного положительно ядра и заряженной отрицательно электронной оболочки.

Положительный заряд несет протон. Также в состав ядра входят нейтральные элементарные частицы - нейроны. Единица отрицательного заряда - электрон.