Fundamentos de física molecular y termodinámica. Teoría cinética molecular de los gases.

Física molecular- una rama de la física en la que se estudian las propiedades físicas y fisicoquímicas de los cuerpos macroscópicos en diversos estados de agregación, basándose en conceptos cinéticos moleculares de su estructura. La física molecular se basa en tres principios fundamentales:

• Todos los cuerpos macroscópicos constan de una gran cantidad de partículas: moléculas (átomos);
• Las moléculas están en continuo movimiento caótico (movimiento térmico);
• Las moléculas interactúan entre sí, atrayéndose a grandes distancias y repeliéndose a distancias cortas.

La principal tarea de la física molecular es construir una imagen física de los fenómenos moleculares para explicar el comportamiento observado de las sustancias y predecir nuevos fenómenos.

Principales áreas y métodos de investigación.

Las ramas de la física molecular son la física de gases, la física de líquidos, la física de sólidos, así como la física de sistemas condensados ​​inusuales (polímeros, cristales líquidos, nanopartículas, etc.). Consideran: la estructura de la materia en varios estados de agregación y sus cambios bajo la influencia de factores externos (presión, temperatura, campos eléctricos y magnéticos), el comportamiento de la materia en condiciones extremas, procesos de relajación, transiciones de fase (condensación, cristalización, evaporación, fusión, etc.), fenómenos de transferencia (difusión, conductividad térmica, viscosidad), estado crítico de la materia, fenómenos superficiales en la interfaz.

Todas las ramas de la física molecular tienen en común un enfoque teórico basado en el uso de métodos de investigación fenomenológicos (termodinámicos) y estadísticos (moleculares). Aunque estos métodos son cualitativamente diferentes, están estrechamente relacionados y se complementan entre sí. El método termodinámico se basa en los principios de la termodinámica, que son de naturaleza general y no utilizan ideas sobre la estructura molecular de la materia. El enfoque cinético molecular implica considerar un modelo molecular específico de una sustancia. A pesar de las diferencias externas de estos métodos, están interconectados internamente, ya que todas las conclusiones obtenidas de la consideración de modelos moleculares particulares deben ser consistentes con las conclusiones generales de la termodinámica.

Historia de la física molecular, principales resultados y logros científicos.

La física molecular moderna comenzó a desarrollarse en el siglo XVII, aunque el concepto y término “átomo” surgió en la época antigua (Leucipo, siglo V a.C., Demócrito, c. 460-370 a.C., Epicuro, 341-270 a.C.). El origen de la teoría cinética de los gases está asociado al nombre de D. Bernoulli (1700-1782). Los conceptos atomísticos fueron utilizados por M.V. Lomonósov (1711-1765). La primera forma moderna de atomismo físico es la teoría cinética de los gases, cuyos autores son A.K. Kroenig (A.K. Kronig, 1822-1879), R.Yu. Clausius (R.J. Clausius, 1822-1888), D.K. Maxwell (D.K. Maxwell, 1831-1879), L. Boltzmann (1844-1906), J.W. Gibbs (J.W. Gibbs, 1839-1903) también sentó las bases de la física estadística clásica. La mecánica cuántica condujo a la creación de la cinética cuántica y la física estadística cuántica.

La evidencia directa de la realidad de la existencia de moléculas se obtuvo a principios del siglo XX en los trabajos de J.B. Perrin (J.B. Perrin, 1870-1942) y T. Svedberg (Th. Svedberg, 1874-1971), M. Smoluchowski (1872-1917) y A. Einstein (1879-1955), quienes estudiaron el movimiento browniano de partículas.

El estudio cuantitativo de los líquidos comenzó con los trabajos de D. Bernoulli y L. Euler (L. Euler, 1707-1783), Ya.D. Van der Waals (J.D. Van der Waals, 1837-1923), P-I.V. Debye (P.I.W.Debye, 1884-1966). La teoría estadística de los líquidos fue desarrollada por D.G. Kirkwood (J.G. Kirkwood, 1907-1959), M. Born (1882-1970), G.S. Verde (H.S. Green, 1920-1999), N.N. Bogolyubov (1909-1992), Ya.I. Frenkel (1894-1952).

El desarrollo de la mecánica cuántica ha permitido estudiar líquidos específicos: metales líquidos, así como líquidos cuánticos, etc. Los métodos numéricos en la teoría de fluidos comenzaron a desarrollarse intensamente desde 1957 y actualmente ocupan un lugar destacado en el estudio de fluidos.

En el desarrollo de la física molecular de los sólidos jugaron un papel fundamental los trabajos de O. Bravais (1811-1863), E.S. Fedorov (1853-1919), A. Schönflies (1853-1928), M. Laue (1879-1960), P. Knipping (1883-1935), W. Friedrich ( W. Friedrich, 1883-1968), W.G. y W.L. Bragg (W.H y W.L Bragg, 1862-1942, 1890-1971), Yu.V. Wulff (1863-1925) y otros La teoría cuántica de los sólidos comenzó a desarrollarse en 1926.

La física de polímeros y cristales líquidos es una rama de la física molecular asociada al estudio de compuestos de alto peso molecular. Está estrechamente relacionado con la biofísica y la física química. La nanofísica, como ciencia de los objetos intermedios entre moléculas y sistemas condensados, está viviendo actualmente su nacimiento. En sus orígenes se encontraba R. Feynman (1918-1988).

La teoría moderna de las interacciones interatómicas se basa en los conceptos cuánticos de los trabajos de M. Born, F. London (F. London, 1900-1954), W. Heitler (1904-1981), etc. La doctrina de las interacciones intermoleculares Las interacciones comenzaron a desarrollarse inicialmente en relación con el estudio de los fenómenos capilares en las obras clásicas de A.K. Clairault (A.C. Clairault, 1713-1765), P.D. Laplace (P.S. Laplace, 1749-1827), T. Young (Th. Young, 1773-1829), S.D. Poisson (S.D. Poisson, 1781-1840), K.F. Gauss (C.F. Gauss, 1777-1855), J.W. Gibbs, I.S. Gromeki (1851-1889) y otros, así como en las obras posteriores de P.A. Rebinder (1898-1972) y B.V. Deriagina (1902-1994). El estudio experimental directo de las fuerzas de interacción intermolecular (interatómica) comenzó con el desarrollo del método del haz molecular por L. Dunoyer (1880-1963) y O. Stern (1888-1969).

La doctrina de las transiciones de fase y los fenómenos críticos surgió después de la aparición de las obras de J. van der Waals, W. Thomson (Kelvin) (W. Thomson, 1824-1907), T. Andrews (1813-1885), D. Y . Mendeleev (1834-1907) y otros y fue desarrollado en los trabajos de J.W. Gibbs, LD. Landau (1908-1968), V.L. Ginzburg (1916-2009), etc.

La investigación sobre los procesos de relajación en los gases se remonta a los trabajos de A. Einstein, P.N. Lebedeva (1866-1912), G.O. Kneser (H.O. Kneser, 1898-1973), M.A. Leontovich (1903-1981), L.I. Mandelstam (1879-1944), L.D. Landau, E. Teller (1908-2003), etc.

Física molecular y ciencias afines.

El desarrollo de la física molecular ha llevado a la separación de muchas secciones independientes (física estadística, cinética, dinámica física de los gases, etc.). Los conceptos de física molecular sirvieron de base para el surgimiento de campos de la ciencia como la física de metales, la física de semiconductores, la física de polímeros, la física de superficies, la física del plasma, la nanofísica, la teoría de la transferencia de calor y masa, etc.

Con toda la diversidad de objetos y métodos de investigación, la física molecular está unida por una idea común: la descripción de propiedades macroscópicas basándose en la imagen microscópica (atómico-molecular) de su estructura.

Lectura recomendada

1. Sivukhin D.V. Curso general de física, vol. 2, Termodinámica y física molecular, M., 1975.

2. Kikoin A.K., Kikoin I.K. Física molecular, 2ª ed., M., 1976.

3. Girshfelder J., Curtiss Ch., Bird R. Teoría molecular de gases y líquidos, trad. del ingles M., 1961.

4. Fortov V.E. (ed.). Física de los estados extremos de la materia, colección, 2002.

5. Osipov A.I., Sysoev N.N., Uvarov A.V. Física molecular moderna. Gas en desequilibrio. Libro de texto para el curso “Física Molecular”. M. Facultad de Física, Universidad Estatal de Moscú, 2006.

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Libros

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• Física molecular, I.K.Kikoin, A.K. El libro "Física molecular", escrito por destacados científicos y profesores A.K. Kikoin e I.K. Kikoin, sigue siendo uno de los mejores libros de texto. Contiene elementos...

FUNDAMENTOS DE FÍSICA MOLECULAR Y TERMODINÁMICA

Métodos estadísticos y otros métodos de investigación. .

La física molecular y la termodinámica son ramas de la física que estudian los procesos macroscópicos en los cuerpos asociados con la gran cantidad de átomos y moléculas contenidas en los cuerpos.

Física molecular es una rama de la física que estudia la estructura y propiedades de las sustancias basándose en los llamados conceptos cinéticos moleculares. Según estas ideas:

1. Cualquier cuerpo, sólido, líquido o gaseoso, consta de una gran cantidad de partículas-moléculas aisladas muy pequeñas.

2. Las moléculas de cualquier sustancia se encuentran en un movimiento caótico sin fin (por ejemplo, movimiento browniano).

3. Se utiliza un modelo de gas ideal idealizado, según el cual:

A). El volumen intrínseco de las moléculas de gas es insignificante en comparación con el volumen del recipiente (rarefacción).

b). No existen fuerzas de interacción entre moléculas.

V). La colisión de las moléculas de gas entre sí y con las paredes del recipiente es absolutamente elástica.

4. Las propiedades macroscópicas de los cuerpos (presión, temperatura, etc.) se describen mediante métodos estadísticos, cuyo concepto principal es un conjunto estadístico, es decir. el comportamiento de un gran número de partículas se describe mediante la introducción de características promedio (velocidad promedio, energía) de todo el conjunto, y no de una partícula individual.

La termodinámica, a diferencia de la teoría cinética molecular, estudia las propiedades macroscópicas de los cuerpos sin interesarse por su imagen macroscópica.

Termodinámica- una rama de la física que estudia las propiedades generales de los sistemas macroscópicos en un estado de equilibrio termodinámico y los procesos de transición entre estos estados.

La termodinámica se basa en 3 leyes fundamentales, llamadas principios de la termodinámica, establecidas sobre la base de una generalización de un gran conjunto de hechos experimentales.

La teoría cinética molecular y la termodinámica se complementan, formando un todo único, pero diferenciándose en varios métodos de investigación.

Un sistema termodinámico es un conjunto de cuerpos macroscópicos que interactúan e intercambian energía tanto entre ellos como con otros cuerpos. El estado de un sistema se especifica mediante parámetros termodinámicos: un conjunto de cantidades físicas que caracterizan las propiedades de un sistema termodinámico, generalmente eligiendo la temperatura, la presión y el volumen específico como parámetros de estado.

Temperatura- una cantidad física que caracteriza el estado de equilibrio termodinámico de un sistema macroscópico.

[T] = K - escala termodinámica, [ t] = °C - escala práctica internacional. Relación entre termodinámica y temperatura práctica m/n: T = t + 273, por ejemplo en t = 20 °C T = 293 K.

El volumen específico es el volumen de una unidad de masa. Cuando el cuerpo es homogéneo, es decir, ρ = constante , entonces las propiedades macroscópicas de un cuerpo homogéneo pueden caracterizar el volumen del cuerpo. v.

Teoría cinética molecular (m.k.t) de gases ideales.

§1 Ley de los gases ideales .

La teoría cinética molecular utiliza un modelo idealizado de un gas ideal.

gases ideales es un gas cuyas moléculas no interactúan entre sí a distancia y tienen dimensiones insignificantes.

En los gases reales, las moléculas experimentan las fuerzas de la interacción intermolecular. Sin embargo H2, Él, O2, N2 en n. Ud. (T=273K, P=1,01·10 5 Pa) puede considerarse aproximadamente un gas ideal.

Un proceso en el que uno de los parámetros ( p, V, T, S ) permanecen constantes y se denominan isoprocesos.

1. proceso isotérmico T= constante, m = constante , se describen Ley de Boyle Mariotte:

pV = constante

1. isobáricoproceso p = constante descrito Ley de Gay-Lussac

V = V 0 (1+ α t );

V = V 0 α T

Coeficiente térmico de expansión volumétrica. grados -1

1. proceso isocórico V = constante

Descrito la ley de carlos

p = p 0 (1+ α t );

p = p 0 αT

Caracteriza la dependencia del volumen de la temperatura.α es igual al cambio relativo en el volumen de un gas cuando se calienta 1 K. Como muestra la experiencia,es igual para todos los gases y es igual.

4. Mol de sustancia. El número de Avogadro. La ley de Avogadro.

Masa atómica ( ) de un elemento químico es la relación entre la masa de un átomo de este elemento y 1/12 de la masa de un átomo del isótopo de carbono C 12