Fondamentaux de physique moléculaire et de thermodynamique. Théorie cinétique moléculaire des gaz

Physique moléculaire- une branche de la physique dans laquelle sont étudiées les propriétés physiques et physico-chimiques des corps macroscopiques dans divers états d'agrégation, sur la base des concepts cinétiques moléculaires de leur structure. La physique moléculaire repose sur trois grands principes :

• Tous les corps macroscopiques sont constitués d'un très grand nombre de particules - molécules (atomes) ;
• Les molécules sont en mouvement chaotique continu (mouvement thermique) ;
• Les molécules interagissent les unes avec les autres, s’attirant sur de grandes distances et se repoussant sur de courtes distances.

La tâche principale de la physique moléculaire est de construire une image physique des phénomènes moléculaires pour expliquer le comportement observé des substances et prédire de nouveaux phénomènes.

Principaux domaines et méthodes de recherche

Les branches de la physique moléculaire sont la physique des gaz, la physique des liquides, la physique des solides, ainsi que la physique des systèmes condensés inhabituels (polymères, cristaux liquides, nanoparticules, etc.). Ils considèrent : la structure de la matière dans divers états d'agrégation et ses évolutions sous l'influence de facteurs externes (pression, température, champs électriques et magnétiques), le comportement de la matière dans des conditions extrêmes, les processus de relaxation, les transitions de phase (condensation, cristallisation, évaporation, fusion, etc. ), phénomènes de transfert (diffusion, conductivité thermique, viscosité), état critique de la matière, phénomènes de surface à l'interface.

Toutes les branches de la physique moléculaire ont en commun une approche théorique basée sur l'utilisation de méthodes de recherche phénoménologiques (thermodynamiques) et statistiques (moléculaires). Bien que ces méthodes soient qualitativement différentes, elles sont étroitement liées et se complètent. La méthode thermodynamique est basée sur les principes de la thermodynamique, qui sont de nature générale et n'utilisent pas d'idées sur la structure moléculaire de la matière. L'approche cinétique moléculaire consiste à considérer un modèle moléculaire spécifique d'une substance. Malgré les différences externes de ces méthodes, elles sont interconnectées en interne, puisque toutes les conclusions obtenues à partir de l'examen de modèles moléculaires particuliers doivent être cohérentes avec les conclusions générales de la thermodynamique.

Histoire de la physique moléculaire, principaux résultats et réalisations scientifiques

La physique moléculaire moderne a commencé à se développer au XVIIe siècle, bien que le concept et le terme « atome » soient apparus dans la période antique (Leucippe, 5e siècle avant JC, Démocrite, vers 460-370 avant JC, Épicure, 341-270 avant JC). L'origine de la théorie cinétique des gaz est associée au nom de D. Bernoulli (1700-1782). Les concepts atomistiques ont été utilisés par M.V. Lomonossov (1711-1765). La première forme moderne d'atomisme physique est la théorie cinétique des gaz, dont les auteurs sont 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) a également jeté les bases de la physique statistique classique. La mécanique quantique a conduit à la création de la cinétique quantique et de la physique statistique quantique.

Des preuves directes de la réalité de l'existence des molécules ont été obtenues au début du XXe siècle dans les travaux de J.B. Perrin (J.B. Perrin, 1870-1942) et T. Svedberg (Th. Svedberg, 1874-1971), M. Smoluchowski (1872-1917) et A. Einstein (1879-1955), qui ont étudié le mouvement brownien des particules.

L'étude quantitative des liquides a commencé avec les travaux de D. Bernoulli et L. Euler (L. Euler, 1707-1783), Ya.D. Van der Waals (J.D. Van der Waals, 1837-1923), P-I.V. Debye (PIWDebye, 1884-1966). La théorie statistique des liquides a été développée par D.G. Kirkwood (J.G. Kirkwood, 1907-1959), M. Born (1882-1970), GS. Green (HS Green, 1920-1999), N.N. Bogolyubov (1909-1992), Ya.I. Frenkel (1894-1952).

Le développement de la mécanique quantique a permis d'étudier des liquides spécifiques : les métaux liquides, mais aussi les liquides quantiques, etc. Les méthodes numériques dans la théorie des fluides ont commencé à se développer intensément depuis 1957 et occupent actuellement une place de premier plan dans l'étude des fluides.

Dans le développement de la physique moléculaire des solides, les travaux d'O. Bravais (1811-1863), E.S. Fedorov (1853-1919), A. Schonflies (1853-1928), M. Laue (1879-1960), P. Knipping (1883-1935), W. Friedrich ( W. Friedrich, 1883-1968), W.G. et W.L. Bragg (W.H et W.L Bragg, 1862-1942, 1890-1971), Yu.V. Wulff (1863-1925) et autres. La théorie quantique des solides a commencé à se développer en 1926.

La physique des polymères et des cristaux liquides est une branche de la physique moléculaire associée à l'étude des composés de haut poids moléculaire. Elle est étroitement liée à la biophysique et à la physique chimique. La nanophysique, comme science des objets intermédiaires entre molécules et systèmes condensés, connaît actuellement sa naissance. A ses origines se trouvait R. Feynman (1918-1988).

La théorie moderne des interactions interatomiques est construite sur la base des concepts quantiques dans les travaux de M. Born, F. London (F. London, 1900-1954), W. Heitler (1904-1981), etc. La doctrine des interactions intermoléculaires les interactions ont commencé à se développer dans le cadre de l'étude des phénomènes capillaires dans les travaux classiques d'A.K. Clairault (A.C. Clairault, 1713-1765), P.S. 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) et autres, ainsi que dans les travaux ultérieurs de P.A. Rebinder (1898-1972) et B.V. Dériagina (1902-1994). L'étude expérimentale directe des forces d'interaction intermoléculaire (interatomique) a commencé avec le développement de la méthode des faisceaux moléculaires par L. Dunoyer (1880-1963) et O. Stern (1888-1969).

La doctrine des transitions de phase et des phénomènes critiques est née après la parution des travaux de J. van der Waals, W. Thomson (Kelvin) (W. Thomson, 1824-1907), T. Andrews (1813-1885), D. ET . Mendeleev (1834-1907) et d'autres et a été développé dans les travaux de J.W. Gibbs, L.D. Landau (1908-1968), V.L. Ginzbourg (1916-2009), etc.

Les recherches sur les processus de relaxation dans les gaz remontent aux travaux de A. Einstein, P.N. Lebedeva (1866-1912), G.O. Kneser (HO Kneser, 1898-1973), M.A. Léontovitch (1903-1981), L.I. Mandelstam (1879-1944), L.D. Landau, E. Teller (1908-2003), etc.

Physique moléculaire et sciences connexes

Le développement de la physique moléculaire a conduit à en séparer de nombreuses sections indépendantes (physique statistique, cinétique, dynamique physique des gaz, etc.). Les concepts de la physique moléculaire ont servi de base à l'émergence de domaines scientifiques tels que la physique des métaux, la physique des semi-conducteurs, la physique des polymères, la physique des surfaces, la physique des plasmas, la nanophysique, la théorie du transfert de chaleur et de masse, etc.

Avec toute la diversité des objets et des méthodes de recherche, la physique moléculaire est unie par une idée commune, qui est la description des propriétés macroscopiques basée sur l'image microscopique (atomique-moléculaire) de sa structure.

Lecture recommandée

1. Sivukhin D.V. Cours général de physique, vol. 2, Thermodynamique et physique moléculaire, M., 1975.

2. Kikoin A.K., Kikoin I.K. Physique moléculaire, 2e éd., M., 1976.

3. Girshfelder J., Curtiss Ch., Bird R. Théorie moléculaire des gaz et des liquides, trans. de l'anglais M., 1961.

4. Fortov V.E. (éd.). Physique des états extrêmes de la matière, collection, 2002.

5. Osipov A.I., Sysoev N.N., Uvarov A.V. Physique moléculaire moderne. Gaz hors équilibre. Manuel pour le cours « Physique moléculaire ». M. Faculté de physique, Université d'État de Moscou, 2006.

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Livres

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FONDAMENTAUX DE LA PHYSIQUE MOLÉCULAIRE ET DE LA THERMODYNAMIQUE

Méthodes de recherche statistiques et autres .

La physique moléculaire et la thermodynamique sont des branches de la physique qui étudient les processus macroscopiques dans les corps associés au grand nombre d'atomes et de molécules contenus dans les corps.

Physique moléculaire est une branche de la physique qui étudie la structure et les propriétés des substances sur la base des concepts dits de cinétique moléculaire. Selon ces idées :

1. Tout corps - solide, liquide ou gazeux - est constitué d'un grand nombre de très petites particules-molécules isolées.

2. Les molécules de toute substance sont dans un mouvement chaotique sans fin (par exemple, mouvement brownien).

3. Un modèle de gaz parfait idéalisé est utilisé, selon lequel :

UN). Le volume intrinsèque des molécules de gaz est négligeable par rapport au volume du récipient (raréfaction).

b). Il n'y a pas de forces d'interaction entre les molécules.

V). La collision des molécules de gaz entre elles et avec les parois du récipient est absolument élastique.

4. Les propriétés macroscopiques des corps (pression, température, etc.) sont décrites à l'aide de méthodes statistiques dont le concept principal est un ensemble statistique, c'est-à-dire le comportement d'un grand nombre de particules est décrit par l'introduction de caractéristiques moyennes (vitesse moyenne, énergie) de l'ensemble, et non d'une particule individuelle.

La thermodynamique, contrairement à la théorie de la cinétique moléculaire, étudie les propriétés macroscopiques des corps sans s'intéresser à leur image macroscopique.

Thermodynamique- une branche de la physique qui étudie les propriétés générales des systèmes macroscopiques en état d'équilibre thermodynamique et les processus de transition entre ces états.

La thermodynamique repose sur 3 lois fondamentales, appelées principes de la thermodynamique, établies sur la base d'une généralisation d'un large ensemble de faits expérimentaux.

La théorie de la cinétique moléculaire et la thermodynamique se complètent, formant un tout, mais différant par diverses méthodes de recherche.

Un système thermodynamique est un ensemble de corps macroscopiques qui interagissent et échangent de l'énergie entre eux et avec d'autres corps. L'état du système est spécifié par des paramètres thermodynamiques - un ensemble de grandeurs physiques qui caractérisent les propriétés d'un système thermodynamique, choisissant généralement la température, la pression et le volume spécifique comme paramètres d'état.

Température- une grandeur physique caractérisant l'état d'équilibre thermodynamique d'un système macroscopique.

[T] = K - échelle thermodynamique, [ t] = °C - échelle pratique internationale. Relation entre la température thermodynamique et la température pratique m/n : T = t + 273, par exemple à t = 20 °C T = 293 K.

Le volume spécifique est le volume d'une unité de masse. Lorsque le corps est homogène c'est à dire ρ = const , alors les propriétés macroscopiques d'un corps homogène peuvent caractériser le volume du corps V.

Théorie cinétique moléculaire (m.k.t) des gaz parfaits.

§1 Loi des gaz parfaits .

La théorie cinétique moléculaire utilise un modèle idéalisé d'un gaz parfait.

Gaz parfait est un gaz dont les molécules n'interagissent pas les unes avec les autres à distance et ont des dimensions négligeables.

Dans les gaz réels, les molécules subissent les forces d’interaction intermoléculaire. Cependant H2, Il, O2, N2 au n. toi. (T=273K, P=1,01.10 5 Pa) peut être approximativement considéré comme un gaz parfait.

Un processus dans lequel l'un des paramètres ( p, V, T, S ) restent constants et sont appelés isoprocessus.

1. Processus isotherme T= const, m = const , sont décrits Loi Boyle-Mariotte:

pV = const

1. Isobareprocessus p = const décrit Loi de Gay-Lussac

V = V 0 (1+ α t );

V = V 0 α T

Coefficient thermique de dilatation volumétrique degré -1

1. Processus isochore V = const

Décrit la loi de Charles

p = p 0 (1+ αt );

p = p 0 α T

Caractérise la dépendance du volume à la température.α est égal à la variation relative du volume d'un gaz lorsqu'il est chauffé de 1 K. Comme le montre l'expérience,est le même pour tous les gaz et est égal.

4. Taupe de substance. Le numéro d'Avogadro. La loi d'Avogadro.

Masse atomique ( ) d'un élément chimique est le rapport de la masse d'un atome de cet élément à 1/12 de la masse d'un atome de l'isotope du carbone C 12