Molekulinės fizikos ir termodinamikos pagrindai. Dujų molekulinė kinetinė teorija

Molekulinė fizika- fizikos šaka, kurioje tiriamos įvairios agregacijos būsenos makroskopinių kūnų fizinės ir fizikinės-cheminės savybės, remiantis jų sandaros molekulinėmis kinetinėmis sampratomis. Molekulinė fizika remiasi trimis pagrindiniais principais:

• Visi makroskopiniai kūnai susideda iš labai daug dalelių – molekulių (atomų);
• Molekulės yra nuolatiniame chaotiškame judėjime (šiluminis judėjimas);
• Molekulės sąveikauja viena su kita, pritraukdamos dideliais atstumais ir atstumdamos nedideliais atstumais.

Pagrindinis molekulinės fizikos uždavinys – sudaryti fizikinį molekulinių reiškinių vaizdą, kad būtų galima paaiškinti stebimą medžiagų elgseną ir numatyti naujus reiškinius.

Pagrindinės tyrimo sritys ir metodai

Molekulinės fizikos šakos yra dujų fizika, skysčių fizika, kietųjų kūnų fizika, taip pat neįprastų kondensuotų sistemų (polimerų, skystųjų kristalų, nanodalelių ir kt.) fizika. Juose nagrinėjama: medžiagos struktūra įvairiose agregacijos būsenose ir jos pokyčiai veikiant išoriniams veiksniams (slėgis, temperatūra, elektriniai ir magnetiniai laukai), medžiagos elgsena ekstremaliomis sąlygomis, atsipalaidavimo procesai, fazių virsmai (kondensacija, kristalizacija, garavimas, lydymas ir kt.), perdavimo reiškiniai (difuzija, šilumos laidumas, klampumas), kritinė medžiagos būsena, paviršiaus reiškiniai sąsajoje.

Visoms molekulinės fizikos šakoms bendras teorinis požiūris, pagrįstas fenomenologinių (termodinamikos) ir statistinių (molekulinių) tyrimų metodų taikymu. Nors šie metodai yra kokybiškai skirtingi, jie yra glaudžiai susiję ir vienas kitą papildo. Termodinamikos metodas remiasi termodinamikos principais, kurie yra bendro pobūdžio ir nenaudoja idėjų apie medžiagos molekulinę struktūrą. Molekulinis kinetinis metodas apima konkretaus molekulinio medžiagos modelio svarstymą. Nepaisant išorinių šių metodų skirtumų, jie yra tarpusavyje susiję, nes visos išvados, gautos nagrinėjant konkrečius molekulinius modelius, turi atitikti bendrąsias termodinamikos išvadas.

Molekulinės fizikos istorija, pagrindiniai mokslo rezultatai ir pasiekimai

Šiuolaikinė molekulinė fizika pradėjo vystytis XVII amžiuje, nors „atomo“ sąvoka ir terminas atsirado antikos laikais (Leukipas, V a. pr. Kr., Demokritas, apie 460–370 m. pr. Kr., Epikūras, 341–270 m. pr. Kr.). Dujų kinetinės teorijos kilmė siejama su D. Bernulli (1700-1782) vardu. Atomines sąvokas vartojo M.V. Lomonosovas (1711-1765). Pirmoji šiuolaikinė fizinio atomizmo forma yra kinetinė dujų teorija, kurios autoriai yra A.K. Kroenig (A.K. Kronig, 1822-1879), R.Yu. Klausius (R.J. Clausius, 1822-1888), D.K. Maksvelas (D.K. Maxwell, 1831-1879), L. Boltzmannas (1844-1906), J.W. Gibbsas (J.W. Gibbs, 1839-1903) taip pat padėjo klasikinės statistinės fizikos pagrindus. Kvantinė mechanika paskatino sukurti kvantinę kinetiką ir kvantinę statistinę fiziką.

Tiesioginiai molekulių egzistavimo įrodymai buvo gauti XX amžiaus pradžioje J. B. darbuose. Perrin (J.B. Perrin, 1870-1942) ir T. Svedberg (Th. Svedberg, 1874-1971), M. Smoluchowski (1872-1917) ir A. Einstein (1879-1955), tyrę Brauno dalelių judėjimą.

Kiekybinis skysčių tyrimas prasidėjo nuo D. Bernoulli ir L. Eulerio darbų (L. Euleris, 1707-1783), Ya.D. Van der Waals (J.D. Van der Waals, 1837-1923), P-I.V. Debye (P.I.W.Debye, 1884-1966). Statistinę skysčių teoriją sukūrė D.G. Kirkwood (J.G. Kirkwood, 1907-1959), M. Born (1882-1970), G.S. Green (H.S. Green, 1920-1999), N.N. Bogolyubovas (1909-1992), Ya.I. Frenkelis (1894-1952).

Kvantinės mechanikos raida leido tirti specifinius skysčius: skystuosius metalus, taip pat kvantinius skysčius ir kt. Skaitiniai skysčių teorijos metodai pradėjo intensyviai vystytis nuo 1957 m. ir šiuo metu užima pirmaujančią vietą skysčių tyrime.

Kietųjų kūnų molekulinės fizikos raidoje esminį vaidmenį suvaidino O. Bravais (1811-1863), E.S. Fiodorovas (1853-1919), A. Schonfliesas (1853-1928), M. Laue (1879-1960), P. Knippingas (1883-1935), W. Friedrichas (W. Friedrichas, 1883-1968), W.G. ir W.L. Braggas (W.H. ir W.L. Braggas, 1862-1942, 1890-1971), Yu.V. Wulffas (1863-1925) ir kiti Kvantinė kietųjų kūnų teorija pradėjo vystytis 1926 m.

Polimerų ir skystųjų kristalų fizika yra molekulinės fizikos šaka, susijusi su didelės molekulinės masės junginių tyrimais. Jis glaudžiai susijęs su biofizika ir chemine fizika. Nanofizika, kaip mokslas apie objektus, esančius tarp molekulių ir kondensuotų sistemų, šiuo metu išgyvena savo gimimą. Jo ištakose stovėjo R. Feynmanas (1918-1988).

Šiuolaikinė interatominės sąveikos teorija yra sukurta remiantis kvantinėmis koncepcijomis M. Born, F. London (F. Londonas, 1900-1954), W. Heitler (1904-1981) ir kt. Tarpmolekulinės doktrinos sąveika iš pradžių pradėjo vystytis, susijusi su kapiliarinių reiškinių studijomis klasikiniuose A.K. darbuose. Clairault (A.C. Clairault, 1713-1765), P.S. Laplasas (P.S. Laplasas, 1749-1827), T. Youngas (Th. Youngas, 1773-1829), S.D. Puasonas (S.D. Poisson, 1781-1840), K.F. Gaussas (C.F. Gaussas, 1777-1855), J.W. Gibbsas, I.S. Gromeki (1851-1889) ir kt., taip pat vėlesniuose P.A. Rebinderis (1898-1972) ir B.V. Deryagina (1902-1994). Tiesioginis eksperimentinis tarpmolekulinės (tarpatominės) sąveikos jėgų tyrimas prasidėjo L. Dunoyer (1880-1963) ir O. Stern (1888-1969) sukūrus molekulinio pluošto metodą.

Fazių perėjimų ir kritinių reiškinių doktrina atsirado pasirodžius J. van der Waals, W. Thomson (Kelvin) (W. Thomson, 1824-1907), T. Andrews (1813-1885), D. IR kūriniams. . Mendelejevas (1834-1907) ir kiti, ir buvo išplėtotas J.W. Gibbsas, L.D. Landau (1908-1968), V.L. Ginzburgas (1916-2009) ir kt.

Atsipalaidavimo procesų dujose tyrimai siekia A. Einsteino, P.N. Lebedeva (1866-1912), G.O. Kneseris (H.O. Kneseris, 1898-1973), M.A. Leontovič (1903-1981), L.I. Mandelštamas (1879-1944), L.D. Landau, E. Telleris (1908-2003) ir kt.

Molekulinė fizika ir susiję mokslai

Molekulinės fizikos raida paskatino nuo jos atskirti daug nepriklausomų sekcijų (statistinė fizika, kinetika, fizikinė dujų dinamika ir kt.). Molekulinės fizikos sąvokos buvo pagrindas atsirasti tokioms mokslo sritims kaip metalų fizika, puslaidininkių fizika, polimerų fizika, paviršiaus fizika, plazmos fizika, nanofizika, šilumos ir masės perdavimo teorija ir kt.

Su visa objektų ir tyrimo metodų įvairove molekulinę fiziką vienija bendra idėja, kuri yra makroskopinių savybių aprašymas, pagrįstas mikroskopiniu (atominiu-molekuliniu) jos struktūros paveikslu.

Rekomenduojama skaityti

1. Sivukhin D.V. Bendrasis fizikos kursas, t. 2, Termodinamika ir molekulinė fizika, M., 1975 m.

2. Kikoin A.K., Kikoin I.K. Molekulinė fizika, 2 leidimas, M., 1976 m.

3. Girshfelder J., Curtiss Ch., Bird R. Dujų ir skysčių molekulinė teorija, trans. iš anglų kalbos M., 1961 m.

4. Fortovas V.E. (red.). Ekstremalių materijos būsenų fizika, rinkinys, 2002 m.

5. Osipovas A.I., Sysoev N.N., Uvarovas A.V. Šiuolaikinė molekulinė fizika. Nepusiausvyros dujos. Vadovėlis kursui „Molekulinė fizika“. M. Maskvos valstybinio universiteto Fizikos fakultetas, 2006 m.

Fizikos šaka, kurioje studijuojama fizika. St va tel skirtinguose. agregacijos būsenos, atsižvelgiant į jų mikroskopiškumą. (molekulinė) struktūra. Problemos M.f. sprendžiami fizikiniais metodais. statistika, termodinamika ir fizika. kinetika, jie susiję su tyrimu... ... Fizinė enciklopedija

MOLEKULINĖ fizika, fizikos šaka, tirianti fizines kūnų savybes įvairiose agregacijos būsenose, atsižvelgiant į jų molekulinę struktūrą. Pirmoji suformuota molekulinės fizikos dalis buvo kinetinė dujų teorija... Šiuolaikinė enciklopedija

Fizikos šaka, tirianti fizines kūnų savybes įvairiose agregacijos būsenose, remiantis jų molekuline struktūra. Iš molekulinės fizikos, kietojo kūno fizikos, fizinės kinetikos, fizinės... Didysis enciklopedinis žodynas

Daiktavardis, sinonimų skaičius: 2 molekulės (2) fizika (55) ASIS Sinonimų žodynas. V.N. Trishin. 2013… Sinonimų žodynas

Fizikos šaka, tirianti fizines kūnų savybes įvairiose agregacijos būsenose, remiantis jų molekuline struktūra. Iš molekulinės fizikos, kietojo kūno fizikos, fizinės kinetikos, fizinės... Enciklopedinis žodynas

Fizikos šaka, tirianti kūnų fizines savybes įvairiose agregacijos būsenose, atsižvelgiant į jų mikroskopinę (molekulinę) struktūrą. Problemos M.f. sprendžiami fizikinės statistikos, termodinamikos ir... ... Didžioji sovietinė enciklopedija

molekulinė fizika- molekulinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. molekulinė fizika vok. Molekülphysik, f rus. molekulinė fizika, f pranc. physique moléculaire, f … Fizikos terminų žodynas

Fizikos šaka, kurioje studijuojama fizika. kūnų savybės, agregatų būsenų vandenyje (dujinės, skystos ir kristalinės) ypatybės ir fazių virsmų procesai, priklausantys nuo kūnų molekulinės sandaros, sąveikos jėgų tarp molekulių (atomų, jonų) ir... ... Didysis enciklopedinis politechnikos žodynas

Fizikos šaka, tirianti fiziką. kūnų savybės skirtingose agregacijos būsenos, pagrįstos jų mol. pastatai. Iš M. f. išsiskyrė savaime. skyriai fizika tv. kūno, fizinio kinetika, fizinė chemija ir pan... Gamtos mokslas. Enciklopedinis žodynas

FIZIKA. 1. Fizikos dalykas ir struktūra Fizika yra mokslas, tiriantis paprasčiausią ir kartu svarbiausią. mus supančio materialaus pasaulio objektų bendrosios savybės ir judėjimo dėsniai. Dėl šio bendrumo nėra gamtos reiškinių, kurie neturėtų fizinių savybių. savybės... Fizinė enciklopedija

Knygos

• Molekulinė fizika, I. A. Kvasnikovas. Siūlomas autoritetingo statistinės fizikos specialisto I. A. Kvasnikovo vadovas skyriuje „Molekulinė fizika“ atitinka šiuolaikines idėjas apie molekulinę…
• Molekulinė fizika, I.K.Kikoinas. Knyga „Molekulinė fizika“, kurią parašė išskirtiniai mokslininkai ir mokytojai A.K.Kikoinas ir I.K., vis dar yra vienas geriausių vadovėlių. Sudėtyje yra elementų...

MOLEKULINĖS FIZIKOS IR TERMODINAMIKOS PAGRINDAI

Statistiniai ir kiti tyrimo metodai .

Molekulinė fizika ir termodinamika yra fizikos šakos, tiriančios makroskopinius procesus kūnuose, susijusius su didžiuliu kūnuose esančių atomų ir molekulių skaičiumi.

Molekulinė fizika yra fizikos šaka, tirianti medžiagų struktūrą ir savybes, remiantis vadinamosiomis molekulinės kinetikos koncepcijomis. Pagal šias idėjas:

1. Bet kuris kūnas – kietas, skystas ar dujinis – susideda iš daugybės labai mažų izoliuotų dalelių-molekulių.

2. Bet kurios medžiagos molekulės yra begaliniame chaotiškame judėjime (pavyzdžiui, Brauno judėjimas).

3. Naudojamas idealizuotas idealiųjų dujų modelis, pagal kurį:

A). Vidinis dujų molekulių tūris yra nereikšmingas, palyginti su talpyklos tūriu (retėjimas).

b). Tarp molekulių nėra sąveikos jėgų.

V). Dujų molekulių susidūrimas tarpusavyje ir su konteinerio sienelėmis yra absoliučiai elastingas.

4. Makroskopinės kūnų savybės (slėgis, temperatūra ir kt.) aprašomos statistiniais metodais, kurių pagrindinė sąvoka – statistinis ansamblis, t.y. daugybės dalelių elgsena aprašoma įvedant viso ansamblio, o ne atskiros dalelės, vidutines charakteristikas (vidutinį greitį, energiją).

Termodinamika, priešingai nei molekulinė kinetinė teorija, tiria makroskopines kūnų savybes, nesidomi jų makroskopiniu paveikslu.

Termodinamika– fizikos šaka, tirianti bendras makroskopinių sistemų savybes termodinaminės pusiausvyros būsenoje ir perėjimo tarp šių būsenų procesus.

Termodinamika remiasi 3 pagrindiniais dėsniais, vadinamais termodinamikos principais, nustatytais apibendrinus daugybę eksperimentinių faktų.

Molekulinė kinetinė teorija ir termodinamika papildo viena kitą, sudarydamos vientisą visumą, tačiau skiriasi įvairiais tyrimo metodais.

Termodinaminė sistema yra makroskopinių kūnų, kurie sąveikauja ir keičiasi energija tiek tarpusavyje, tiek su kitais kūnais, visuma. Sistemos būseną nusako termodinaminiai parametrai – fizikinių dydžių rinkinys, apibūdinantis termodinaminės sistemos savybes, dažniausiai būsenos parametrais pasirenkant temperatūrą, slėgį ir specifinį tūrį.

Temperatūra- fizikinis dydis, apibūdinantis makroskopinės sistemos termodinaminės pusiausvyros būseną.

[T] = K - termodinaminė skalė, [ t] = °C - tarptautiniu praktiniu mastu. Termodinaminės ir m/n praktinės temperatūros ryšys: T = t + 273, pavyzdžiui, esant t = 20 °C T = 293 K.

Savitasis tūris yra masės vieneto tūris. Kai kūnas yra vienalytis, ty ρ = konst , tada vienalyčio kūno makroskopinės savybės gali apibūdinti kūno tūrį V.

Idealiųjų dujų molekulinė kinetinė teorija (m.k.t).

§1 Idealus dujų įstatymas .

Molekulinė kinetinė teorija naudoja idealizuotą idealių dujų modelį.

Idealios dujos yra dujos, kurių molekulės nesąveikauja viena su kita per atstumą ir turi nežymiai mažus matmenis.

Realiose dujose molekulės patiria tarpmolekulinės sąveikos jėgas. Tačiau H2, Jis, O2, N2 ties n. u. (T=273K, P=1,01·10 5 Pa) apytiksliai gali būti laikomos idealiomis dujomis.

Procesas, kurio metu vienas iš parametrų ( p, V, T, S ) išlieka pastovūs ir vadinami izoprocesais.

1. Izoterminis procesas T = const, m = const , yra aprašyti Boyle-Mariotte dėsnis:

pV = konst

1. Izobarinisprocesas p = konst aprašyta Gay-Lussac dėsnis

V = V 0 (1+ α t );

V = V 0 α T

Tūrinio plėtimosi šiluminis koeficientas laipsnis -1

1. Izochorinis procesas V = konst

Aprašyta Charleso įstatymas

p = p 0 (1+ α t );

p = p 0 α T

Apibūdina tūrio priklausomybę nuo temperatūros.α yra lygus santykiniam dujų tūrio pokyčiui jas kaitinant 1 K. Kaip rodo patirtis,yra vienodas visoms dujoms ir yra lygus.

4. Medžiagos molis. Avogadro numeris. Avogadro dėsnis.

Atominė masė ( ) cheminio elemento yra šio elemento atomo masės santykis su 1/12 anglies izotopo C 12 atomo masės.