Moleküler fiziğin ve termodinamiğin temelleri. Gazların moleküler kinetik teorisi

Moleküler fizik- makroskobik cisimlerin çeşitli toplanma durumlarındaki fiziksel ve fizikokimyasal özelliklerinin, yapılarının moleküler kinetik kavramlarına dayanarak incelendiği bir fizik dalı. Moleküler fizik üç ana prensibe dayanmaktadır:

• Tüm makroskobik cisimler çok sayıda parçacıktan oluşur - moleküller (atomlar);
• Moleküller sürekli kaotik hareket (termal hareket) halindedir;
• Moleküller birbirleriyle etkileşime girerek büyük mesafelerde çeker ve kısa mesafelerde iterler.

Moleküler fiziğin temel görevi, maddelerin gözlemlenen davranışlarını açıklamak ve yeni olayları tahmin etmek için moleküler olayların fiziksel bir resmini oluşturmaktır.

Ana alanlar ve araştırma yöntemleri

Moleküler fiziğin dalları gaz fiziği, sıvı fiziği, katı madde fiziği ve ayrıca olağandışı yoğunlaştırılmış sistemlerin (polimerler, sıvı kristaller, nanopartiküller vb.) fiziğidir. Şunları dikkate alırlar: maddenin çeşitli toplanma durumlarındaki yapısı ve dış faktörlerin (basınç, sıcaklık, elektrik ve manyetik alanlar) etkisi altındaki değişiklikleri, maddenin aşırı koşullar altındaki davranışı, gevşeme süreçleri, faz geçişleri (yoğunlaşma, kristalleşme, buharlaşma, erime vb.), transfer olayları (difüzyon, termal iletkenlik, viskozite), maddenin kritik durumu, arayüzeydeki yüzey olayları.

Moleküler fiziğin tüm dallarında ortak olan, fenomenolojik (termodinamik) ve istatistiksel (moleküler) araştırma yöntemlerinin kullanımına dayanan teorik bir yaklaşımdır. Bu yöntemler niteliksel olarak farklı olsa da birbiriyle yakından ilişkilidir ve birbirini tamamlar. Termodinamik yöntem, doğası gereği genel olan ve maddenin moleküler yapısı hakkındaki fikirleri kullanmayan termodinamik ilkelerine dayanmaktadır. Moleküler kinetik yaklaşım, bir maddenin spesifik bir moleküler modelinin dikkate alınmasını içerir. Bu yöntemlerin dışsal farklılıklarına rağmen, belirli moleküler modellerin değerlendirilmesinden elde edilen tüm sonuçların termodinamiğin genel sonuçlarıyla tutarlı olması gerektiğinden, bunlar dahili olarak birbirine bağlıdır.

Moleküler fiziğin tarihi, temel bilimsel sonuçlar ve başarılar

Modern moleküler fizik 17. yüzyılda gelişmeye başlamış olsa da “atom” kavramı ve terimi antik dönemde ortaya çıkmıştır (Leukippos, MÖ 5. yüzyıl, Demokritos, MÖ 460-370, Epikuros, MÖ 341-270). Gazların kinetik teorisinin kökeni D. Bernoulli'nin (1700-1782) adıyla ilişkilidir. Atomistik kavramlar M.V. Lomonosov'un (1711-1765). Fiziksel atomizmin ilk modern biçimi, yazarları A.K. olan gazların kinetik teorisidir. 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) aynı zamanda klasik istatistiksel fiziğin temellerini de attı. Kuantum mekaniği, kuantum kinetiğinin ve kuantum istatistik fiziğinin yaratılmasına yol açtı.

Moleküllerin varlığının gerçekliğine dair doğrudan kanıtlar, 20. yüzyılın başında J.B.'nin çalışmalarında elde edildi. Parçacıkların Brown hareketini inceleyen Perrin (J.B. Perrin, 1870-1942) ve T. Svedberg (Th. Svedberg, 1874-1971), M. Smoluchowski (1872-1917) ve A. Einstein (1879-1955).

Sıvıların niceliksel incelenmesi D. Bernoulli ve L. Euler (L. Euler, 1707-1783), Ya.D. Van der Waals (J.D. Van der Waals, 1837-1923), P-I.W. Debye (P.I.W.Debye, 1884-1966). Sıvıların istatistiksel teorisi D.G. Kirkwood (J.G. Kirkwood, 1907-1959), M. Born (1882-1970), G.S. Yeşil (H.S. Green, 1920-1999), N.N. Bogolyubov (1909-1992), Ya.I. Frenkel (1894-1952).

Kuantum mekaniğinin gelişimi belirli sıvıların incelenmesini mümkün kılmıştır: sıvı metaller, kuantum sıvıları vb. Akışkanlar teorisindeki sayısal yöntemler 1957'den beri yoğun bir şekilde gelişmeye başlamıştır ve şu anda akışkanların incelenmesinde öncü bir yer tutmaktadır.

Katıların moleküler fiziğinin geliştirilmesinde O. Bravais'in (1811-1863) çalışmaları temel bir rol oynadı. Fedorov (1853-1919), A. Schonflies (1853-1928), M. Laue (1879-1960), P. Knipping (1883-1935), W. Friedrich ( W. Friedrich, 1883-1968), W.G. ve W.L. Bragg (W.H ve W.L Bragg, 1862-1942, 1890-1971), Yu.V. Wulff (1863-1925) ve diğerleri Katıların kuantum teorisi 1926'da gelişmeye başladı.

Polimerlerin ve sıvı kristallerin fiziği, yüksek moleküler ağırlıklı bileşiklerin incelenmesiyle ilişkili moleküler fiziğin bir dalıdır. Biyofizik ve kimyasal fizikle yakından ilgilidir. Moleküller ve yoğunlaştırılmış sistemler arasındaki nesnelerin bilimi olarak nanofizik şu anda doğuşunu yaşamaktadır. Kökeninde R. Feynman (1918-1988) vardı.

Modern atomlar arası etkileşim teorisi, M. Born, F. London (F. London, 1900-1954), W. Heitler (1904-1981) vb.'nin çalışmalarındaki kuantum kavramları temel alınarak inşa edilmiştir. Moleküller arası doktrin etkileşimler başlangıçta A.K.'nin klasik eserlerindeki kılcal fenomenlerin incelenmesiyle bağlantılı olarak gelişmeye başladı. 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) ve diğerleri ile P.A.'nın sonraki çalışmalarında. Rebinder (1898-1972) ve B.V. Deryagina (1902-1994). Moleküller arası (atomlar arası) etkileşim kuvvetlerinin doğrudan deneysel çalışması, L. Dunoyer (1880-1963) ve O. Stern (1888-1969) tarafından moleküler ışın yönteminin geliştirilmesiyle başladı.

Faz geçişleri ve kritik fenomen doktrini, J. van der Waals, W. Thomson (Kelvin) (W. Thomson, 1824-1907), T. Andrews (1813-1885), D. VE'nin çalışmalarının ortaya çıkmasından sonra ortaya çıktı. . Mendeleev (1834-1907) ve diğerleri tarafından geliştirilmiş ve J.W. Gibbs, L.D. Landau (1908-1968), V.L. Ginzburg (1916-2009), vb.

Gazlardaki gevşeme süreçlerine ilişkin araştırmalar 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), vb.

Moleküler fizik ve ilgili bilimler

Moleküler fiziğin gelişmesi, kendisinden birçok bağımsız bölümün (istatistiksel fizik, kinetik, fiziksel gaz dinamiği vb.) ayrılmasına yol açmıştır. Moleküler fizik kavramları, metal fiziği, yarı iletken fiziği, polimer fiziği, yüzey fiziği, plazma fiziği, nanofizik, ısı ve kütle transferi teorisi vb. gibi bilim alanlarının ortaya çıkmasının temelini oluşturdu.

Nesnelerin ve araştırma yöntemlerinin tüm çeşitliliği ile moleküler fizik, makroskobik özelliklerin yapısının mikroskobik (atomik-moleküler) bir resmine dayanarak tanımlanması olan ortak bir fikirle birleştirilmiştir.

Önerilen Kaynaklar

1. Sivukhin D.V. Genel fizik dersi, cilt 2, Termodinamik ve moleküler fizik, M., 1975.

2. Kikoin A.K., Kikoin I.K. Moleküler fizik, 2. baskı, M., 1976.

3. Girshfelder J., Curtiss Ch., Bird R. Gazların ve sıvıların moleküler teorisi, çev. İngilizceden M., 1961.

4. Fortov V.E. (ed). Maddenin aşırı durumlarının fiziği, koleksiyon, 2002.

5. Osipov A.I., Sysoev N.N., Uvarov A.V. Modern moleküler fizik. Denge dışı gaz. “Moleküler Fizik” dersi ders kitabı. M. Fizik Fakültesi, Moskova Devlet Üniversitesi, 2006.

Fiziğin çalışıldığı bir fizik dalı. St. va tel farklı. toplanma durumları mikroskobik değerlendirmeye dayanmaktadır. (moleküler yapı. M.f.'nin sorunları fiziksel yöntemler kullanılarak çözülür. istatistik, termodinamik ve fizik. kinetik, çalışmayla ilgililer... ... Fiziksel ansiklopedi

MOLEKÜLER fizik, moleküler yapılarını dikkate alarak çeşitli toplanma durumlarındaki cisimlerin fiziksel özelliklerini inceleyen bir fizik dalıdır. Moleküler fiziğin ilk oluşturulan bölümü gazların kinetik teorisiydi... ... Modern ansiklopedi

Çeşitli toplanma durumlarındaki cisimlerin fiziksel özelliklerini, moleküler yapılarını dikkate alarak inceleyen bir fizik dalı. Moleküler fizikten, katı hal fiziğine, fiziksel kinetikten, fiziksel... Büyük Ansiklopedik Sözlük

İsim, eş anlamlıların sayısı: 2 molekül (2) fizik (55) ASIS Eşanlamlılar Sözlüğü. V.N. Trishin. 2013… Eşanlamlılar sözlüğü

Çeşitli toplanma durumlarındaki cisimlerin fiziksel özelliklerini, moleküler yapılarını dikkate alarak inceleyen bir fizik dalı. Moleküler fizikten, katı hal fiziğine, fiziksel kinetikten, fiziksel... ansiklopedik sözlük

Çeşitli toplanma durumlarındaki cisimlerin fiziksel özelliklerinin, mikroskobik (moleküler) yapıları dikkate alınarak incelendiği bir fizik dalı. M.f.'nin sorunları fiziksel istatistik, termodinamik ve... ... yöntemleriyle çözülür. Büyük Sovyet Ansiklopedisi

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

Fiziğin çalışıldığı bir fizik dalı. cisimlerin özellikleri, sudaki agregat durumlarının özellikleri (gaz, sıvı ve kristal) ve cisimlerin moleküler yapısına bağlı olarak faz geçiş süreçleri, moleküller (atomlar, iyonlar) arasındaki etkileşim kuvvetleri ve... ... Büyük Ansiklopedik Politeknik Sözlüğü

Fiziğin fiziği inceleyen dalı. cisimlerin farklı özellikleri toplanma durumları mol dikkate alınarak belirlenir. binalar. M.f. kendi başlarına öne çıktılar. bölümler fizik tv. vücut, fiziksel kinetik, fiziksel kimya falan... Doğal bilim. ansiklopedik sözlük

FİZİK. 1. Fiziğin konusu ve yapısı Fizik, en basit ve aynı zamanda en önemlisini inceleyen bir bilimdir. Çevremizdeki maddi dünyanın nesnelerinin genel özellikleri ve hareket yasaları. Bu ortaklığın bir sonucu olarak fiziksel özellikleri olmayan hiçbir doğa olayı yoktur. özellikler... Fiziksel ansiklopedi

Kitabın

• Moleküler fizik, I. A. Kvasnikov. İstatistiksel fizik alanında yetkili bir uzman olan I. A. Kvasnikov tarafından “Moleküler Fizik” bölümü hakkında önerilen kılavuz, moleküler hakkındaki modern fikirlere karşılık gelmektedir…
• Moleküler fizik, I.K. Seçkin bilim adamları ve öğretmenler A.K. Kikoin ve I.K. tarafından yazılan "Moleküler Fizik" kitabı hala en iyi ders kitaplarından biridir. Elementler içerir...

MOLEKÜLER FİZİĞİN VE TERMODİNAMİĞİN TEMELLERİ

İstatistiksel ve diğer araştırma yöntemleri .

Moleküler fizik ve termodinamik, cisimlerde bulunan çok sayıda atom ve molekülle ilişkili makroskobik süreçleri inceleyen fizik dallarıdır.

Moleküler fizik Moleküler kinetik kavramlara dayanarak maddelerin yapısını ve özelliklerini inceleyen bir fizik dalıdır. Bu fikirlere göre:

1. Herhangi bir cisim - katı, sıvı veya gaz - çok sayıda çok küçük izole parçacık molekülünden oluşur.

2. Herhangi bir maddenin molekülleri sonsuz kaotik hareket halindedir (örneğin Brown hareketi).

3. İdealleştirilmiş bir ideal gaz modeli kullanılır; buna göre:

A). Gaz moleküllerinin gerçek hacmi, kabın hacmiyle karşılaştırıldığında ihmal edilebilir düzeydedir (nadirleşme).

B). Moleküller arasında herhangi bir etkileşim kuvveti yoktur.

V). Gaz moleküllerinin birbirleriyle ve kabın duvarlarıyla çarpışması kesinlikle elastiktir.

4. Cisimlerin makroskobik özellikleri (basınç, sıcaklık vb.), ana konsepti istatistiksel bir topluluk olan istatistiksel yöntemler kullanılarak tanımlanır; Çok sayıda parçacığın davranışı, tek bir parçacığın değil, tüm topluluğun ortalama özelliklerinin (ortalama hız, enerji) eklenmesiyle tanımlanır.

Termodinamik, moleküler kinetik teorinin aksine, cisimlerin makroskopik özelliklerini, onların makroskobik resimleriyle ilgilenmeden inceler.

Termodinamik- termodinamik denge durumundaki makroskopik sistemlerin genel özelliklerini ve bu durumlar arasındaki geçiş süreçlerini inceleyen bir fizik dalı.

Termodinamik, çok sayıda deneysel gerçeğin genelleştirilmesine dayanarak oluşturulan, termodinamiğin ilkeleri adı verilen 3 temel yasaya dayanmaktadır.

Moleküler kinetik teori ve termodinamik birbirini tamamlayarak tek bir bütün oluşturur, ancak çeşitli araştırma yöntemlerinde farklılık gösterir.

Termodinamik sistem, hem kendi aralarında hem de diğer cisimlerle etkileşime giren ve enerji alışverişinde bulunan bir dizi makroskobik cisimdir. Sistemin durumu termodinamik parametrelerle belirlenir - termodinamik sistemin özelliklerini karakterize eden bir dizi fiziksel büyüklük, genellikle durum parametreleri olarak sıcaklık, basınç ve spesifik hacim seçilir.

Sıcaklık- makroskobik bir sistemin termodinamik denge durumunu karakterize eden fiziksel bir miktar.

[T] = K - termodinamik ölçek, [ t] = °C - uluslararası pratik ölçek. Termodinamik ve m/n pratik sıcaklık arasındaki ilişki: T = t + 273, örneğin t = 20 °C'de T = 293 K.

Spesifik hacim, bir kütle biriminin hacmidir. Vücut homojen olduğunda, yani ρ = yapı o zaman homojen bir cismin makroskobik özellikleri cismin hacmini karakterize edebilir V.

İdeal gazların moleküler kinetik teorisi (m.k.t).

§1 İdeal gaz kanunu .

Moleküler kinetik teori, ideal bir gazın idealleştirilmiş bir modelini kullanır.

Ideal gaz Molekülleri birbirleriyle uzaktan etkileşime girmeyen ve ihmal edilebilecek kadar küçük boyutlara sahip bir gazdır.

Gerçek gazlarda moleküller, moleküller arası etkileşim kuvvetlerini yaşarlar. Fakat H2, He, O2, N2 n'de. sen. (T=273K, P=1.01·10 5 Pa) yaklaşık olarak ideal bir gaz olarak kabul edilebilir.

Parametrelerden birinin ( p, V, T, S ) sabit kalır ve izoprosesler olarak adlandırılır.

1. İzotermal süreç T= sabit, m = sabit , anlatılıyor Boyle-Mariotte yasası:

pV = sabit

1. İzobarikişlem p = sabit tarif edildi Gay-Lussac yasası

V = V0 (1+ at);

V = V 0 α T

Hacimsel genleşmenin termal katsayısı derece -1

1. İzokorik süreç V = sabit

Tanımlandı Charles'ın yasası

p = p 0 (1+ a t);

p = p 0 α T

Hacmin sıcaklığa bağımlılığını karakterize eder.α 1 K ısıtıldığında bir gazın hacmindeki nispi değişime eşittir. Deneyimlerin gösterdiği gibi,tüm gazlar için aynıdır ve eşittir.

4. Maddenin mol'ü. Avogadro'nun numarası. Avogadro yasası.

Atom kütlesi ( ) bir kimyasal elementin bir atomunun kütlesinin, bu elementin bir atomunun kütlesinin, karbon izotopu C 12'nin bir atomunun kütlesinin 1/12'sine oranıdır.