Основы молекулярной физики и термодинамики. Молекулярно-кинетическая теория газов

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.

Изучающий физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения. В зависимости от молекулярного строения тел, сил межмолекулярного взаимодействия и характера теплового движения частиц, молекулярная физика изучает особенности процессов фазового равновесия и фазовых переходов веществ - кристаллизацию и плавление, испарение и конденсацию и др., явления переноса - диффузию, теплопроводность, внутреннее трение, а также поверхностные явления на границах раздела различных фаз.

Разделами молекулярной физики являются физика газообразного состояния вещества, физика конденсированного состояния вещества (жидкости и твердые тела), физические явления в поверхностных слоях различных соприкасающихся фаз и др. Из молекулярной физики выделились в самостоятельные разделы физика твердого тела , физическая химия , молекулярная биология и т. д.

Первым сформировавшимся разделом молекулярной физики была кинетическая теория газов . В процессе ее развития была создана классическая статистическая физика, которая наряду с термодинамическим методом легла в основу методов теоретического исследования в молекулярной физике.

Статистический метод, используемый и развитый в молекулярной физике, состоит в изучении совокупностей большого числа частиц, участвующих в тепловом движении и образующих физические тела, находящиеся в различных агрегатных состояниях. Законы поведения совокупностей большого числа частиц, исследуемых статистическими методами, называются статистическими закономерностями. Математическим аппаратом метода является теория случайных величин и процессов. То есть статистический метод является методом исследования систем, состоящих из большого количества частиц, и использующий статистические закономерности и средние значения физических величин, характеризующих всю совокупность частиц.

Статистический подход является по сути молекулярно-кинетической теорией, основанной на определенных представлениях о строении вещества. Задачей статистической механики является установление законов поведения макроскопических систем, состоящих из большого числа частиц, на основе известных динамических законов поведения отдельных частиц. При этом статистическая механика дает возможность установить связь между макроскопическими параметрами большой системы и средними значениями микроскопических величин, характеризующих отдельные молекулы. Так как макроскопические параметры системы зависят от движения молекул, задачей статистической физики заключается в том, чтобы выразить свойства системы в целом через характеристики отдельных молекул.

Термодинамический метод исследования систем, состоящих из большого числа частиц, отличается от статистического тем, что оперирует величинами, характеризующими систему в целом, такими как, например, температура и давление. Термодинамические методы не рассматривают процессы, происходящие на микроуровне.

Термодинамический метод исследования систем, состоящих из большого числа структурных элементов, строится на основе применения к системам нескольких принципов, гипотез, аксиом, которые либо являются обобщением опыта, либо их применение не противоречит ему. Термодинамика представляет собой феноменологическую теорию, основанную на небольшом числе установленных законов, таких, как, например, закон сохранения энергии. В методе не рассматривают микроструктуру систем и механизм совершающихся в них микропроцессов. Основные понятия термодинамики вводятся на основе физического эксперимента, при этом связь между различными макроскопическими параметрами устанавливается опытным путем. Поэтому результаты и методы термодинамики могут быть применимы для любых систем без конкретизации деталей их устройств. Термодинамический подход дает возможность решать конкретные задачи, не имея сведений о свойствах атомов или молекул.

На основе общих теоретических представлений молекулярной физики получили развитие такие специальные области науки, как физика металлов, физика полимеров, физика плазмы, кристаллофизика , физико-химическую механика, физико-химия дисперсных систем и поверхностных явлений, теория тепло- и массопереноса. При всём различии объектов и методов исследования сохраняется основная идея молекулярной физики - описание макроскопических свойств вещества, исходя из особенностей микроскопической (молекулярной) картины его строения.

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 - раздел физики, в котором изучаются физические и физико-химические свойства макроскопических тел в различных агрегатных состояниях, исходя из молекулярно-кинетических представлений об их строении. Молекулярная физика основывается на трех основных положениях:

Все макроскопические тела состоят из очень большого числа частиц - молекул (атомов);
Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловое движение);
Молекулы взаимодействуют друг с другом, притягиваясь на больших и отталкиваясь на малых расстояниях.

Основной задачей молекулярной физики является построение физической картины молекулярных явлений для объяснения наблюдаемого поведения веществ и предсказания новых явлений.

Основные области и методы исследований

Разделами молекулярной физики являются физика газов, физика жидкостей , физика твердых тел, а также физика необычных конденсированных систем (полимеры, жидкие кристаллы, наночастицы и др.). В них рассматриваются: строение вещества в различных агрегатных состояниях и его изменение под влиянием внешних факторов (давления, температуры, электрических и магнитных полей), поведение вещества в экстремальных условиях, релаксационные процессы, фазовые переходы (конденсация, кристаллизация, испарение, плавление и др.), явления переноса (диффузия, теплопроводность, вязкость), критическое состояние вещества, поверхностные явления на границе раздела фаз.

Общим для всех разделов молекулярной физики является теоретический подход, основанный на применении феноменологического (термодинамического) и статистического (молекулярного) методов исследования. Хотя эти методы качественно различны, они тесно связаны и взаимно дополняют друг друга. Термодинамический метод основан на началах термодинамики, имеющих общий характер и не использующих представления о молекулярном строении вещества. Молекулярно-кинетический подход подразумевает рассмотрение конкретной молекулярной модели вещества. Несмотря на внешние различия этих методов, они внутренне связаны между собой, поскольку все выводы, полученные из рассмотрения частных молекулярных моделей, должны согласовываться с общими выводами термодинамики.

История молекулярной физики, основные научные результаты и достижения

Современная молекулярная физика начала развиваться с XVII в., хотя понятие и термин «атом» возник еще в античный период (Левкипп, V в.до н.э., Демокрит , ок. 460-370 гг. до н.э., Эпикур , 341-270гг. до н.э.). Зарождение кинетической теории газов связывают с именем Д. Бернулли (D.Bernoulli) (1700-1782). Атомистические представления использовал М.В. Ломоносов (1711-1765). Первой современной формой физической атомистики является кинетическая теория газов, авторы которой А.К. Крёниг (A.K. Kronig, 1822-1879), Р.Ю. Клаузиус (R.J. Clausius, 1822-1888), Д.К. Максвелл (D.K. Maxwell, 1831-1879), Л. Больцман (L. Boltzmann, 1844-1906), Дж.У. Гиббс (J.W. Gibbs, 1839-1903) заложили также основы классической статистической физики . Квантовая механика привела к созданию квантовой кинетики и квантовой статистической физики.

Непосредственные доказательства реальности существования молекул были получены в начале XX века в работах Ж.Б. Перрена (J.B. Perrin,1870-1942) и Т. Сведберга (Th. Svedberg, 1874-1971), М. Смолуховского (M.Smoluchowski,1872-1917) и А. Эйнштейна (A. Einstein, 1879-1955), изучавших броуновское движение частиц.

Количественное изучение жидкости началось с работ Д. Бернулли и Л. Эйлера (L. Euler,1707-1783), Я.Д. Ван-дер-Ваальса (J.D. Van der Waals, 1837-1923), П-И.В. Дебая (P.I.W.Debye,1884-1966). Статистическую теорию жидкостей развивали Д.Г. Кирквуд (J.G. Kirkwood,1907-1959), М. Борн (M. Born, 1882-1970), Г.С. Грин (H.S. Green, 1920-1999), Н.Н. Боголюбов (1909-1992), Я.И. Френкель (1894-1952).

Развитие квантовой механики позволило исследовать специфические жидкости: жидкие металлы, а также квантовые жидкости и. Численные методы в теории жидкости начали интенсивно развиваться с 1957 г. и в настоящее время занимают ведущее место в изучении жидкости.

В становлении молекулярной физики твердого тела основополагающую роль сыграли работы О. Бравэ (O. Bravais, 1811-1863), Е.С. Федорова (1853-1919), А. Шёнфлиса (A. Schonflies,1853-1928), М. Лауэ (M.Laue, 1879-1960), П. Книппинга (P. Knipping, 1883-1935), В. Фридриха (W.Fridrich, 1883-1968), У.Г. и У.Л. Брэггов (W.H and W.L Bragg, 1862-1942, 1890-1971), Ю.В. Вульфа (1863-1925) и др. Квантовая теория твердых тел начала развиваться с 1926 г.

Физика полимеров и жидких кристаллов - это раздел молекулярной физики, связанный с изучением высокомолекулярных соединений . Он тесно примыкает к биофизике и химической физике . Нанофизика как наука об объектах, промежуточных между молекулами и конденсированными системами, в настоящее время переживает период своего рождения. У ее истоков стоял Р. Фейнман (R. Feynman, 1918-1988).

Современная теория межатомных взаимодействий построена на основе квантовых представлений в работах М. Борна, Ф. Лондона (F. London, 1900-1954), В. Гайтлера (W. Heitler,1904-1981) и др. Учение о межмолекулярных взаимодействиях первоначально начало развиваться в связи с изучением капиллярных явлений в классических работах А.К. Клеро (A.C. Clairault, 1713-1765), П.С. Лапласа (P.S. Laplace, 1749-1827), Т. Юнга (Th. Young, 1773-1829), С.Д. Пуассона (S.D. Poisson, 1781-1840), К.Ф. Гаусса (C.F. Gauss, 1777-1855), Дж.У. Гиббса, И.С. Громеки (1851-1889) и др., а также в более поздних работах П.А. Ребиндера (1898-1972) и Б.В. Дерягина (1902-1994). Непосредственное экспериментальное изучение сил межмолекулярного (межатомного) взаимодействия началось с разработки метода молекулярных пучков Л. Дюнуайе (L. Dunoyer, 1880-1963) и О. Штерном (O.Stern, 1888-1969).

Учение о фазовых переходах и критических явлениях возникли после появления работ Я. Ван-дер-Ваальса, У. Томсона (Кельвина) (W. Thomson, 1824-1907), Т. Эндрюса (T. Andrews, 1813-1885), Д.И. Менделеева (1834-1907) и др. и получила развитие в работах Дж.У. Гиббса, Л.Д. Ландау (1908-1968), В.Л. Гинзбурга (1916-2009) и др.

Исследования релаксационных процессов в газах ведут свое начало от работ А. Эйнштейна, П.Н. Лебедева (1866-1912), Г.О. Кнезера (H.O. Kneser, 1898-1973), М.А. Леонтовича (1903-1981), Л.И. Мандельштама (1879-1944), Л.Д. Ландау, Э. Теллера (E. Teller, 1908-2003) и др.

Молекулярная физика и смежные науки

Развитие молекулярной физики привело к выделению из нее многих самостоятельных разделов (статистическая физика, кинетика, физическая газовая динамика и др.). Представления молекулярной физики послужили основой для возникновения таких областей науки, как физика металлов, физика полупроводников, физика полимеров, физика поверхности , физика плазмы , нанофизика, теория тепло- и массопереноса и т.д.

При всем разнообразии объектов и методов исследования молекулярную физику объединяет общая идея, заключающаяся в описании макроскопических свойств на основе микроскопической (атомно-молекулярной) картины его строения.

Основы молекулярной физики и термодинамики. Молекулярно-кинетическая теория газов

Основные области и методы исследований

История молекулярной физики, основные научные результаты и достижения

Молекулярная физика и смежные науки

Рекомендуемая литература