Молекулярная физика и термодинамика.

В отличие от механики, которая изучает движение отдельных частиц или тел под действием различных сил, молекулярная физика имеет дело со свойствами вещества. Как показывает опыт, всякое вещество состоит из большого числа микроскопических — атомов и молекул, которые взаимодействуют между собой находятся в непрестанном движении. Такая система называется макроскопической.

Можно выделить три наиболее характерных состояния, в которых может находиться вещество, — твердое, жидкое и газообразное. Свойство тела одном из этих состояний есть его макроскопическое свойство, не зависящее от свойств отдельных частиц, образующих тело. Например, железо существовать кристаллическом состоянии (в виде твердого тела) или пребывать расплавленном жидкости), испаряться газа, хотя при переходе одного состояния другое с самими атомами железа происходит никаких изменений. Макроскопическими являются также свойства вещества по отношению к внешним воздействиям, например, сжимаемость. Другими словами, макроскопические это тела, рассматриваемые без учета внутренней структуры. Задача молекулярной физики объяснение изучение макроскопических исходя известных микроскопических взаимодействий между отдельными составляющими частицами. Простейшее взаимодействие частицами обычное механическое столкновение, но взаимодействия могут быть более сложными. Понятие теплоемкости. Когда одинаковое количество энергии передано телам равной массы, но состоящих из разных веществ, то повышение температуры этих тел неодинаково.

С этой точки зрения рассмотрим существование твердого, жидкого и газообразного состояний. Из механики известно, что положение частицы в пространстве характеризуется ее потенциальной энергией U(r), минимум которой отвечает положению устойчивого равновесия. Величина кинетической энергии T служит мерой движения частицы. Таким образом, зависимости от соотношения между величинами энергий частица будет или «привязана» к определенной области пространства, совершать свободное движение.

На рис. изображена характерная кривая потенциальной энергии частицы во внешнем поле центра притяжения, имеющая глубокий минимум в точке r0. Эта кривая отвечает взаимодействию частицы с полем, которое приводит к притяжению частицы на больших расстояниях (r > r0) и к отталкиванию на малых (r < r0). Двумя прямыми изображены возможные значения полной энергии частицы E = T + U . В первом случае |U| >> T, и частица не может покинуть «потенциальную яму» — эта ситуация отвечает случаю твердого тела. Во втором случае, когда T >> |U|, частица свободно покидает яму — имеет место случай газа частиц. Промежуточный случай отвечает жидкости.

В макроскопической системе все частицы одинаковы, ни одна из них не является выделенной, и сказанное может относиться к любой них. С другой стороны, потенциальная, кинетическая энергии частиц в большой имеют произвольные значения, а зависят, благодаря взаимодействию между частицами, от всей системы целом, которая, свою очередь, определяется внешними условиями. результате наибольшая часть имеет близкие значения как потенциальной, так кинетической энергии, поэтому вся система оказывается одном макроскопических состояний.

Таким образом, система большого числа частиц, образующая макроскопическое тело; благодаря взаимодействию между частицами, обнаруживает качественно новые свойства по сравнению с механической системой конечного частиц. Поскольку в формировании этих свойств участвуют одновременно все частицы большой системы, для их описания уже недостаточно знания характеристик какой‑либо отдельной частицы. Макроскопические тела определяются суммарными и усредненными большому числу частиц величинами. Такой способ является статистическим, а вычисляемые макроскопические характеристики системы называются термодинамическими переменными. Задание термодинамических переменных полностью определяет состояние системы. Пользуясь переменными, можно изучать процессы передачи преобразования энергии физических объектах, не обращаясь к микроскопической картине. Статистический термодинамический методы — основа изучения явлений процессов, происходящих системах, состоящих из

Из всего сказанного следует: несмотря на то что каждая отдельная частица подчиняется законам механики, поведение системы большого числа частиц уже не может быть описано законами а статистической физики и термодинамики. Возникает вопрос: насколько большим должно число в системе, чтобы ее описание с помощью законов механики становилось недостаточным система проявляла бы макроскопические свойства. Для ответа этот вопрос следует вспомнить, говорить о существовании каких-либо физических свойств вещества можно лишь тогда, когда существует какой-либо способ их измерения. Иными словами, необходимо указать прибор, которого было произвести измерения соответствующих свойств. Процесс представляет собой взаимодействие прибора макроскопическим телом, поэтому процессе все параметры изменяются величину порядка энергии этого взаимодействия. Очевидно, макроскопических свойствах том случае, если мало изменяет состояние всей системы, так средние значения всех величин системе при измерении остаются практически неизменными. Если это требование выполняется, систему считать большой. При этом точное значение имеет никакого точно же, как характеристики отдельной частицы. Важно только, велико указанном выше смысле. В реальных телах огромны — они составляют 1020 1 см3.

Основные представления кинетической теории Теплота как форма энергии. Температура. Беспорядочное движение микроскопических частиц связано с содержанием в веществе теплоты — особой формы энергии. Эта связь достаточно очевидна на примере зависимости броуновского движения от количества сообщенного телу тепла.

Давление идеального газа Самой простой моделью макроскопического вещества является газ частиц. Газ представляет собой достаточно разреженную систему Частицы в газе находятся на значительном удалении друг от друга, совершая свободное движение и время времени сталкиваясь с другом. Поэтому первом приближении при рассмотрении газа можно не учитывать размеры форму молекул, т. е. считать частицы материальными точками. По этой же причине пренебречь взаимодействием частиц расстоянии, к столкновениям между со стенками сосуда применять законы соударений упругих шаров. Такой называется идеальным. Модель идеального позволяет описать существенные черты поведения реального вещества.

Уравнение состояния идеального газа

Распределение Больцмана и вероятность. Распределение Больцмана представляет собой отношение числа частиц, обладающих определенной потенциальной энергией, или, что то же самое, находящихся в некоторой точке силового поля, к полному числу частиц газе. Тот факт, та или иная частица оказывается пространства, есть событие случайное, потому оно является следствием хаотического теплового движения. Поэтому можно утверждать, распределение вероятность того, некоторое число будет иметь заданное значение энергии. Рассмотрим основные свойства вероятности. Теория вероятности изучает явления, которые имеют случайный характер.

Распределение молекул по скоростям Аналогичная неравномерность имеет место и в распределении частиц газе по скоростям. Случайный обмен импульсами энергиями при столкновениях приводит к некоторому разбросу кинетических энергий скоростей молекул вокруг их средних значений, соответствующих установившейся температуре. Случайные изменения результате столкновений можно рассматривать как случайное блуждание частиц, но не реальном координатном пространстве, а пространстве скоростей, осями котором являются скорости vx, vу, vz

Теория теплоты. Термодинамика идеального газа Внутренняя энергия идеального газа Внутренней энергией тела называют часть его полной энергии за вычетом кинетической движения как целого и потенциальной во внешнем поле. Таким образом, внутреннюю энергию входят кинетическая энергия поступательного вращательного движений молекул, потенциальная их взаимодействия, колебательного атомов в молекулах, а также различных видов частиц атомах.

Изменение внутренней энергии. Первое начала термодинамики Внутренняя энергия системы может изменяться за счет энергии, сообщаемой системе извне. Эта энергия может сообщаться системе посредством двух процессов: либо за счет работы, производимой внешними силами над системой, либо за счет передачи ей тепла

Уравнение состояния неидеального газа Простая и удобная модель идеального газа применима в основном к разреженным газам, что соответствует малой плотности вещества. При больших давлениях низких температурах возникают значительные отклонения от уравнения Клапейрона-Менделеева (3.8), указывает на несоответствие модели его реальному состоянию. Это означает, уравнение состояния следует видоизменить, причем новом виде надо учесть отличие реальных молекул невзаимодействующих материальных точек.

Неравновесные процессы Вследствие необратимости термодинамических процессов все процессы в изолированной системе протекают лишь одном направлении — приближения системы к состоянию теплового равновесия. Будучи выведена из состояния равновесия, система переходит новое состояние равновесия спустя некоторое время релаксации. Оно зависит от температуры, давления, плотности системы, а также характера взаимодействия между частицами. Переход равновесному представляет собой необратимый процесс, поскольку вероятность самопроизвольного перехода равновесной неравновесное ничтожно мала.

Тепловые машины Термодинамика как наука развилась в начале XIX века из необходимости объяснить работу тепловых машин. Термодинамические расчеты необходимы при конструировании любых машин, способных производить работу. Тепловой машиной называется устройство, использующее тепловую энергию для совершения механической работы. В этом смысле и паровой двигатель, атомный реактор эквивалентны. Из изложенного следует важный вывод. Поскольку КПД реальной тепловой машины всегда меньше, чем идеальной (работающей по циклу Карно), а обязательным условием работы последней является необходимость отдавать тепло более холодному телу, становится очевидной невозможность создания так называемого вечного двигателя второго рода — устройства, осуществляющего круговорот тепла в природе и одновременно превращающего все полученное механическую работу.

Энтропия и информация При рассмотрении процесса передачи тепла от более нагретого к менее нагретому телу было введено понятие энтропии. Этот процесс необратим, и энтропия служит мерой его необратимости. Физическая причина необратимости — переход состояния, характеризуемого упорядоченным распределением какой-либо физической величины, состоянию беспорядка, и, следовательно, это количественная мера возникающего беспорядка. Последнее обстоятельство позволяет использовать энтропии широко: для характеристики анализа любых необратимых процессов в окружающем нас мире, том числе связанных с деятельностью человека, который является частью природы часто вносит нее необратимые изменения.