ОСНОВЫМОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ
Термодинамика и молекулярная физика изучают один круг явлений, а именно макроскопические процессы в телах, которые связаны с большим количеством содержащихся в этих телах молекул и атомов. Однако данные разделы отличаются различным подходом к изучаемым явлениям.
Основания классической термодинамики связаны с феноменологией: "Я так вижу, а единственный мой судья - господин Опыт". Термодинамический метод анализа объекта начинается довольно банально: объект заключается в абстрактную оболочку, "контрольную поверхность". Специфика оболочки - допускать или прекращать взаимодействие с внешней средой (ВС). Под взаимодействием понимается акт обмена субстанцией, в классической термодинамике - обмен энергией. Объект внутри оболочки с заданными видами, родами воздействия называется термодинамической системой (ТС). Далее устанавливается множество параметров, характеризующих состояние ТС.
Термодинамика, или общая теория теплоты, основана на принципах или началах, являющихся обобщением большого количества опытных данных. Она рассматривает теплоту как род некоторого внутреннего движения без его конкретного рассмотрения. Термодинамика не вводит специальных теорий о строении вещества и физической природе теплоты.
Молекулярная физика изучает те свойства вещества, которые обусловлены тем, что оно является совокупностью огромного числа движущихся молекул и атомов, т.е. исходит из атомно-молекулярного строения вещества и использует в своих исследованиях методы математической статистики.
В физике строго научное развитие молекулярной теории началось со второй половины CIC века,, в основном благодаря трудам Клаузиуса, Максвелла и Больцмана, в них были заложены основы кинетической теории.
|
|
Молекулярно-кинетическая теория базировалась на трех положениях:
· все тела состоят из молекул и атомов;
· молекулы и атомы хаотически движутся;
· молекулы и атомы взаимодействуют друг с другом.
Основоположники этой теории пользовались упрощенными, идеализированными моделями. Молекулы и атомы рассматривались как идеально твердые шарики или как материальные точки, взаимодействующие друг с другом центральными силами. Эта теория базировалась на основе принципов классической механики Ньютона: законах сохранения импульса и энергии. Такая простейшая модель приводит к законам идеального газа, газа в котором отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия, размеры молекул пренебрежимо малы, т.е. их можно считать материальными точками. При таких допущениях молекулы можно считать свободными, а их движение рассматривать как равномерное прямолинейное. Взаимодействие молекул со стенками сосуда происходит по законам абсолютно упругого взаимодействия.
Основные законы термодинамики.
Введем в рассмотрение понятие внутренней энергии и установим отличие ее от теплоты. Тепловой или внутренней энергией называется полная сумма всех видов энергии всех молекул, принадлежащих телу. Сюда входит кинетическая энергия движения самих молекул, кинетическая энергия атомов внутри молекул, потенциальная энергия взаимодействия между атомами внутри молекулы, а также энергия элементарных частиц, составляющих ядро атома. С другой стороны, теплота – это количество энергии, которое передается от одного тела к другому при непосредственном контакте (или через третье тело) либо излучением.
|
|
Для вычисления внутренней энергии более сложных газов (2-х,3-х атомных, а также многоатомных) необходимо учитывать энергии вращательного и колебательного движения молекул. Для этого введем понятие числа степеней свободы, под которым понимается число независимых параметров (координат), описывающих положение и конфигурацию системы в пространстве.
В общем, виде система, состоящая из N частиц имеет 3Nстепеней свободы. Каждая жесткая связь между частицами уменьшает число степеней свободы на единицу, каждая упругая связь не изменяет числа степеней свободы системы. Тогда в простейших ситуациях полагаем, что молекула одноатомного газа имеет 3 степени свободы, 2-х атомного (с жесткой связью между атомами) - 5 степеней свободы,3-х и многоатомного (с жесткой связью) – 6 степеней свободы..
Важным положением молекулярно-кинетической теории является принцип равнораспределения энергии по степеням свободы. Этот принцип гласит, что энергия распределяется поровну между активными степенями свободы и каждая отдельная активная степень свободы обладает в среднем энергией
В природе существует два способа изменения внутренней энергии системы:
- теплопередача (совершение микроскопической работы),
- совершение макроскопической работы.
Теплопередача может осуществляться тремя способами:
- теплопроводностью (молекулярный перенос теплоты),
- конвекцией (молярный перенос теплоты),
-излучением (перенос энергии электромагнитными волнами).
Все термодинамические процессы можно подразделить на обратимые и необратимые. Обратимым процессом называется такое изменение состояния системы, которое, будучи проведено в обратном направлении, возвращает ее в исходное состояние, так чтобы система прошла через те же промежуточные состояния, что и в прямом процессе, а состояние тел вне системы осталось неизменным. Процессы, не удовлетворяющие данному условию, называются необратимыми.