Вопросы по физике. Что изучает молекулярная физика

Молекулярная физика - раздел физики , который изучает физические свойства тел на основе рассмотрения их молекулярного строения. Задачи молекулярной физики решаются методами статистической механики , термодинамики и физической кинетики , они связаны с изучением движения и взаимодействия частиц (атомов , молекул , ионов), составляющих физические тела.

История

Первым сформировавшимся разделом молекулярной физики была кинетическая теория газов . В процессе её развития работами Джеймса Клерка Максвелла , Людвига Больцмана , Дж. У. Гиббса была создана классическая статистическая физика.

Количественные представления о взаимодействии молекул (молекулярных силах) начали развиваться в теории капиллярных явлений. Классические работы в этой области Алекси Клод Клеро (1743), Пьера-Симона Лапласа (1806), Томаса Юнга (1805), С. Д. Пуассона , Карла Фридриха Гаусса (1830-1831) и других положили начало теории поверхностных явлений. Межмолекулярные взаимодействия были учтены Й. Д. Ван-дер-Ваальсом (1873) при объяснении физических свойств реальных газов и жидкостей.

В начале XX века молекулярная физика вступила в новый этап развития. В работах Жана Батиста Перрена и Теодора Сведберга (1906), Мариан Смолуховского и Альберта Эйнштейна (1904-06), посвященных броуновскому движению микрочастиц, были получены доказательства реальности существования молекул.

Методами рентгеновского структурного анализа (а впоследствии методами электронографии и нейтронографии) были изучены структура твёрдых тел и жидкостей и её изменения при фазовых переходах и изменении температуры, давления и других характеристик. Учение о межатомных взаимодействиях на основе представлений квантовой механики получило развитие в работах Макса Борна , Фрица Лондона и Вальера Гайтлера , а также Петера Дебая . Теория переходов из одного агрегатного состояния в другое, намеченная Ван-дер-Ваальсом и Уильямом Томсоном и развитая в работах Гиббса (конец XIX века), Льва Давидовича Ландау и Макса Фольмера (1930-е) и их последователей, превратилась в современную теорию образования фазы - важный самостоятельный раздел физики. Объединение статистических методов с современными представлениями о структуре вещества в работах Якова Ильича Френкеля , Генри Эйринга (1935-1936), Джона Десмонда Бернала и других привело к молекулярной физике жидких и твёрдых тел.

Задачи науки

Круг вопросов, охватываемых молекулярной физикой, очень широк. В ней рассматриваются: строение вещества и его изменение под влиянием внешних факторов (давления, температуры, электромагнитного поля), явления переноса (диффузия , теплопроводность , вязкость), фазовое равновесие и процессы фазовых переходов (

Опытное обоснование основных положений МКТ:

Молекулярно-кинетическая теория – учение о строении и свойствах вещества, использующее представление о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химического вещества. В основе МКТ лежат три строго доказанных с помощью опытов утверждения:

· Вещество состоит из частиц – атомов и молекул, между которыми существуют промежутки;

· Эти частицы находятся в хаотическом движении, на скорость которого влияет температура;

· Частицы взаимодействуют друг с другом.

То, что вещество действительно состоит из молекул, можно доказать, определив их размеры: Капля масла расплывается по поверхности воды, образуя слой, толщина которого равна диаметру молекулы. Капля объемом 1 мм 3 не может расплыться больше, чем на 0,6 м 2:

Существуют также другие способы доказательства существования молекул, но перечислять их нет необходимости: современные приборы (электронный микроскоп, ионный проектор) позволяют видеть отдельные атомы и молекулы.

Силы взаимодействия молекул . а) взаимодействие имеет электромагнитный характер; б) силы короткодействующие, обнаруживаются на расстояниях, сопоставимых с размерами молекул; в) существует такое расстояние, когда силы притяжения и отталкивания равны (R 0), если R>R 0 , тогда преобладают силы притяжения, если R

Действие сил молекулярного притяжения обнаруживается в опыте со свинцовыми цилиндрами, слипающимися после очистки их поверхностей.

Молекулы и атомы в твердом теле совершают беспорядочные колебания относительно положений, в которых силы притяжения и отталкивания со стороны соседних атомов уравновешены. В жидкости молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседнее, эти перескоки молекул являются причиной текучести жидкости, ее способности принимать форму сосуда. В газах обычно расстояния между атомами и молекулами в среднем значительно больше размеров молекул; силы отталкивания на больших расстояниях не действуют, поэтому газы легко сжимаются; практически отсутствуют между молекулами газа и силы притяжения, поэтому газы обладают свойством неограниченно расширяться.

Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро:

Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Единицей количества вещества является моль . Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же частиц, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода.

Отношение числа молекул к количеству вещества называется постоянной Авогадро:

Постоянная Авогадро равна

Количество вещества можно найти как отношение числа атомов или молекул вещества к постоянной Авогадро:

Молярной массой называется величина, равная отношению массы вещества к количеству вещества:

Молярную массу можно выразить через массу молекулы:

Для определения массы молекул нужно разделить массу вещества на число молекул в нем:

Броуновское движение:

Броуновское движение – тепловое движение взвешенных в газе или жидкости частиц. Английский ботаник Роберт Броун (1773 – 1858) в 1827 году обнаружил беспорядочное движение видимых в микроскоп твердых частиц, находящихся в жидкости. Это явление было названо броуновским движением. Это движение не прекращается; с увеличением температуры его интенсивность растет. Броуновское движение – результат флуктуации давления (заметного отклонения от средней величины).

Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга.

Идеальный газ:

У разреженного газа расстояние между молекулами во много раз превышает их размеры. В этом случае взаимодействие между молекулами пренебрежимо мало и кинетическая энергия молекул много больше потенциальной энергии их взаимодействия.

Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии вместо реального газа используется его физическая модель - идеальный газ. В модели предполагается:

Расстояние между молекулами чуть больше их диаметра;

Молекулы – упругие шарики;

Между молекулами не действуют силы притяжения;

При соударении молекул друг с другом и со стенками сосуда действуют силы отталкивают;

Движения молекул подчиняется законам механики.

Основное уравнение МКТ идеального газа:

Основное уравнение МКТ позволяет вычислить давление газа, если известны масса молекулы, среднее значение квадрата скорости и концентрация молекул.

Давление идеального газа заключается в том, что молекулы при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела. При столкновении молекулы со стенкой сосуда проекция скорости v x вектора скорости на ось OX, перпендикулярную стенке, изменяет свой знак на противоположный, но остается постоянной по модулю. Поэтому в результате столкновений молекулы со стенкой проекция ее импульса на ось OX изменяется от mv 1x =-mv x до mv 2x =mv x . Изменение импульса молекулы при столкновении со стенкой вызывает сила F 1 , действующая на нее со стороны стенки. Изменение импульса молекулы равно импульсу этой силы:

Во время столкновения, согласно третьему закону Ньютона, молекула действует на стенку с силой F 2 , равной по модулю силе F 1 и направленной противоположно.

Молекул много, и каждая передает стенке при столкновении такой же импульс. За секунду они передают импульс

Учитывая, что не все молекулы имеют одинаковую скорость, сила, действующая на стенку будет пропорциональна среднему квадрату скорости. Так как молекулы движутся во всех направлениях, средние значения квадратов проекций скорости равны. Следовательно, средний квадрат проекции скорости:

Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа:

Температура и ее измерение:

Основное уравнение МКТ для идеального газа устанавливает связь легко измеряемого макроскопического параметра – давления – с такими микроскопическими параметрами газа, как средняя кинетическая энергия и концентрация молекул. Но, измерив только давление, мы не можем узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужны измерения еще какой-то физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул. Такой величиной является температура .

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия. Тепловое равновесие – это такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными.

Температура характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру .

Для измерения температуры можно воспользоваться изменением любой макроскопической величины в зависимости от температуры: объема, давления, электрического сопротивления и т.д.

Чаще всего на практике используют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры. При градуировке термометра обычно за начало отсчета (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении (шкала Цельсия). Так как различные жидкости расширяются при нагревании неодинаково, то установленная таким образом шкала будет до некоторой степени зависеть от свойств данной жидкости. Конечно, 0 и 100°С будут совпадать у всех термометров, но 50°С совпадать не будут.

Подробнее в статье Статистическая физика

Статистический метод изучения физических явлений основывается на моделировании внутренней структуры вещества. Среда рассматривают как некую физическую систему, состоящую из большого числа молекул (атомов) с заданными свойствами. Определение макроскопических характеристик и закономерностей по заданным микроскопическими свойствами среды является основной задачей этого метода.
Так, для совокупности молекул, движутся хаотично, можно найти определенные значения скорости, энергии, импульса, которые присущи большинству молекул. Такие значения величин называют наиболее вероятными. Можно определить средние значения скорости молекул, их энергии, свободного пробега молекул и др., которые являются характеристиками движения совокупности молекул. По этим характеристикам можно определить такие параметры макроскопической системы, как давление, абсолютная температура и т.д.
Статистический метод позволяет в воображаемом хаосе случайных явлений устанавливать закономерности, оправдываются для целого ансамбля явлений, а не для каждого элемента в отдельности, как в динамической закономерности. Установлены так взаимосвязи называют статистическими закономерностями.
Эти закономерности теряют смысл с переходом к системам с малым числом частиц.
Термодинамический метод
Метод описания процесса, который не учитывает микроскопическую структуру вещества, а рассматривает ее как сплошной среде, называют термодинамическим.
Феноменологический метод позволяет установить общие соотношения между параметрами, характеризующими явления в целом. Феноменологические законы имеют весьма общий характер, а роль конкретной среды учитывают применением коэффициентов, определяющих непосредственно из опыта. С помощью этого метода, в частности, было установлено законы идеальных и реальных газов.
Феноменологический метод исследования применяются в термодинамике – разделе физики, который для различных явлений природы, связанных с тепловыми эффектами, изучает условия преобразования энергии из одного вида на другой и количественно характеризует эти преобразования. В основу термодинамики положены три фундаментальные законы, установленные на основе обобщения большого числа наблюдений и опытов над достаточно большими (макроскопическими) телами.
Особенно эффективным оказалось применение феноменологического метода в теплотехнике, газодинамике, ракетной технике и т.д.
Рассматривая свойства тел и их изменения с двух разных позиций – микроскопической и макроскопической, молекулярная физика и термодинамика дополняют друг друга.
Достижения молекулярной физики широко используют в других науках о природе. С ее успехами, в частности, неразрывно связано развитие химии и биологии. В процессе развития в молекулярной физике выделились самостоятельные разделы, например: физическая химия, физическая кинетика, молекулярная биология, физика твердого тела.
Основные понятия молекулярной физики используется в некоторых специальных областях науки, в частности, в физике металлов, полимеров и плазмы, кристалофизици, физико-химической механике.
Молекулярная физика является научной основой современного материаловедения, вакуумной технологии, порошковой металлургии, холодильной техники и др.
Значительным успехом современной физики стал синтез искусственного алмаз в и других сверхтвердых материалов.
Достижения молекулярной физике и термодинамике положено в основу создания современных тепловых двигателей, холодильных встал аппаратов для сжижения газов, химических и пищевых производств; они способствуют дальнейшему развитию метеорологии.