Preguntas de física. ¿Qué estudia la física molecular?

Física molecular- rama de la física que estudia las propiedades físicas de los cuerpos basándose en la consideración de su estructura molecular. Los problemas de la física molecular se resuelven mediante los métodos de la mecánica estadística, la termodinámica y la cinética física, están asociados con el estudio del movimiento y la interacción de las partículas (átomos, moléculas, iones) que forman los cuerpos físicos.

Historia

La primera rama de la física molecular que surgió fue la teoría cinética de los gases. En el proceso de su desarrollo, la física estadística clásica se creó gracias al trabajo de James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann y J. W. Gibbs.

Las ideas cuantitativas sobre la interacción de moléculas (fuerzas moleculares) comenzaron a desarrollarse en la teoría de los fenómenos capilares. Las obras clásicas en este campo de Alexi Claude Clairaut (1743), Pierre-Simon Laplace (1806), Thomas Young (1805), S. D. Poisson, Carl Friedrich Gauss (1830-1831) y otros sentaron las bases de la teoría de los fenómenos de superficie. J.D. Van der Waals (1873) tuvo en cuenta las interacciones intermoleculares al explicar propiedades físicas gases y líquidos reales.

A principios del siglo XX, la física molecular entró en una nueva etapa de desarrollo. En los trabajos de Jean Baptiste Perrin y Theodor Swedberg (1906), Marian Smoluchowski y Albert Einstein (1904-06), dedicados al movimiento browniano de las micropartículas, se obtuvo evidencia de la realidad de la existencia de las moléculas.

Por métodos de rayos X análisis estructural(y posteriormente utilizando métodos de difracción de electrones y difracción de neutrones) se estudió la estructura sólidos y líquidos y sus cambios durante las transiciones de fase y cambios de temperatura, presión y otras características. La doctrina de las interacciones interatómicas basadas en ideas. mecánica cuántica desarrollado en las obras de Max Born, Fritz London y Vallière Heitler, así como de Peter Debye. La teoría de las transiciones de un estado de agregación a otro, esbozada por Van der Waals y William Thomson y desarrollada en los trabajos de Gibbs (finales del siglo XIX), Lev Davidovich Landau y Max Volmer (década de 1930) y sus seguidores, se ha convertido en teoría moderna La formación de fases es una importante rama independiente de la física. Una asociación métodos de estadística con las ideas modernas sobre la estructura de la materia en las obras de Yakov Ilyich Frenkel, Henry Eyring (1935-1936), John Desmond Bernal y otros condujeron a la física molecular de líquidos y sólidos.

Problemas de la ciencia

La gama de cuestiones que abarca la física molecular es muy amplia. Examina: la estructura de la materia y sus cambios bajo la influencia de factores externos (presión, temperatura, campo electromagnético), fenómenos de transferencia (difusión, conductividad térmica, viscosidad), equilibrio de fases y procesos de transición de fases (

Justificación experimental de las principales disposiciones de las TIC:

Teoría cinética molecular– la doctrina de la estructura y propiedades de la materia, utilizando la idea de la existencia de átomos y moléculas como las partículas más pequeñas sustancia química. MCT se basa en tres afirmaciones estrictamente probadas experimentalmente:

· La materia está formada por partículas: átomos y moléculas, entre las cuales hay espacios;

· Estas partículas están en movimiento caótico, cuya velocidad se ve afectada por la temperatura;

· Las partículas interactúan entre sí.

El hecho de que una sustancia esté realmente compuesta de moléculas se puede demostrar determinando sus tamaños: una gota de aceite se esparce sobre la superficie del agua formando una capa cuyo espesor es igual al diámetro de la molécula. Una gota con un volumen de 1 mm 3 no puede extenderse más de 0,6 m 2:

También existen otras formas de demostrar la existencia de moléculas, pero no es necesario enumerarlas: dispositivos modernos (microscopio electrónico, proyector de iones) le permiten ver átomos y moléculas individuales.

Fuerzas de interacción molecular. a) la interacción es de naturaleza electromagnética; b) las fuerzas de corto alcance se detectan a distancias comparables al tamaño de las moléculas; c) existe tal distancia cuando las fuerzas de atracción y repulsión son iguales (R 0), si R>R 0, entonces prevalecen las fuerzas de atracción, si R

La acción de las fuerzas de atracción molecular se revela en un experimento con cilindros de plomo que se pegan entre sí después de limpiar sus superficies.

Moléculas y átomos en sólido realizar oscilaciones aleatorias relativas a posiciones en las que las fuerzas de atracción y repulsión de los átomos vecinos están equilibradas. EN liquidos las moléculas no sólo oscilan alrededor de la posición de equilibrio, sino que también dan saltos de una posición de equilibrio a la siguiente; estos saltos de moléculas son la razón de la fluidez de un líquido, de su capacidad de tomar la forma de un recipiente. EN gases normalmente las distancias entre átomos y moléculas son, en promedio, mucho mayores que los tamaños de las moléculas; las fuerzas repulsivas no actúan a largas distancias, por lo que los gases se comprimen fácilmente; Prácticamente no existen fuerzas de atracción entre las moléculas de gas, por lo que los gases tienen la propiedad de expandirse indefinidamente.

Masa y tamaño de las moléculas. Constante de Avogadro:

Cualquier sustancia está formada por partículas, por lo tanto. cantidad de sustancia Se considera proporcional al número de partículas. La unidad de cantidad de una sustancia es lunar . Lunar igual a la cantidad de sustancia en un sistema que contiene el mismo número de partículas que átomos hay en 0,012 kg de carbono.

La relación entre el número de moléculas y la cantidad de sustancia se llama Constante de Avogadro:

La constante de Avogadro es

La cantidad de una sustancia se puede encontrar como la relación entre el número de átomos o moléculas de la sustancia y la constante de Avogadro:

Masa molar es una cantidad igual a la relación entre la masa de una sustancia y la cantidad de sustancia:

La masa molar se puede expresar en términos de la masa de la molécula:

Para determinar masas moleculares necesitas dividir la masa de una sustancia por la cantidad de moléculas que contiene:

Movimiento browniano:

movimiento browniano– movimiento térmico de partículas suspendidas en un gas o líquido. El botánico inglés Robert Brown (1773 - 1858) descubrió en 1827 el movimiento aleatorio de partículas sólidas visibles a través de un microscopio en un líquido. Este fenómeno se denominó movimiento browniano. Este movimiento no se detiene; al aumentar la temperatura su intensidad aumenta. El movimiento browniano es el resultado de fluctuaciones de presión (una desviación notable del valor medio).

La razón del movimiento browniano de una partícula es que los impactos de las moléculas líquidas sobre la partícula no se anulan entre sí.

Gas ideal:

En un gas enrarecido, la distancia entre las moléculas es muchas veces mayor que su tamaño. En este caso, la interacción entre moléculas es insignificante y la energía cinética de las moléculas es mucho mayor que la energía potencial de su interacción.

Para explicar las propiedades de una sustancia en estado gaseoso, en lugar de un gas real, se utiliza su modelo físico: un gas ideal. El modelo supone:

La distancia entre moléculas es ligeramente mayor que su diámetro;

Las moléculas son bolas elásticas;

No existen fuerzas de atracción entre moléculas;

Cuando las moléculas chocan entre sí y con las paredes del recipiente, actúan fuerzas repulsivas;

El movimiento de las moléculas obedece a las leyes de la mecánica.

La ecuación básica de MKT de un gas ideal:

La ecuación básica MCT permite calcular la presión del gas si se conocen la masa de la molécula, el valor medio del cuadrado de la velocidad y la concentración de las moléculas.

Presión de gas ideal radica en el hecho de que las moléculas, al chocar con las paredes de un recipiente, interactúan con ellas según las leyes de la mecánica como cuerpos elásticos. Cuando una molécula choca con la pared de un recipiente, la proyección del vector velocidad v x velocidad sobre el eje OX, perpendicular a la pared, cambia de signo al contrario, pero permanece constante en magnitud. Por lo tanto, como resultado de las colisiones de una molécula con una pared, la proyección de su momento sobre el eje OX cambia de mv 1x = -mv x a mv 2x =mv x. Un cambio en el momento de una molécula al chocar con una pared es causado por una fuerza F 1 que actúa sobre ella desde el lado de la pared. El cambio de momento de la molécula es igual al momento de esta fuerza:

Durante una colisión, según la tercera ley de Newton, la molécula actúa sobre la pared con una fuerza F 2, igual en magnitud a la fuerza F 1 y dirigida en sentido opuesto.

Hay muchas moléculas y cada una transfiere el mismo impulso a la pared al chocar. En un segundo transmiten impulso.

Considerando que no todas las moléculas tienen la misma velocidad, la fuerza que actúa sobre la pared será proporcional al cuadrado medio de la velocidad. Dado que las moléculas se mueven en todas direcciones, los valores promedio de los cuadrados de las velocidades proyectadas son iguales. Por tanto, el cuadrado medio de la proyección de velocidad es:

Denotando el valor promedio de la energía cinética del movimiento de traslación de las moléculas de gas ideal:

Temperatura y su medición:

La ecuación básica MKT para un gas ideal establece una conexión entre un parámetro macroscópico fácil de medir (la presión) y parámetros microscópicos del gas como la energía cinética promedio y la concentración molecular. Pero midiendo únicamente la presión, no podemos determinar ni la energía cinética promedio de las moléculas individuales ni su concentración. En consecuencia, para encontrar los parámetros microscópicos de un gas se necesitan mediciones de alguna otra cantidad física relacionada con la energía cinética promedio de las moléculas. Esta cantidad es temperatura .

Cualquier cuerpo macroscópico o grupo de cuerpos macroscópicos, en condiciones externas constantes, pasa espontáneamente a un estado de equilibrio térmico. Equilibrio termal - Este es un estado en el que todos los parámetros macroscópicos permanecen sin cambios durante el tiempo deseado.

La temperatura caracteriza el estado de equilibrio térmico de un sistema de cuerpos: todos los cuerpos del sistema que están en equilibrio térmico entre sí tienen la misma temperatura. .

Para medir la temperatura se puede utilizar el cambio en cualquier cantidad macroscópica dependiendo de la temperatura: volumen, presión, resistencia eléctrica, etc.

En la práctica, la mayoría de las veces se utiliza la dependencia del volumen de líquido (mercurio o alcohol) de la temperatura. Al calibrar un termómetro, se suele tomar como punto de referencia la temperatura del hielo derretido (0); el segundo punto constante (100) se considera el punto de ebullición del agua a presión atmosférica normal (escala Celsius). Dado que diferentes líquidos se expanden de manera diferente cuando se calientan, la escala así establecida dependerá en cierta medida de las propiedades del líquido en cuestión. Por supuesto, 0 y 100°C coincidirán para todos los termómetros, pero 50°C no coincidirán.

Lea más en el artículo Física Estadística

Método estadístico El estudio de los fenómenos físicos se basa en la modelización de la estructura interna de la materia. El medio ambiente se considera como un determinado sistema físico que consta de una gran cantidad de moléculas (átomos) con determinadas propiedades. La tarea principal de este método es determinar las características y patrones macroscópicos basándose en determinadas propiedades microscópicas del medio.
Así, para un conjunto de moléculas que se mueven caóticamente, se pueden encontrar ciertos valores de velocidad, energía y momento que son inherentes a la mayoría de las moléculas. Estos valores se denominan los más probables. Es posible determinar los valores medios de la velocidad de las moléculas, su energía, el camino libre de las moléculas, etc., que son características del movimiento de un conjunto de moléculas. Utilizando estas características, es posible determinar parámetros de un sistema macroscópico como la presión, la temperatura absoluta, etc.
El método estadístico permite establecer patrones en el caos imaginario de fenómenos aleatorios que están justificados para todo el conjunto de fenómenos, y no para cada elemento por separado, como en un patrón dinámico. Las relaciones establecidas de esta manera se denominan patrones estadísticos.
Estas regularidades pierden su significado con la transición a sistemas con un pequeño número de partículas.
Método termodinámico
Un método para describir un proceso que no tiene en cuenta la estructura microscópica de una sustancia, sino que la considera como un medio continuo, se llama termodinámico.
El método fenomenológico nos permite establecer relaciones generales entre parámetros que caracterizan los fenómenos en su conjunto. Las leyes fenomenológicas son de naturaleza muy general y el papel de un entorno específico se tiene en cuenta mediante el uso de coeficientes que se determinan directamente a partir de la experiencia. Con este método se establecieron en particular las leyes de los gases ideales y reales.
El método de investigación fenomenológico se utiliza en la termodinámica, una rama de la física que, para diversos fenómenos naturales asociados con efectos térmicos, estudia las condiciones para la transformación de energía de un tipo a otro y caracteriza cuantitativamente estas transformaciones. La termodinámica se basa en tres leyes fundamentales, establecidas a partir de la generalización de un gran número de observaciones y experimentos en cuerpos bastante grandes (macroscópicos).
Especialmente eficaz resultó el uso del método fenomenológico en ingeniería térmica, dinámica de gases, cohetería, etc.
Considerando las propiedades de los cuerpos y sus cambios desde dos posiciones diferentes: microscópica y macroscópica, la física molecular y la termodinámica se complementan entre sí.
Los logros de la física molecular se utilizan ampliamente en otras ciencias naturales. En particular, el desarrollo de la química y la biología está indisolublemente ligado a sus éxitos. En el proceso de desarrollo, surgieron secciones independientes en la física molecular, por ejemplo: química física, cinética física, biología molecular y física del estado sólido.
Los conceptos básicos de la física molecular se utilizan en algunos campos especiales de la ciencia, en particular, en la física de metales, polímeros y plasma, física de cristales y mecánica física y química.
La física molecular es la base científica de la ciencia moderna de los materiales, la tecnología de vacío, la pulvimetalurgia, la tecnología de refrigeración, etc.
Un éxito significativo de la física moderna ha sido la síntesis de elementos artificiales. diamante y otros materiales superduros.
Los logros en física molecular y termodinámica forman la base para la creación de motores térmicos modernos, dispositivos de refrigeración para gases licuados y producción de productos químicos y alimentos; Contribuyen a un mayor desarrollo de la meteorología.