Întrebări de fizică. Ce studiază fizica moleculară?

Fizica moleculară- o ramură a fizicii care studiază proprietățile fizice ale corpurilor pe baza structurii lor moleculare. Problemele de fizică moleculară sunt rezolvate prin metodele mecanicii statistice, termodinamicii și cineticii fizice; ele sunt asociate cu studiul mișcării și interacțiunii particulelor (atomi, molecule, ioni) care alcătuiesc corpurile fizice.

Poveste

Prima ramură a fizicii moleculare care a apărut a fost teoria cinetică a gazelor. În procesul dezvoltării sale, fizica statistică clasică a fost creată prin munca lui James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann și J. W. Gibbs.

Ideile cantitative despre interacțiunea moleculelor (forțe moleculare) au început să se dezvolte în teoria fenomenelor capilare. Lucrările clasice în acest domeniu ale lui Alexi Claude Clairaut (1743), Pierre-Simon Laplace (1806), Thomas Young (1805), S. D. Poisson, Carl Friedrich Gauss (1830-1831) și alții au pus bazele teoriei fenomenelor de suprafață. Interacțiunile intermoleculare au fost luate în considerare de J.D. Van der Waals (1873) când a explicat proprietăți fizice gaze și lichide reale.

La începutul secolului al XX-lea, fizica moleculară a intrat într-o nouă etapă de dezvoltare. În lucrările lui Jean Baptiste Perrin și Theodor Swedberg (1906), Marian Smoluchowski și Albert Einstein (1904-06), dedicate mișcării browniene a microparticulelor, s-au obținut dovezi ale realității existenței moleculelor.

Prin metode cu raze X analiză structurală(și ulterior folosind metode de difracție a electronilor și neutroni) structura a fost studiată solideși lichide și modificările acestora în timpul tranzițiilor de fază și schimbărilor de temperatură, presiune și alte caracteristici. Doctrina interacțiunilor interatomice bazate pe idei mecanica cuantică dezvoltat în lucrările lui Max Born, Fritz London și Vallière Heitler, precum și Peter Debye. Teoria tranzițiilor de la o stare de agregare la alta, conturată de Van der Waals și William Thomson și dezvoltată în lucrările lui Gibbs (sfârșitul secolului al XIX-lea), Lev Davidovich Landau și Max Volmer (1930) și adepții lor, a devenit teoria modernă formarea fazelor este o ramură independentă importantă a fizicii. O asociere metode statistice cu idei moderne despre structura materiei în lucrările lui Yakov Ilici Frenkel, Henry Eyring (1935-1936), John Desmond Bernal și alții au condus la fizica moleculară a lichidelor și a solidelor.

Probleme ale științei

Gama de probleme acoperite de fizica moleculară este foarte largă. Se examinează: structura materiei și modificările acesteia sub influența factorilor externi (presiune, temperatură, câmp electromagnetic), fenomene de transfer (difuzie, conductivitate termică, vâscozitate), echilibru de fază și procese de tranziție de fază (

Fundamentarea experimentală a principalelor prevederi ale TIC:

Teoria cinetică moleculară– doctrina structurii și proprietăților materiei, folosind ideea existenței atomilor și moleculelor ca cele mai mici particule substanta chimica. MCT se bazează pe trei afirmații strict dovedite experimental:

· Materia este formată din particule - atomi și molecule, între care există spații;

· Aceste particule sunt în mișcare haotică, a căror viteză este afectată de temperatură;

· Particulele interacționează între ele.

Faptul că o substanță constă într-adevăr din molecule poate fi dovedit prin determinarea dimensiunilor acestora: O picătură de ulei se întinde pe suprafața apei, formând un strat a cărui grosime este egală cu diametrul moleculei. O picătură cu un volum de 1 mm 3 nu se poate răspândi mai mult de 0,6 m 2:

Există și alte modalități de a demonstra existența moleculelor, dar nu este nevoie să le enumerați: aparate moderne (microscop electronic, proiector de ioni) vă permit să vedeți atomi și molecule individuali.

Forțele de interacțiune moleculară. a) interacțiunea este de natură electromagnetică; b) forțele cu rază scurtă sunt detectate la distanțe comparabile cu dimensiunea moleculelor; c) există o astfel de distanță când forțele de atracție și de repulsie sunt egale (R 0), dacă R>R 0, atunci forțele de atracție prevalează, dacă R

Acțiunea forțelor de atractivitate moleculară este dezvăluită într-un experiment cu cilindrii de plumb lipiți împreună după curățarea suprafețelor lor.

Molecule și atomi în solid efectuează oscilații aleatorii în raport cu pozițiile în care forțele de atracție și repulsie de la atomii vecini sunt echilibrate. ÎN lichide moleculele nu numai că oscilează în jurul poziției de echilibru, dar fac și salturi dintr-o poziție de echilibru în alta; aceste salturi de molecule sunt motivul fluidității unui lichid, a capacității sale de a lua forma unui vas. ÎN gazele de obicei, distanțele dintre atomi și molecule sunt în medie mult mai mari decât dimensiunile moleculelor; forțele de respingere nu acționează pe distanțe mari, astfel încât gazele sunt ușor comprimate; Practic nu există forțe atractive între moleculele de gaz, prin urmare gazele au proprietatea de a se extinde la infinit.

Masa și dimensiunea moleculelor. constanta lui Avogadro:

Prin urmare, orice substanță constă din particule cantitate de substanță este considerat proporțional cu numărul de particule. Unitatea de măsură a unei substanțe este cârtiță . Cârtiță egală cu cantitatea de substanță dintr-un sistem care conține același număr de particule cât există atomi în 0,012 kg de carbon.

Se numește raportul dintre numărul de molecule și cantitatea de substanță constanta lui Avogadro:

Constanta lui Avogadro este

Cantitatea unei substanțe poate fi găsită ca raport dintre numărul de atomi sau molecule ale substanței și constanta lui Avogadro:

Masă molară este o cantitate egală cu raportul dintre masa unei substanțe și cantitatea de substanță:

Masa molară poate fi exprimată în termeni de masa moleculei:

Pentru determinare mase moleculare trebuie să împărțiți masa unei substanțe la numărul de molecule din ea:

Mișcarea browniană:

Mișcarea browniană– mișcarea termică a particulelor suspendate într-un gaz sau lichid. Botanistul englez Robert Brown (1773 - 1858) a descoperit în 1827 mișcarea aleatorie a particulelor solide vizibile la microscop într-un lichid. Acest fenomen a fost numit mișcare browniană. Această mișcare nu se oprește; odată cu creșterea temperaturii, intensitatea acesteia crește. Mișcarea browniană este rezultatul fluctuațiilor de presiune (o abatere vizibilă de la valoarea medie).

Motivul mișcării browniene a unei particule este că impactul moleculelor lichide asupra particulei nu se anulează reciproc.

Gaz ideal:

Într-un gaz rarefiat, distanța dintre molecule este de multe ori mai mare decât dimensiunea lor. În acest caz, interacțiunea dintre molecule este neglijabilă, iar energia cinetică a moleculelor este mult mai mare decât energia potențială a interacțiunii lor.

Pentru a explica proprietățile unei substanțe în stare gazoasă, în loc de un gaz real, se folosește modelul său fizic - un gaz ideal. Modelul presupune:

Distanța dintre molecule este puțin mai mare decât diametrul lor;

Moleculele sunt bile elastice;

Nu există forțe atractive între molecule;

Când moleculele se ciocnesc între ele și cu pereții vasului, acționează forțele de respingere;

Mișcarea moleculelor respectă legile mecanicii.

Ecuația de bază a MKT a unui gaz ideal:

Ecuația de bază MCT permite să se calculeze presiunea gazului dacă se cunosc masa moleculei, valoarea medie a pătratului vitezei și concentrația moleculelor.

Presiunea ideală a gazului constă în faptul că moleculele, atunci când se ciocnesc de pereții unui vas, interacționează cu acestea conform legilor mecanicii ca corpuri elastice. Când o moleculă se ciocnește de peretele unui vas, proiecția vectorului viteză v x viteză pe axa OX, perpendiculară pe perete, își schimbă semnul în sens opus, dar rămâne constantă ca mărime. Prin urmare, ca urmare a ciocnirii unei molecule cu un perete, proiecția impulsului său pe axa OX se schimbă de la mv 1x = -mv x la mv 2x = mv x. O modificare a impulsului unei molecule la ciocnirea cu un perete este cauzată de o forță F 1 care acționează asupra acesteia dinspre partea laterală a peretelui. Modificarea impulsului moleculei este egală cu impulsul acestei forțe:

În timpul unei coliziuni, conform celei de-a treia legi a lui Newton, molecula acționează asupra peretelui cu o forță F 2, egală ca mărime cu forța F 1 și direcționată opus.

Există multe molecule și fiecare transferă același impuls către perete la ciocnire. Într-o secundă transmit impuls

Având în vedere că nu toate moleculele au aceeași viteză, forța care acționează asupra peretelui va fi proporțională cu pătratul mediu al vitezei. Deoarece moleculele se mișcă în toate direcțiile, valorile medii ale pătratelor vitezelor proiectate sunt egale. Prin urmare, pătratul mediu al proiecției vitezei este:

Indicând valoarea medie a energiei cinetice a mișcării de translație a moleculelor de gaz ideal:

Temperatura și măsurarea acesteia:

Ecuația de bază MKT pentru un gaz ideal stabilește o legătură între un parametru macroscopic ușor de măsurat - presiunea - și parametri microscopici ai gazului, cum ar fi energia cinetică medie și concentrația moleculară. Dar măsurând doar presiunea, nu putem afla nici energia cinetică medie a moleculelor individuale, nici concentrația lor. În consecință, pentru a găsi parametrii microscopici ai unui gaz, sunt necesare măsurători ale unei alte mărimi fizice legate de energia cinetică medie a moleculelor. Această cantitate este temperatura .

Orice corp macroscopic sau grup de corpuri macroscopice, în condiții externe constante, trece spontan într-o stare de echilibru termic. Echilibru termic - Aceasta este o stare în care toți parametrii macroscopici rămân neschimbați atât timp cât se dorește.

Temperatura caracterizează starea de echilibru termic a unui sistem de corpuri: toate corpurile sistemului care sunt în echilibru termic între ele au aceeași temperatură .

Pentru a măsura temperatura, puteți utiliza modificarea în orice mărime macroscopică în funcție de temperatură: volum, presiune, rezistență electrică etc.

Cel mai adesea, în practică, se utilizează dependența volumului de lichid (mercur sau alcool) de temperatură. La calibrarea unui termometru, temperatura gheții de topire este de obicei luată ca punct de referință (0); al doilea punct constant (100) este considerat punctul de fierbere al apei la presiunea atmosferică normală (scara Celsius). Deoarece diferitele lichide se extind diferit atunci când sunt încălzite, scara astfel stabilită va depinde într-o oarecare măsură de proprietățile lichidului în cauză. Desigur, 0 și 100°C vor coincide pentru toate termometrele, dar 50°C nu vor coincide.

Citiți mai multe în articolul Fizica statistică

Metoda statistica Studiul fenomenelor fizice se bazează pe modelarea structurii interne a materiei. Mediul este considerat ca un anumit sistem fizic format dintr-un număr mare de molecule (atomi) cu proprietăți date. Determinarea caracteristicilor și modelelor macroscopice pe baza proprietăților microscopice date ale mediului este sarcina principală a acestei metode.
Astfel, pentru un set de molecule care se mișcă haotic, se pot găsi anumite valori ale vitezei, energiei și impulsului care sunt inerente majorității moleculelor. Astfel de valori sunt numite cele mai probabile. Este posibil să se determine valorile medii ale vitezei moleculelor, energia lor, calea liberă a moleculelor etc., care sunt caracteristici ale mișcării unui set de molecule. Folosind aceste caracteristici, este posibil să se determine astfel de parametri ai unui sistem macroscopic precum presiunea, temperatura absolută etc.
Metoda statistică permite stabilirea unor modele în haosul imaginar al fenomenelor aleatorii care sunt justificate pentru întregul ansamblu de fenomene, și nu pentru fiecare element separat, ca într-un model dinamic. Relațiile stabilite în acest fel se numesc tipare statistice.
Aceste regularități își pierd sensul odată cu trecerea la sisteme cu un număr mic de particule.
Metoda termodinamică
O metodă de descriere a unui proces care nu ia în considerare structura microscopică a unei substanțe, ci o consideră ca un mediu continuu, se numește termodinamic.
Metoda fenomenologică ne permite să stabilim relaţii generale între parametrii care caracterizează fenomenele în ansamblu. Legile fenomenologice sunt de natură foarte generală, iar rolul unui mediu specific este luat în considerare prin utilizarea coeficienților care sunt determinați direct din experiență. Folosind această metodă, în special, au fost stabilite legile gazelor ideale și reale.
Metoda cercetării fenomenologice este utilizată în termodinamică - o ramură a fizicii care, pentru diferite fenomene naturale asociate cu efecte termice, studiază condiţiile de transformare a energiei de la un tip la altul şi caracterizează cantitativ aceste transformări. Termodinamica se bazează pe trei legi fundamentale, stabilite pe baza unei generalizări a unui număr mare de observații și experimente pe corpuri (macroscopice) destul de mari.
Utilizarea metodei fenomenologice în ingineria termică, dinamica gazelor, rachetarea etc. s-a dovedit a fi deosebit de eficientă.
Având în vedere proprietățile corpurilor și modificările lor din două poziții diferite - microscopic și macroscopic, fizica moleculară și termodinamica se completează reciproc.
Realizările fizicii moleculare sunt utilizate pe scară largă în alte științe ale naturii. În special, dezvoltarea chimiei și a biologiei este indisolubil legată de succesele sale. În procesul de dezvoltare, în fizica moleculară au apărut secțiuni independente, de exemplu: chimie fizică, cinetică fizică, biologie moleculară, fizica stării solide.
Conceptele de bază ale fizicii moleculare sunt utilizate în unele domenii speciale ale științei, în special, în fizica metalelor, polimerilor și plasmei, fizica cristalelor și mecanica fizică și chimică.
Fizica moleculară este baza științifică a științei materialelor moderne, tehnologiei vacuumului, metalurgiei pulberilor, tehnologiei de refrigerare etc.
Un succes semnificativ al fizicii moderne a fost sinteza de artificial diamantîn și alte materiale superdure.
Realizările în fizica moleculară și termodinamică formează baza pentru crearea de motoare termice moderne, dispozitive de refrigerare pentru lichefierea gazelor, producția chimică și alimentară; ele contribuie la dezvoltarea ulterioară a meteorologiei.