Молекулярная физика

1. Основные понятия.
1.1. Тепловое движение, термодинамические системы, молярная масса.
Все тела в природе состоят из частиц – атомов или молекул. Эти частицы движутся, и их движение подчиняется законам механики (классической или квантовой). Поэтому для строгого описания их движения можно было бы для каждой частицы написать второй закон Ньютона и решить получившуюся систему уравнений.
Progr D: Progr E: Progr F: Progr G: Progr H:

Невозможность детального описания поведения молекул.
Однако число частиц в реальных телах равно около 1026 штук, и число уравнений Ньютона было бы того же порядка. Решить такую систему уравнений нельзя даже в принципе. Поэтому для описания систем из большого числа частиц, таких как реальные тела, используют энергетический способ.

Хаотичность движения молекул.
Это означает, что изначально отказываются от необходимости детально описать движение каждой частицы, а лишь найти энергии этих частиц, да и то не каждой, а лишь среднюю энергию. Благодаря большому числу частиц, их движение приобретает качественно новое свойство, не изучаемое в механике – оно становится абсолютно беспорядочным, хаотическим.
Progr D: Progr E: Progr F: Progr G: Progr H:

Термодинамическая система.
Определение. Беспорядочное, хаотическое движение частиц реальных тел называется тепловым движением.
Определение. Часть физики, изучающая тепловое движение называется термодинамикой.
Определение. Любая система, свойства которой определяются тепловым движением, называется термодинамической системой.

Количество вещества.
Поведение т.д.с. зависит в первую очередь от количества вещества, т.е. от количества частиц в системе. Единицей измерения количества вещества можно было бы выбрать одну частицу, но это слишком малая единица, и пришлось бы использовать в уравнениях числа с большими порядками.

Единица измерения количества вещества.

Формула количества вещества.

Молярная масса.

1.2. Термодинамические параметры. Уравнение состояния ТДС.
Определение. Параметры, описывающие состояние термодинамической системы, называются термодинамическими параметрами.

Средняя кинетическая энергия молекул

Абсолютная температура.

Постоянная Больцмана.

Давление.

Объём ТДС.
На поведение термодинамической системы оказывает влияние и объём пространства, который она занимает. Таким образом, температура, давление и объём – основные параметры, описывающие поведение термодинамической системы.

Термодинамическое равновесие.
Характерной особенностью всех термодинамических систем является тот факт, что представленные самим себе они всегда стремятся к т.н. термодинамическому равновесию.
Определение. Говорят, что термодинамическая система находится в состоянии термодинамического равновесия, если все её термодинамические параметры в отсутствии внешнего воздействия остаются постоянными сколь угодно долго.
Progr D: Progr E: Progr F: Progr G: Progr H:

Термодинамика неравновесных процессов.
Если термодинамическая система не находится в равновесии, её параметры могут иметь разные значения в разных точках. Такие состояния изучает термодинамика неравновесных процессов.

Связь между термодинамическими параметрами.
Разным равновесным состояниям системы отвечают, вообще говоря, разные параметры. Однако, изменяться параметры не могут независимо. Изменение одних параметров обязательно приводит к соответствующему изменению других. С математической точки зрения это означает, что между параметрами, описывающими одну и ту же термодинамическую систему существует функциональную связь.

Уравнение состояния ТДС

Уравнения состояний в явном виде.

Термодинамический процесс.
Определение. Говорят, что система находится в термодинамическом процессе, если не все её параметры остаются с течением времени постоянными.
Протекание процесса, кроме уравнения состояния ТДС, подчиняется некоторому дополнительному условию, называемому условием процесса.
Определение.
Уравнение состояния ТДС при выполнении условия процесса называется уравнением процесса.

Примеры процессов.

Дифференциал параметра.

Связь частных производных термодинамических параметров друг по другу.

2. Основы термодинамики. Газовые законы.
2.1. Основное уравнение МКТ.
Определение температуры через среднюю кинетическую энергию молекул требует знания кинетической энергии молекул, что непосредственным измерением сделать нельзя. Поэтому такое определение было бы бесполезно, если бы не было возможности косвенно определять кинетическую энергию молекул через макроскопические параметры систем. А именно, средняя кинетическая энергия молекул связана, как оказывается, с давлением.

Удары молекул о стенки сосуда.

Импульс, переданный стенке.

Сила, действующая на стенку.

Давление, оказываемое на стенку.

Основное уравнение МКТ.

Проверка основного уравнения МКТ
Progr D: Progr E: Progr F: Progr G: Progr H:

2.2. Законы идеального газа.
Определение. Идеальным газом называется газ, частицы которого представляют собой материальные точки и взаимодействуют между собой только в момент столкновения.

Связь давления с температурой.

Проверка
Progr D: Progr E: Progr F: Progr G: Progr H:

Связь давления, объёма и температуры.

Универсальная газовая постоянная.

Уравнение Менделеева-Клапейрона.

Проверка уравнения Менделеева-Клапейрона.
Progr D: Progr E: Progr F: Progr G: Progr H:

Изопроцессы.
Из него следуют уравнения всех основных изопроцессов идеального газа.
Определение. Изопроцессами называются такие процессы, при которых один из термодинамических параметров остаётся неизменным.

Уравнение Гей-Люссака или изобарический процесс.

Проверка закона Гей-Люссака
Progr D: Progr E: Progr F: Progr G: Progr H:

Один из способов измерения температуры.
Этот процесс называется изобарическим или законом Гей-Люссака. Графиком этой зависимости является прямая линия. Из этого закона следует, что при объём газа тоже должен стать равным нулю.
На этом равенстве основан один из самых распространённых способов измерения температуры. Достаточно померить объём газа и по уравнению Гей-Люссака можно найти температуру.

Закон Шарля, изохорический процесс.

Проверка закона Шарля.
Progr D: Progr E: Progr F: Progr G: Progr H:

Изотермический процесс, закон Бойля-Мариотта.