Раздел 2. Молекулярная физика

Молекулярная физика – раздел физики, изучающий строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений. Молекулярная физика построена как теория по методу модельных представлений. Основной моделью молекулярной физики является модель идеального газа.

Некоторые понятия молекулярной физики и термодинамики общие, но имеют в этих теориях разный смысл.

Идеальный газ – газ, обладающий свойствами:

1) собственный объём молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объёмом сосуда,

2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия,

3) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.

Основные положения молекулярно-кинетической теории (имеют экспериментальное подтверждение):

1) все вещества состоят из частиц, между которыми имеются промежутки,

2) частицы находятся в непрерывном тепловом хаотическом движении.

3) между частицами существуют силы взаимодействия.

Внутренняя энергия - энергия хаотического движения микрочастиц системы и энергия взаимодействия этих частиц

Температура - мера средней кинетической энергии молекул. Характеризует интенсивность теплового движения.

Движение молекул идеального газа характеризуется скоростью, кинетической энергией поступательно движения, длиной свободного пробега (расстоянием, которое проходит молекула между двумя последующими столкновениями). Масса одной молекулы m.

Для описания газа в целом используются и макро характеристики: температура T, давление p, объём V.

Для описания идеального газа состоящего из N частиц, находящихся в объёме V, вводятся усреднённые характеристики:

1) средняя квадратичная скорость, характеризующая всю совокупность молекул газа: ,

где m₀ - масса молекулы, k = = 1,38*10^-23Дж/К – постоянная Больцмана, N_A = 6,022*10²³ моль^-1 – постоянная Авогадро, υ_1, υ_2,… υ_i – скорости молекул.

2) средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа:

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа:

где n = - концентрация молекул.

В газе, находящемся в состоянии равновесия, устанавливается некоторое стационарное, не меняющееся со временем распределение молекул по скоростям. Для большого числа тождественных частиц (например, молекулы идеального газа) законы движения классической механики не применимы (им подчиняются только отдельно взятые частицы), но выполняются статистические законы. Математическим аппаратом статистического метода является теория вероятностей.

Максвелл теоретически получил выражение для функции распределения молекул идеального газа по скоростям:

.

Наиболее вероятной скоростью называется скорость, при которой функции распределения молекул по скоростям максимальная. Наиболее вероятная скорость может быть вычислена по формуле:

Значение функции распределения для заданного значения скорости v – вероятность того факта, что частица системы имеет это значение скорости. Вероятность того факта, что частица имеет какое-то значение скорости в интервале от 0 до бесконечности, равна 1. Это событие достоверное:

Статистические закономерности не менее строги чем классические. Каждый из этих видов закономерностей имеет свои границы применимости.

Функция распределения по энергиям теплового движения:

Барометрическая формула позволяет определить давление p на высоте h:

При выводе формулы учитывается, что молекулы находятся в поле тяготения Земли.

Статистические закономерности господствуют при большом количестве однотипных частиц и имеют широкое применение в квантовой физике.