Статистичний і термодинамічний методи дослідження. Термодинамічні параметри. Рівноважний стан і процеси

Основи молекулярної фізики і термодинаміки

Молекулярна фізика і термодинаміка – розділи фізики, в яких вивчаються макроскопічні процеси в тілах, що зв’язані з великою кількістю атомів і молекул, з яких складаються тіла.

Для дослідження цих процесів використовують два методи: статистичний(молекулярно-кінетичний) і термодина­мічний.

Молекулярна фізика вивчає будову і властивості речовини в різних агрегатних станах – твердому, рідкому та газоподібному, виходячи з молекулярно-кіне­тичних уявлень про те, що всі тіла складаються з атомів і молекул, які перебувають у неперервному тепловому русі.

Безпосереднім дослідним підтвердженням справедливості молекулярно-кінетичної теорії є дифузія, броунівський рух.

Молекулярно-кінетична теорія має на меті пояснити властивості тіл, що безпосередньо спостерігаються на досліді (тиск, температуру тощо), як сумарний ефект дії молекул.

Властивості величезного скупчення молекул, що утворюють тіло, підлягають особливим статистичним закономірностям і їх можна вивчити за допомогою статис­тичного методу, який ґрунтується на тому, що властивості макроскопічної системи визначаються властивостями частинок системи, особливостями їх руху і усередненими значеннями динамічних характеристик цих частинок (швидкості, енергії тощо).

Існує певний якісний і кількісний зв’язок між властивостями сукупності молекул і середніми значеннями тих фізичних властивостей, які характеризують поведінку та властивості кожної молекули окремо. Наприклад, температура газу пов’язана із середнім значенням кінетичної енергії молекул. Для встановлення цього зв’язку не потрібно точно знати положення або швидкість кожної молекули, а досить знати їх ймовірні значення.

Введення середніх значень величин у молекулярній фізиці зумовлене не лише тим, що не можна стежити за рухом кожної молекули окремо через велику їх кількість, а й тим, що сукупність величезної кількості молекул дає нові властивості, яких немає в кожної молекули окремо і підлягає новим статистичним законам. У сучасній фізиці статистичний метод використовується у формі класичної і квантової статистик.

Термодинаміка – розділ фізики, що вивчає загальні властивості макроскопічних систем, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, і процеси переходу між цими станами.

На основі термодинамічного методу вивчаються умови перетворення
енергії з одного виду в інший і ті самі перетворення з кількісного боку. В основі термодинаміки лежать три експеримен­тально встановлені закони, які називають першим, другим і третім законами термодинаміки. Термодинаміка не досліджує мікроскопічної будови речовини, механізм явищ, а лише встановлює зв’язок між макроскопічними властивостями речовини.

Термодинамічною системою називається всяка фізична система, яка складається з великого числа частинок – атомів, молекул, які здійснюють невпорядкований тепловий рух і, взаємодіючи між собою, обмінюються енергією.

Стан системи задається термодинамічними параметрами – сукупністю фізичних величин, що характеризують властивості термодинамічної системи.

Найважливіші параметри стану хімічно однорідної системи – об’єм , тиск і температура Т. Між цими трьома основними параметрами стану існує зв’язок, що називається рівнянням стану:

.

Стан термодинамічної системи називається стаціонарним, якщо значення всіх термодинамічних параметрів системи не змінюються з часом. Стаціонарний стан системи називається рівноважним, якщо його незмінність у часі не зумовлена перебігом яких-небудь процесів у тілах, які
зовнішні відносно системи.

Для газу, який знаходиться в якійсь посудині, рівноважним є стан, в якому
температура, тиск і густина в межах об’єму газу всюди однакові.

Будь-яка зміна в термодинамічній системі, яка зв’язана із зміною хоча би одного з його термодинамічних параметрів, називається термодинамічним процесом.

Рівноважними називаються такі процеси, під час яких зміна стану тіла відбувається дуже повільно, фактично нескін­ченно повільно, і при цих процесах система проходить неперервний ряд нескінченно близьких рівноважних термодинамічних станів.

Усі реальні процеси відбуваються із скінченою швидкістю і тому нерівноважні.

У молекулярно-кінетичній теорії газів користуються моделлю ідеального газу, що задовольняє такі умови:

власний об’єм молекул газу нехтовно малий порівняно з об’ємом посудини;

між молекулами газу відсутні сили взаємодії;

зіткнення молекул газу між собою і з стінками посудини абсолютно пружні.

Модель ідеального газу можна використати, вивчаючи реальні гази, оскільки вони при умовах, близьких до нормальних, а також при низьких тисках і високих температурах близькі за своїми властивостями до ідеального газу.

Дослідним шляхом було встановлено цілий ряд законів, які описують пове­дінку ідеальних газів.

Закон Бойля-Маріотта: для даної маси газу при сталій температурі добуток тиску газу на його об’єм є величина стала:

або .

Процес, що протікає при сталій тем­пературі, називається ізотермічним.

Закон Гей-Люсаака: об’єм даної маси газу при сталому тиску змінюється лінійно з температурою:

де - об’єм при 0°С, t – температура за шкалою Цельсія, - коефіцієнт.

Процес, що протікає при сталому тиску, називається ізобарним.

Закон Шарля: тиск даної маси газу при сталому об’ємі змінюється лінійно з температурою:

де - тиск газу при 0°С.

Процес, який протікає при сталому об’ємі, називається ізохорним.

Вводячи термодинамічну температуру , законам Гей-Люсаака і Шарля можна надати такий вигляд:

,

або у випадку ізобарного процесу

і ,

і ізохорного процесу

і .

У молекулярній фізиці вводиться одиниця кількості речовини моль. Один моль – кількість речовини, яка вміщує стільки структурних елементів, скільки є атомів у 0,012 кг ізотопу вуглецю .

В одному молі різних речовин міститься одна і та ж число молекул, яка називається сталою Авогадро:

.

Закон Авогадро: молі різних газів при однакових температурі і тиску займають однакові об’єми.

При нормальних умовах

(Т=273,15 K, р=1,0132· )

один моль будь-якого газу займає об’єм 22,415 .

Закон Дальтона тиск суміші іде­альних газів дорівнює сумі парціальних тисків її компонент.

,

де парціальні тиски – це тиск компоненти газу коли б він один займав увесь об’єм, який займає вся суміш.

Рівняння Клапейрона: для деякої маси газу при довільній зміні об’єму й
температури тиск змінюватиметься так, що відношення добутку тиску на об’єм до абсолютної температури дорівнюватиме деякій сталій величині:

і .

Рівняння Клапейрона-Менделєєва:

де об’єм моля газу (молярний об’єм), – універсальна газова стала.

Для довільної маси газу m рівняння Клапейрона-Менделєєва має такий вигляд:

, ,

де μ; – молярна маса газу, ν; – число молів газу.