Всякое вещество состоит из частиц

Часть 2. ОСНОВЫ УЧЕНИЯ О КЛИМАТЕ И МИКРОКЛИМАТЕ

Тема 4. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ

Введение

Предмет МФ и ТД

Предметом изучения молекулярной физики и термодинамики служат тепловое движение частиц вещества, явления и процессы, обусловленных тепловым движением.

Вещество состоит из огромного числа молекул, и его принято называть системой многих частиц, при этом можно считать, что каждая частица движется по законам классической механики Ньютона.

Состояние системы частиц характеризуется физическими величинами, называемыми параметрами состояния системы.

Одно и то же вещество может находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии.

Агрегатные состояния вещества

Газы обладают:

- малыми плотностью, вязкостью (внутренним трением) и теплопроводностью,

- значительной сжимаемостью,

- большой скоростью диффузии,

- способностью занимать любой объем, который им предоставлен,

- отсутствием структуры (наличием лишь хаотически «кочующих» частиц).

Жидкости обладают:

- большими плотностью, вязкостью и теплопроводностью (по сравнению с газом),

- малой сжимаемостью,

- способностью образовывать поверхностный слой, в котором возникают поверхностные силы, обеспечивающие капиллярные явления, смачиваемость, возможность отделить жидкую фазу вещества от газообразной или твёрдой,

- структурой типа «ближний порядок» (атомы или молекулы в любом очень малом объёме размером порядка 3 - 4 межатомных расстояний являются «осёдлыми» и колеблются около равновесных положений, т. е. сгруппированы типа микроскопического кристаллика, но в отличие от действительных кристалликов группы частиц жидкости имеют симметрию 5-го порядка),

- способностью любой «осёдлой» частицы превращаться в «кочующую» (случайным образом покидать равновесное положение и скачкообразно перемещаться на несколько межатомных расстояний, превращаясь затем вновь в «осёдлую»).

Твёрдые тела обладают:

- очень большими плотностью, вязкостью и теплопроводностью,

- очень малой сжимаемостью,

- способностью иметь собственный объём и размеры (благодаря чему в сознании людей сформировалось представление о пространстве и геометрических образах, теория измерения пространства),

- свойствами ковкости, твёрдости, пластичности, упругости и пр., которые обусловлены структурой тела,

- структурой не только типа «ближний порядок» (в аморфных твёрдых телах), но и типа «дальний порядок» (в кристаллических телах с регулярным повторением элементарных ячеек Бравé),

- анизотропией (неодинаковостью физических свойств в различных направлениях),

- определенным набором элементов симметрии.

 Основные методы изучения вещества

• Статистический,  в основе которого молекулярно-кинетическая теория (МКТ) строения вещества и математическая теория вероятностей; состояние вещества описывается с помощью микропараметров – физических величин, характеризующих движение отдельной частицы вещества.

• Термодинамический, в основе которого «начала термодинамики» и математическая теория дифференциального и интегрального исчисления; состояние вещества описывается с помощью макропараметров – физических величин, характеризующих всю систему в целом.

Физические модели в МФ и ТД

Объект ли процесс заменяют какой-либо моделью:

• "идеальный газ" – газ при температуре порядка комнатной (~300 К) и давлении порядка атмосферного (~10⁵ Па), состоящий из одноатомных молекул, которые можно считать невзаимодействующими материальными точками;

• "идеальная жидкость" – несжимаемая и невязкая жидкость;

• "идеальный кристалл" – твёрдое тело, кристаллическая решётка которого не имеет дефектов.

Молекулярно-кинетическая теория

Основные утверждения МКТ

Всякое вещество состоит из частиц

Масса вещества равна сумме масс частиц (молекул, атомов).

Масса частицы очень мала

Поэтому используют величину молярной массы, т. е. массы одного моля вещества. Она пропорциональна сумме относительных масс атомов в молекуле (указаны в таблице Менделеева):

Количество вещества равно отношению числа частиц к числу Авогадро

В одном моле содержится число Авогадро частиц.

Если частицы считать «упругими шариками», то их размер описывают величиной эффективныйдиаметр, т. е. реальный диаметр совместно с частью пространства, которое при столкновении частиц недоступно из-за сил отталкивания. Иначе, эффективный диаметр - это минимальное расстояние, на которое могут сблизиться центры частиц при столкновении (рис.)