Физические основы молекулярно – кинетической теории

Физические основы
молекулярно-кинетической
теории
Чужков Юрий Петрович
Доцент кафедры Физики, к.ф-м.н
Физические основы молекулярно – кинетической теории
План занятия:
1 Введение. Предмет “Молекулярная физика и термодинамика”
2 Статистическая физика и термодинамика;
3 Молекулярно – кинетическая теория идеального газа;
4 Состояние термодинамической системы;
5 Термодинамические процессы. Равновесные, обратимые, круговые;
6 Газовые законы
7 Основные термины, используемые в молекулярной физике.(атомная
единица массы, молярная масса, моль, число Авогадро).
Физические основы молекулярно – кинетической
теории
Молекулярная физика – раздел физической науки, в котором рассматриваются
зависимости агрегатных состояний и свойств тела , от их строения,
взаимодействия между частицами, из которых состоят вещества, и характера
движения частиц
Основой молекулярной физики является молекулярно – кинетическая
теория (МКТ), родоначальником которой был М.В.Ломоносов.
Основа термодинамики – фундаментальные законы, установленные
путем обобщения опытных данных
Физические основы молекулярно – кинетической теории
Агрегатные состояния вещества
Газообразное
состояние
Жидкое
Твердое
Плазма
Число молекул в 1 см3 очень велико. Например, в каждом см3 воздуха (при нормальных условиях)
содержится 2,7∙1019 молекул! Если расположить эти молекулы рядом, то получится длина, которая в 375 раз
превышает длину земного экватора! Размеры молекул ~ 3∙10-8 см. Средняя скорость движения порядка 450
Физические основы молекулярно –
м/с. За 1 с каждая молекула испытывает ~7,5 млрд столкновений.
кинетической
В газах молекулы перемещаются произвольно, хаотически (броуновское движение).Вводится понятие длина
теории
свободного пробега - расстояние, которое проходят молекулы от столкновения между собой до
столкновения.
Формула для расчета длины свободного пробега:
l 
1
2d 2 n
В твердом теле число частиц в 1 см3 примерно 1023 . Атомы совершают колебания около узлов
кристаллической решетки под действием сил притяжения и отталкивания. Атомы не могут приблизиться
до определенного расстояния и удалиться под действием сил притяжения.
В жидкости молекулы находятся в непрерывном движении, но благодаря большей плотности, чем в газах,
нет понятия длина свободного пробега
Основные положения молекулярно-кинетической теории.
1.Все тела состоят из мельчайших частиц – молекул.
(1 см3 газа содержит в среднем 1019 молекул).
2.Все
молекулы
находятся
в
состоянии
непрерывного
хаотического движения (броуновское движение).
3. Молекулы взаимодействуют между собой.
Идеальный газ – газ молекулы которого не взаимодействуют
между собой (инертные газы, воздух, Н2, О2, N2)
Физические основы молекулярно – кинетической
теории
Основное уравнение молекулярно – кинетической теории
1
P  nm  2
3
2
P  n Eпост
3
P  nkT
Eпост
3
 kT
2
Уравнение Клаузиуса
P – давление; n = N/V – концентрация частиц;
m – масса молекулы;
2
Средняя квадратичная скорость;
Eпост
Средняя энергия поступательного
движения
k-постоянная Больцмана
T - температура (К)
k = 1.38∙10-23
Дж/К
Физические основы молекулярно – кинетической
Физические основы молекулярно – кинетической
теории теории
Два метода описания свойств макросистем
Статистический метод
Термодинамический метод
Основан на использовании
теории вероятностей и
определенных моделей
строения изучаемых систем
(распределение Максвелла
распределение Больцмана)
Основан на анализе условий и
количественных соотношений
при различных превращениях
энергии происходящих в
системе (первое, второе и
третье начала термодинамики)
Статистическая физика
Термодинамика
Термодинамические параметры и процессы
Термодинамическая система – это
совокупность макроскопических тел
любой физико – химической природы
Пар
O
He
Вода
Изолированная термодинамическая система – это система,
которая не взаимодействует внешними телами
Термодинамические параметры – это
Величины, характеризующие состояние системы
Давление (Паскаль)
Объем (м3)
P
V
T
Температура (Кельвин)
Термодинамический процесс – всякое изменение термодинамической
системы, связанное с изменением хотя бы одного из ее параметров
Термодинамические параметры и процессы
Термодинамические параметры при нормальных условиях
Температура Т0 = 273К. Перевод
20 0 C  20  273  293K
t 0 C  TK
Температура абсолютного нуля -273 К
Нормальное давление (СИ) P  10 5 Па
0
(760 мм. рт. ст).
Пример перевода давления, выраженного в мм. рт. ст. в Паскаль:
720 мм . рт .ст .133,3  0 ,96 105 Па
P  PHe   PO2   PN 2 
Объем V
м3
1 литр = 10-3 м3
Закон Дальтона
He
O2
N2
Объем газа совпадает с объемом сосуда
Термодинамические параметры и процессы
2
Круговой (циклический) процесс - это процесс,
при котором система после ряда изменений
возвращается в исходное состояние
1
0
Равновесной (обратимой) называется термодинамическая
система, при которой все параметры системы имеют
определенные значения, остающиеся при неизменных
внешних условиях постоянными сколь угодно долго
Изолированные системы со временем неизбежно и самопроизвольно
переходят в равновесное состояние (состояние теплового равновесия) и
никогда из него самопроизвольно выйти не могут.
Термодинамические параметры и процессы
Релаксация – процесс перехода термодинамической системы из
неравновесного состояния в равновесное
Время релаксации – время, за которое первоначальное отклонение какой
– либо величины от равновесного значения уменьшается в е раз.
(е = 2,72) – основание натурального логарифма
Все количественные выводы термодинамики применимы только к
равновесным состояниям и обратимым процессам.
Все реальные процессы являются неравновесными и могут лишь
приближенно считаться равновесными
Термодинамические параметры и процессы
Газовые законы
1 Изотермический процесс
Закон Бойля - Мариотта
Изотермический процесс – процесс, происходящий в
физической системе при постоянной температуре
2 Изобарный процесс
T = const
Закон Гей -Люссака
Изобарный процесс – процесс, происходящий в
физической системе при постоянном давлении
P = const
Термодинамические параметры и процессы
Газовые законы
3 Изохорный процесс
Закон Шарля
Изохорный процесс – процесс, происходящий в
физической системе при постоянном объеме
4 Адиабатический (адиабатный) процесс
V = const
Q =0
Адиабатный процесс – процесс, происходящий в физической
системе без теплообмена. Адиабатическое расширение газа
вызывает его охлаждение. При адиабатическом сжатии нагревание
Физические основы МКТ
Основные термины, используемые в молекулярной
физике и термодинамике
Относительная атомная масса (Аr) химического элемента
- это отношение массы атома этого элемента к 1/12 массы
атома 12С (изотоп углерода с массовым числом 12).
Относительная молекулярная масса (Mr)- это отношение
массы молекулы этого вещества к 1/12 массы атома 12С.
Обозначается Mr. Масса молекулы: Mr  mед
Атомная единицы массы (а.е.м.). равна 1/12 массы атома 12С
Обозначается: mед . Масса атома равна: Аr  mед
Физические основы МКТ
Основные термины, используемые в молекулярной
физике и термодинамике
Моль – это количество вещества, в котором содержится число частиц, равное
числу атомов в 0,012 кг изотопа углерода 12С. Обозначается: 
Постоянная Авогадро – число частиц, содержащихся в моле вещества.
Обозначается: NA = 6.02∙1023 моль-1
Молярная масса - масса одного моля вещества. Обозначается: M ( либо )
Универсальная газовая постоянная R = 8.31 Дж /мольК
Постоянная Больцмана k = 1,38*10-23 Дж/К
K
R
NA
Примеры и задачи.
Задача 1 16
Определить массу молекулы воды, если ее молярная масса равна 18 г/ моль.
Решение:
Примеры и задачи
m = μ / NA m = 18∙10-3/ 6,02∙1023 = 3∙1026 кг
Задача 2
При неизменной концентрации молекул идеального газа средняя квадратичная скорость теплового
движения его молекул увеличилась в 4 раза, при этом давление газа…
1) увеличится в 16 раз
3) увеличится в 4 раза
2) увеличится в 2 раза
4) не изменится
Решение:
P = 2/3 ∙nm<υ2>. Откуда следует ответ 1.
Задача 3
При неизменной концентрации молекул абсолютная температура идеального газа была увеличена
в 4 раза. При этом давление газа…
1) увеличилось в 4 раза
2) Увеличилась в 2 раза
3) не изменилась
4)Уменьшилась в 4 раза
Решение:
P = nkT , откуда ответ 1
Примеры и задачи
P
1
p
Примеры и задачи
p
p
p
2
3
4
0
Рис.1
V
Какой из графиков
рис.1
соответствует
процессу,
проведенному
при постоянной
температуре газа?
<E >
<E >
k
k
<E >
k
<E >
k
Рис.2
Какой график на рис.2 правильно изображает зависимость
давления идеального газа P от средней кинетической энергии
поступательного хаотического движения молекул или
атомов?
Спасибо за внимание!