Исходные понятия и определения

ВВЕДЕНИЕ

úsus mаgίster est optimus.

Опыт –лучший учитель

(Цицерон)

Современная физика содержит огромное количество теоретических сведений о нашем мире. Подавляющее большинство этих сведений получают из многочисленных экспериментов в результате их обобщения. В некоторых случаях роль проводимых экспериментов состоит только в подтверждении выдвинутых гипотез и предположений. В любом случае значимость физического опыта трудно переоценить, поскольку он, безусловно, является для нас единственныммерилом понимания окружающего мира.

В учебном процессе проведение опытов (выполнение лабораторных работ) является весьма важным элементом обучения, позволяющим лучше усвоить и запомнить основные законы природы, для дальнейшего осознанного использования полученных знаний на практике.

Выполнение описанных в пособии лабораторных работ по молекулярной физике и термодинамике позволяет глубже разобраться в ряде процессов, относящихся к газам и жидкостям.

Особенностью многих физических экспериментов в данном разделе физики является отсутствие возможности быстро и просто провести прямые измерения некоторых физических величин. К таким величинам, например, можно отнести показатель адиабаты, энтропию, вязкость, коэффициент теплопроводности и др. В этих случаях роль эксперимента усиливается, касаясь уже не только возможности прямого измерения исследуемых величин, но и выявление их физического смысла.

Данное пособие соответствует содержанию профессиональной программы по курсу «Общая физика» для инженерных специальностей технических вузов и состоит из теоретической части, позволяющей студентам найти ответы на контрольные вопросы, и экспериментальной части (лабораторных работ по молекулярной физике и термодинамике). В пособии имеется достаточно большое количество иллюстраций, обеспечивающих активное и прочное усвоение изложенного материала.

В приложении к основному тексту пособия приведены необходимые справочные данные.

Молекулярно-кинетическая теория

Идеальных газов

Исходные понятия и определения

молекулярной физики и термодинамики

Молекулярная физика – это раздел физики, в котором изучают структуру, свойства и агрегатное состояние веществ, исходя из молекулярно-кинетических представлений об их природе. Согласно этим представлениям все вещества состоят из атомов, молекул или ионов, которые находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении.

В молекулярной физике используют два различных, но дополняющих друг друга метода: статистический и термодинамический. Первый лежит в основе молекулярно-кинетической теории газов и основан на использовании теории вероятностей и представления изучаемого объекта в виде ²идеального газа². Все процессы, происходящие в макроскопической системе, и ее свойства объясняются как совокупный эффект от взаимодействия большого числа микрочастиц (атомов или молекул). Поэтому молекулярно-кинетическую теорию называют еще и статистической физикой.

Термодинамический метод, в отличие от статистического, не рассматривает внутреннее строение изучаемых объектов и не изучает характер движения отдельных микрочастиц. он основан на анализе условий и закономерностей превращения различных видов энергии исследуемой системы при ее переходе из одного состояния в другое.

Прежде чем перейти к рассмотрению основ молекулярной физики необходимо дать несколько определений.

Термодинамическая система – это мысленно выделенная совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой так и с внешней средой.

Состояние системы задаетсятермодинамическими параметрами (параметрами состояния)–совокупностью физических величин, которые характеризуют свойства системы: удельный объем (v), давление (p), температура(Т).

Удельный объемv - это объем единицы массы, когда тело однородно, то есть его плотность r = const:

.

Поскольку при постоянной массе удельный объем пропорционален общему объему, то макроскопические свойства однородного тела можно характеризовать объемом тела.

Давлением называется физическая величина

,

где dF_n – это модуль нормальной силы, действующий на малый участок поверхности тела.

Температура– это физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. под равновесным состоянием понимают такое состояние термодинамической системы, при котором термодинамические параметры не меняются во времени.

В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам с 1960 г. можно применять только две температурные шкалы – термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°С). В международной практической шкале в качестве реперных точек принята температура замерзания и кипения воды при давлении 1,013×10⁵ Па. Термодинамическая температурная шкала определяется по одной реперной точке – это тройная точка воды – температура, при которой лед, вода и насыщенный пар при давлении 609 Па находятся в термодинамическом равновесии. Температура замерзания воды равна 273,15К. Термодинамическая температура Т и температура по Международной практической шкале t связаны соотношением:

Т = 273,15 + t.

Температура Т = 0 называется нулем Кельвина. Нормальными условиями (н.у.) принято считать температуру Т₀ = 273,15 К и давление р₀= 1,013×10⁵ Па.

Параметры состояния системы могут изменяться. Любое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее термодинамических параметров, называют термодинамическим процессом.

В молекулярной физике массы атомов и молекул принято характеризовать не их абсолютными значениями, например в кг, а относительными безразмерными величинами - атомной (А_r) и молекулярной (М_r) массами. В качестве атомной единицы массы (а.е.м., m_у) принимается 1/12 массы изотопа углерода ¹²С (m_у = 1,66×10^-27 кг). Относительная молекулярная масса М_г = m₀/ m_у, где m₀- абсолютное значение массы молекулы.

В молекулярной физике также используется понятие количества вещества, которое выражается в молях. Мольравен такому количеству вещества, которое содержит столько же структурных элементов (атомов, молекул), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода ¹²С.Следовательно,1мольлюбого вещества содержит одинаковое число структурных элементов, которое называется постоянная Авогадро: .

Например, N = 10²⁵молекул водорода и N = 10²⁵молекул кислорода являются одинаковыми количествами вещества, хотя они имеют разные массы: 3,34×10^-2 кг и 0,531 кг соответственно.

В молекулярной физике используют также понятие молярная масса m, которая определяется как масса 1 моля вещества, то естьm = N_А× m₀.