Основные положения молекулярно-кинетической теории
Министерство образования Республики Беларусь
Белорусский национальный технический университет
Кафедра «Техническая физика»
ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНой ФИЗИКи
Пособие по физике для студентов дневной и заочной формы обучения
Электронное учебное издание
Минск 2009
Составители: В.И. Кудин, В.А. Мартинович
Рецензенты: В.Р. Соболь, д.ф.-м.н., зав. кафедрой физики
БГАТУ;
А.А. Баранов, кафедра физики, БНТУ
В пособии рассмотрены основы молекулярной физики, приведены элементы классической и квантовой статистической физики в объеме, необходимом для изложения других разделов курса общей физики. В качестве примера применения квантовой статистики рассматривается внутренняя энергия кристаллического твердого тела. Материал изложен в объеме программы курса физики для технического университета и окажет помощь студентам в освоении лекционного курса, а также в подготовке к выполнению лабораторных работ физического практикума по данному разделу физики.
Ó БНТУ, 2009
Ó В.И. Кудин, В.А. Мартинович
Оглавление
1. Статистический и термодинамический методы изучения вещества 4
Основные положения молекулярно-кинетической теории. 4
Масса и размеры молекул. 4
Термодинамические параметры. Уравнение состояния идеального газа. 5
Основное уравнение молекулярно–кинетической теории газов. 7
Внутренняя энергия идеального газа. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул газа. 9
2. Основы статистической физики 12
Максвелловское распределение молекул по скоростям и энергиям.. 12
Характерные скорости молекул идеального газа. 16
Экспериментальная проверка распределения Максвелла. 17
Опыт Штерна (1920 г.) 18
Опыт Истермана. 18
Распределение Больцмана молекул по потенциальным энергиям.. 19
3. Элементы квантовой статистики 21
Квантовое состояние. Плотность числа квантовых состояний. 21
Принцип тождественности. Фермионы и бозоны.. 25
Распределение частиц по квантовым состояниям. Виды квантовых статистик. 26
4. Внутренняя энергия твердого тела 30
Пределы применимости классической теории твердого тела. 30
Фононы. Статистические свойства фононного газа. 31
Внутренняя энергия и теплоемкость кристалла. Закон Дебая. 33
Литература. 35
1. Статистический и термодинамический методы изучения вещества
Существует два метода изучения свойств вещества: молекулярно-кинетический и термодинамический.
Молекулярно-кинетическая теория истолковывает свойства вещества, которые непосредственно наблюдаются на опыте (давление, температуру и т.п.), как суммарный результат действия молекул. При этом она пользуется статистическим методом, интересуясь не движением отдельных молекул, а лишь средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое её название – статистическая физика.
Термодинамика изучает макроскопические свойства вещества, не интересуясь их микроскопической картиной. В основе термодинамики лежит несколько фундаментальных законов (называемых началами термодинамики), установленных на основании обобщения большой совокупности опытных фактов. Термодинамика и молекулярно-кинетическая теория взаимно дополняют друг друга, образуя по существу единое целое.
Основные положения молекулярно-кинетической теории
1. Все вещества состоят из мельчайших частиц - атомов и молекул.
2. Молекулы и атомы любого вещества находятся в непрерывном хаотическом движении, которое называется тепловым движением. При нагревании вещества интенсивность движения частиц увеличивается.
3. Молекулы вещества взаимодействуют между собой с силами притяжения Fпр и отталкивания Fот (см. рис. 1.1).
 Рис. 1.1 |
r = r0 , Fот = Fпр ,
r < r0 , Fот > Fпр ,
r > r0 , Fот < Fпр ,
r ® ¥ , F ® 0.
Характер движения молекул зависит от агрегатного состояния вещества.
Движение молекул газов сводится к хаотическому движению.
Скорость молекул газов зависит от температуры.
Одним из доказательств существования хаотического движения молекул служит броуновское движение. Это явление заключается в том, что очень малые (видимые только в микроскоп) взвешенные в жидкости частицы всегда находятся в состоянии непрерывного беспорядочного движения, которое не зависит от внешних причин и оказывается проявлением внутреннего движения молекул вещества. Броуновские частицы совершают движение под влиянием беспорядочных ударов молекул.