Молекулярно-кинетическая теория и термодинамика

Термодинамика

Введение

Объектом изучения в этом учебном пособии являются системы, состоящие из большого числа частиц (молекул, атомов и т.д.). Такие системы принято называть макросистемами. Именно колоссальное число частиц в системе привело к разработке двух радикально отличающихся друг от друга методов изучения макросистем – термодинамики и молекулярной физики. Термодинамический метод характеризуется своей общностью и позволяет изучать явления без знания их внутренних механизмов (и моделей). Статистический же метод позволяет понять суть явлений, установить связь поведения системы в целом с поведением и свойствами отдельных частиц. Их комбинированное применение способствует наиболее эффективному решению той или иной научной проблемы.

Итак, данное учебное пособие по курсу «Молекулярная физика» состоит из пяти глав: термодинамика, статистическая физика, явления переноса, основы физики твердых тел, аморфное и жидкое состояние вещества и явления переноса в конденсированных средах. Рассмотрены как основные классические результаты молекулярной физики, так и новые достижения в данном разделе физики. В пособии подробно обсуждаются такие основные понятия молекулярной физики, как статистический и термодинамический методы исследования макросистем, структура твердых тел и жидкостей, потоки тепла, числа частиц и импульса в газах.

Молекулярная физика представляет собой раздел физики, изучающий строение и свойства веществ на основе из так называемых молекулярно-кинетических представлений. Согласно этим представлениям любое тело – твердое, жидкое или газообразное – состоит из большого количества весьма малых обособленных частиц – молекул[1]. Молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-либо преимущественного направления движении. Его интенсивность зависит от температуры вещества.

Непосредственным доказательством существования хаотического движения молекул служит броуновское движение. Это явление заключается в том, что весьма малые (видимые только в микроскоп) взвешенные в жидкости частицы всегда находятся в состоянии непрерывного беспорядочного движения, которое не зависит от внешних причин, и оказываются проявлением внутреннего движения вещества. Броуновские частицы совершают движение под влиянием беспорядочных ударов молекул.

Молекулярно-кинетическая теория имеет цель дать трактовку свойствам тел, которые непосредственно наблюдаются на опыте (давление, температура и т. п.), как суммарный результат действия молекул. При этом она пользуется статистическим методом, интересуясь не движением отдельных молекул, а лишь такими средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое ее название – статистическая физика.

Изучением различных свойств тел и изменений состояния вещества занимается также термодинамика. Однако в отличие от молекулярно-кинетической теории термодинамика изучает макроскопические свойства тел и явлений природы, не интересуясь их микроскопической картиной. Не вводя в рассмотрение молекулы и атомы, не входя в микроскопическое рассмотрение процессов, термодинамика позволяет делать целый ряд выводов относительно их протекания.

В основе термодинамики лежит несколько фундаментальных законов (называемых началами термодинамики), установленных на основании обобщения большой совокупности опытных фактов. В силу этого выводы термодинамики имеют весьма общий характер.

Подходя к рассмотрению изменений состояния вещества с различных точек зрения, термодинамика и молекулярно-кинетическая теория взаимно дополняют друг друга, образуя по существу одно целое.

Обращаясь к истории развития молекулярно-кинетических представлений, следует, прежде всего, отметить, что представления об атомистическом строении вещества были высказаны еще древними греками. Однако у древних греков эти идеи были не более чем гениальной догадкой. В XVII в. атомистика возрождается вновь, но уже не как догадка, а как научная гипотеза. Особенное развитие эта гипотеза получила в трудах выдающегося русского ученого и мыслителя М. В. Ломоносова (1711–1765), который предпринял попытку дать единую картину всех известных в его время физических и химических явлений. При этом он исходил из корпускулярного (по современной терминологии – молекулярного) представления о строении материи. Восставая против господствующей в его время теории теплорода (гипотетической тепловой жидкости, содержание которой в теле определяет степень его нагретости), Ломоносов «причину тепла» видит во вращательном движении частиц тела. Таким образом, Ломоносовым были по существу сформулированы молекулярно-кинетические представления.

Во второй половине XIX в. и в начале XX в. благодаря трудам ряда ученых атомистика превратилась в научную теорию.

Дата добавления: 2015-05-09