Молекулярная физика и термодинамика Теория теплоты Тепловые машины Силы инерции Сила упругости Релятивистская механика Преобразование и сложение скоростей Разложение Фурье Вынужденные колебания Интерференция волн

Молекулярная физика и термодинамика

Основные представления кинетической теории

Теплота как форма энергии. Температура.

Беспорядочное движение микроскопических частиц связано с содержанием в веществе теплоты — особой формы энергии. Эта связь достаточно очевидна на примере зависимости броуновского движения от количества сообщенного телу тепла.

Макроскопическая характеристика теплового движения — температура. Температура есть мера содержащегося в теле тепла. Она же определяет направление перехода тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Если температуры тел одинаковы, то передачи одного другому не происходит.

Рассматривая теплоту как форму энергии, необходимо связать ее с кинетической энергией частиц. Чем больше нагрето тело, тем и кинетическая энергия его Таким образом, кинетическую энергию движения частиц так же, температуру, можно рассматривать меру теплового движения. Естественно предположить, что обе эти величины связаны между собой. На существование такой связи указывает, например, аналогия переходом теплоты от одного тела к другому передачей энергии при столкновении упругих тел.

Следует помнить, что температура — это макроскопическая характеристика тела, т. е. термодинамическая переменная, в то время как кинетическая энергия характеризует отдельную частицу. Поэтому должна быть связана со средней кинетической энергией, приходящейся на одну частицу системе большого числа частиц. Среднюю кинетическую энергию частиц системе, состоящей из N частиц, обозначим через <Ek> и определим ее следующим образом:

. (3.1)

Если все частицы одинаковы, массу можно вынести из-под знака суммы:

. (3.2)

Будем считать что температура T ~ 2<Ek>/3 /3= m<v2>/3.

Для того чтобы выразить температуру в градусах, нужно ввести коэффициент пропорциональности, показывающий, сколько джоулей соответствует одному градусу. Он называется постоянной Больцмана и, как показывают измерения, равен 1,38·10‑23 Дж/К, где К означает градус Кельвина — единицу измерения температуры, используемую физической шкале. Тогда соотношение между температурой градусах и энергией джоулях запишется виде:

 или . (3.3)

Принятая в физике шкала температур называется абсолютной шкалой, или шкалой Кельвина. В этой шкале температура замерзания воды, то есть 0°С, соответствует 273,15 градусов Кельвина, что обозначается К. Согласно выражению (3.3) при T = 0 всякое тепловое движение частиц веществе прекращается. Эта имеет название абсолютного нуля.

Подчеркнем статистический характер определения температуры, поскольку она связана со средней энергией частиц. Поэтому можно говорить лишь о температуре системы достаточно большого числа частиц — макроскопической системы, и нельзя одной или, допустим, десяти В процессе измерения температуры происходит обмен теплом между системой объектом измерительным прибором термометром. Понятие тела приобретает смысл в том случае, если телом при­бором мало изменяет состояние тела.

Для характеристики средней скорости движения частиц в системе обычно используется величина, называемая среднеквадратичной, или тепловой скоростью частиц. Средние тепловые существенно зависят от массы частицы

. (3.4)

Для молекулы водорода H2 mH2 = 2·mH, а для кислорода mO2 = 32·mH, и отношение тепловых скоростей есть

Следовательно, молекулы кислорода движутся в 4 раза медленней. Порядок величины тепловой скорости атомов при T = 300 К, что соответствует комнатной температуре, составляет 103 м/с. Тепловые броуновских частиц составляют по сравнению с ней ничтожные величины.

В отличие от механики, которая изучает движение отдельных частиц или тел под действием различных сил, молекулярная физика имеет дело со свойствами вещества. Как показывает опыт, всякое вещество состоит из большого числа микроскопических — атомов и молекул, которые взаимодействуют между собой находятся в непрестанном движении. Такая система называется макроскопической. Можно выделить три наиболее характерных состояния, в которых может находиться вещество, — твердое, жидкое и газообразное. Свойство тела одном из этих состояний есть его макроскопическое свойство, не зависящее от свойств отдельных частиц, образующих тело. Например, железо существовать кристаллическом состоянии (в виде твердого тела) или пребывать расплавленном жидкости), испаряться газа, хотя при переходе одного состояния другое с самими атомами железа происходит никаких изменений.

Давление идеального газа Самой простой моделью макроскопического вещества является газ частиц. Газ представляет собой достаточно разреженную систему Частицы в газе находятся на значительном удалении друг от друга, совершая свободное движение и время времени сталкиваясь с другом. Поэтому первом приближении при рассмотрении газа можно не учитывать размеры форму молекул, т. е. считать частицы материальными точками. По этой же причине пренебречь взаимодействием частиц расстоянии, к столкновениям между со стенками сосуда применять законы соударений упругих шаров. Такой называется идеальным. Модель идеального позволяет описать существенные черты поведения реального вещества.

Уравнение состояния идеального газа


Основные представления кинетической теории