Раздел 2 «Молекулярная физика и термодинамика»

Молекулярная физика - раздел физики, изучающий строение, физические свойства и агрегатные состояния вещества, рассматриваемого как совокупность большого количества молекул, которые взаимодействуют между собой и находятся в беспрерывном тепловом движении.

§ 2.1 ЗАКОНЫ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

Газ – агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объем.

Идеальный газ – теоретическая модель газа, согласно которой:

1) собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда;

2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия;

3) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.

Модель идеального газа можно использовать при изучении реальных газов, т.к. они в условиях, близких к нормальным (например, кислород и гелий), а также при низких давлениях и высоких температурах близки по своим свойствам к идеальному газу.

Состояние данной массы газа полностью определено, если известны давление р, объем V, температура T. Эти величины называют параметрами состояния газа.

В природе часто имеют место процессы, когда одновременно меняются все три величины, характеризующие состояние газа.

Уравнение, связывающее параметры состояния, называют уравнение состояния (уравнение Клапейрона)- при переходе из одного состояния в другое данной массы газа произведение давления на объем, деленное на абсолютную температуру, есть величина постоянная:

или

Для произвольной массы газа единичное состояние газа описывается уравнение Менделеева-Клапейрона:

,

где m – масса газа, - молярная масса,R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура.

Молярная масса -величина, равная отношению массы вещества к количеству вещества [кг/моль]

Количество вещества - отношение числаN атомов и молекул вещества к постоянной Авогадро N_A:

[моль]

Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода ¹²С.

Постоянная Авогадро показывает, сколько атомов или молекул содержится в одном моле вещества:

= 6,022·10²³ моль^-1.

Физический смысл универсальной газовой постоянной R состоит в том, что она показывает, какую работу совершает один моль идеального газа при изобарном расширении при нагревании его на 1 К

Температура газа Т – величина, характеризующая среднюю кине-тическую энергию поступательного движения молекул идеального газа.

Измеряется температура термометрами в градусах различных температурных шкал:

• шкала Цельсия: единица температуры – 1 градус Цельсия (^ºС).

• шкала Кельвина: единица температуры – Кельвин (К).

Так как 1 К = 1^ºС, то при любой температуре t по Цельсию значение температуры Т, по абсолютной шкале, выше на 273 градуса:

Т=t ºC + 273.

§ 2.2. Изопроцессы

Особую роль в физике и технике играют изопроцессы, к которым относятся: изотермический, изохорный, изобарный и адиабатный.

Изопроцесс – физический процесс, при котором один из параметров исследуемого вещества поддерживается неизменным.

Изотермический процесс – процесс, протекающий при постоянной температуре.

Для данной массы газа при постоянной температуре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная (закон Бойля-Мариотта ):

или

Т=const; m =const

Изохорный процесс - процесс, протекающий при постоянном объеме.

Для данной массы газа при постоянном объеме отношение давления газа к его температуре есть величина постоянная (закон Шарля):

или

V=const; m =const

Изобарный процесс - процесс, протекающий при постоянном давлении.

Для данной массы газа при постоянном давлении отношение объема газа к его температуре есть величина постоянная (закон Гей-Люссака):

или

р=const; m =const