100

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВОХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ–ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

ХИМИКО–ФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ

Академия

Кафедра физики

Е.Д. Эйдельман

Молекулярная физика. Термодинамика.

(Текст лекций)

для студентов химиков-технологов и биотехнологов

Санкт–Петербург

2012

УДК 531. 537

Молекулярная Физика. Термодинамика (текст лекций)

для студентов химиков-технологов и биотехнологов

Е.Д.Эйдельман–СПб. Издательство СПХФА

ISBN 5–5085–0066–4

В пособии приведены основные сведения по молекулярной физике и термодинамике по курсу «Физика» для бакалавров факультета «Промышленной технологии лекарств» в соответствии с рабочей программой. Приведены основные законы, сведения, необходимые для изучения физической и коллоидной химии и специальных дисциплин.

Рецензенты.

Рекомендовано методической комиссией факультета «Промышленной технологии лекарств».

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее издание предназначено для аудиторной и самостоятельной работы студентов при изучении основ молекулярной физики и термодинамики

Материал подобран в соответствии с действующей государственной программой по физике для высших технологических учебных заведений, однако при его распределении, усилении или ослаблении трудности разделов, учитывался установившийся план прохождения курса физики в нашей академии.

Лекции апробированы на кафедре в течение нескольких последних лет работы. Содержание разделов посвященных собственно молекулярной физике согласовано с кафедрой физической и коллоидной химии, а содержание разделов, посвященных термодинамике с кафедрой процессов и аппаратов химической технологии. Много внимания уделено выделению материала необходимого при подготовке к экзамену.

Конечно, никакое пособие не заменяет общение с преподавателем, с лектором, но может лишь дополнять и расширять полученные на лекциях знания.

Предполагается, что тексты лекций по молекулярной физике и термодинамике будут изучены совместно с выполнением заданий из «Сборника вопросов и задач по курсу Физика» Часть 1.СПб.: Изд-во СПХФА, 2012г.

Глава 1. Идеальный газ Тема

Характеристики газа, уравнение состояния. Основы молекулярно-кинетической теории, раствор как идеальный газ, реальные газы.

1.1. Тепловые явления. Характеристики тепловых явлений

Задумываемся ли мы над тем, что нас непосредственно окружает? Например, в комнате. Какое разнообразие! В комнате имеются объекты живые и не живые. Причем живые — это не только люди, но и бактерии, насекомые (не буду их называть). Имеются органические материалы — древесина, волокна льна, шерсти. Есть неорганические материалы — сталь, стекло, кирпич, мел. А краски? А воздух? Разнообразны формы, обработка, назначения. Различие во всем, но есть и общее — все состоит из молекул(атом— это тоже частный вид молекулы).

Это внутреннее единство должно проявляться в какой-то характеристике, единой для окружающих предметов.

Чтобы выделить эту характеристику, заметим, что все тела вокруг (в комнате) можно разделить на два типа. Первый тип — предметы, не имеющие связи с «внешним миром». Это столы, стулья, шторы, мел, доска и многое другое. Второй тип — тела, имеющие такую связь. Это батареи отопления, в которые по трубам поступает горячая вода. Это лампы, в которые по проводам приходит электрический ток. Это люди, которые недавно пришли и скоро уйдут. Так вот, у всех предметов, не связанных с «внешним миром» и находящихся в такой изолированной системедостаточно долго, независимо от их разнообразнейших различий одинаковатемпература. Если прервать связь тел с внешним миром, то и эти тела через некоторое время также будут иметь ту же температуру. И горячие лампы, и батареи, и живые организмы, если прервать их связь с внешним миром,изолировать, через какое-то время, большее или меньшее, придут в равновесие —тепловое равновесиес окружением — и будут иметь ту жетемпературу.

Теперь предстоит научиться описывать количественно процессы (тепловые явления), характерные для больших совокупностей (ансамблей)молекул — макроскопических(«больших»)тел.

Раздел физики, изучающий тепловые явления, называется термодинамикой. Представления о молекулярном строении тел составляют содержаниемолекулярно-кинетической теории (часто пишут и говорят аббревиатуру МКТ) или, как говорят,статистической физики, физики больших ансамблей частиц (например, молекул).

В теории тепловых явлений единственная новая основная величина — это температура.

Из простых наблюдений, вроде тех, что мы только что обсудили, можно сделать вывод о существовании очень важного общего свойства тепловых явлений. Сформулируем его: тело при неизменных внешних условиях самопроизвольнопереходит (за некоторое время) в состояниетеплового равновесия с окружающими телами. Или другими словами, температура тела, за которым ведется наблюдение, и температура окружающих тел станут одинаковыми. В этом состоянии другие характеристики (объем V,давление р,число молекул N,масса т,плотностьρ) остаются неизменными. В состоянии теплового равновесия тела могут находиться сколь угодно долго.

Говорят, что тела имеют одинаковую температуру, если каждое из них находится в тепловом равновесии с третьим телом.

Температура — единственная величина, которая имеет одно и то же значение в любой части системы при тепловом равновесии.

Температура (Тилиt), объем, давление и другие, перечисленные ранее, характеристики называютсяпараметрами состояния системы. Познакомимся с ними.

Объем, вместимость — геометрическая характеристика тела. Единица измерения —кубическийметр(м³). Часто объем измеряется влитрах: 1 л₌10^–3м³.

Давлениер₌ dF/dS— сила, действующая на единицу площади поверхности перпендикулярно к ней. Единица измерения —паскаль(Па). Употребляют также единицы:атмосфера (1 атм.₌ 1013⋅10²Па≈10⁵Па) имиллиметр ртутного столба(1 атм.₌760 мм рт. ст., т. е. 1 мм рт. ст.≈134 Па).

Как уже отмечалось, важнейшей характеристикой тепловых явлений является температура Т. Единица измерения —кельвин, или градус Кельвина(К). Величинаградуса Цельсия(С) совпадает с величиной градуса Кельвина. Лучше даже, наверное, сказать наоборот: градус Кельвина имеет ту же величину, что и градус Цельсия. Температура же по шкале Цельсия связана с температурой по Кельвину соотношениемt₌Т– 273.

Вместо числа молекул N— обычно очень большого числа — вводят другую характеристику, называемуюколичеством вещества:

(1.1)

Единица измерения количества вещества — моль, ачисло Авогадро(мера числа молекул)N_А=6⋅10²³1/моль («штук» в одном моле). Умножая числитель и знаменатель этой формулы намассу одной молекулыт₀, получим:

(1.2)

Очевидно, что т— масса тела, состоящего изNмолекул, аМ—молекулярная(молярная)масса, массаN_Амолекул. ЧислоN_А=6⋅10²³1/моль выбрано не случайно, а так, чтобы получилось совпадение числовых значений с молекулярной массой, измеренной ватомных единицах массы (а.е.м.).

(1.3)

В атомных единицах массы записаны массы атомов всех элементов в таблице Менделеева. Именно поэтому, подсчитав массу молекулы по таблицеМенделеева, можно записать молярную массу—то же число, но в граммах на моль(г/моль, и не забыть перевести потом в килограммы на моль (кг/моль)).

Наконец, отметим, что вместо объема Vчасто вводят как характеристику состояния —плотность, равнуюρ₌m/V.