Министерство образования Российской Федерации

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

-------------------------------------------------------------------------------------------------

Факультет дистанционного обучения

В.Г. Лапин В.В. Тамойкин

ФИЗИКА

Часть 2. Основы термодинамики и молекулярной физики

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Нижний Новгород - 2003

2

ББК 22.3 Л 24 Т 17

Лапин В.Г., Тамойкин В.В. Физика. Часть 2. Основы термодинамики и молекулярной физики: Учебное пособие. – Н.Новгород: Нижегород. гос. архит.- строит. ун-т, 2003. – 68 с.

ISBN 5-87941-259-8

В учебном пособии представлен теоретический материал, примеры решения задач и варианты домашней контрольной работы по теме «Молекулярная физика и термодинамика» курса физики для студентов заочной формы обучения (с применением дистанционных технологий).

ББК 22.3

3

1. Основы термодинамического и молекулярно-кинетического методов исследования

1.1. Исходные положения термодинамики и молекулярной физики

Термодинамику и молекулярную физику объединяет то, что оба эти раздела физики изучают законы тепловой формы движения материи, однако подходы к решению этой задачи существенно различны.

Молекулярная физика является атомистической теорией тепловой формы движения материи. В основе этой теории лежат следующие положения:

−все тела состоят из большого количества весьма малых частиц - молекул;

−молекулы всякого вещества находятся в хаотическом движении, не имеющем какого-либо преимущественного направления. Интенсивность движения молекул зависит от температуры вещества.

Считая, что движение отдельных молекул подчиняется законам механики, и, пользуясь статистическим методом, молекулярная физика ставит своей целью объяснить наблюдаемые тепловые явления как суммарный результат движения молекул. Можно провести аналогию между методом исследования, используемым в молекулярной физике, и социологическим опросом населения, который, исходя из изучения мнения отдельных избирателей, стремится предсказать результат выборов.

Термодинамика - это макроскопическая теория тепла. В отличие от

молекулярной физики она не использует какие-либо представления о структуре тел. Термодинамика оперирует только с измеряемыми на опыте величинами (объем, давление и.т.п.) и опирается на два принципа:

−положение о постоянстве энергии изолированной системы;

−факт односторонности самопроизвольного перехода теплоты от нагретых тел к холодным.

Эти принципы являются обобщением наблюдаемых природных явлений. Из этих принципов термодинамика выводит все основные свойства тел.

Подходя к решению одной и той же задачи с разных позиций, молекулярно-кинетический и термодинамический методы исследования дополняют друг друга, в чем мы вскоре убедимся на конкретных примерах.

1.2. Масса и размеры молекул

Для того, чтобы измерить какую-либо величину, нужно сравнить ее с другой величиной, которая принята за эталон (или за единицу измерения). Поскольку массы молекул очень малы, для их измерения удобно взять также малую единицу измерения. За единицу измерения масс в молекулярной физике принимают одну двенадцатую (1/12) часть атома 12С (так обозначается изотоп углерода с массовым числом 12). Эта масса mед называется атомной единицей

массы.

4

Массы различных молекул принято характеризовать относительной молекулярной массой вещества M r , которая равна отношению массы молекулы

данного вещества m к атомной единице массы: M r =m/ mед . Для краткости эту

величину часто называют молекулярной массой, однако следует помнить, что эта величина является безразмерной величиной, а, зная ее, массу молекулы данного вещества можно вычислить согласно формуле m = M r mед .

Далее для описания количества вещества часто будет использоваться понятие - моль. Молем называется количество какого-либо вещества, в котором содержится столько же молекул, сколько их в 0,012 кг изотопа углерода 12С.

Очевидно, что моли всех веществ содержат одно и то же число молекул, которое принято обозначать Na . Величина Na является фундаментальной

величиной и называется числом Авогадро. Опытным путем удалось найти, что число Авогадро равно:

Na = 6.022 1023 моль−1 .

Таким образом, можно сказать, что моль - это такое количество вещества, в котором содержится число Авогадро молекул.

Массу одного моля вещества называют молярной массой и обозначают буквой µ . Нетрудно сообразить, что для того, чтобы найти молярную массу,

нужно массу одной молекулы умножить на число Авогадро:

µ = m Na = M r mед Na .

Эта формула справедлива для любых веществ, в том числе и для углерода 12С, в случае которого молярная масса, как сказано ранее, равна 0,012кг. В случае углерода M r =12, что очевидно. В результате, все величины, входящие в

последнюю формулу, кроме mед являются известными. Поэтому эту формулу, записанную для углерода, можно использовать для определения величины mед :

выраженная в граммах, численно равна относительной молекулярной массе. Однако следует иметь в виду, что в то время, как M r - величина безразмерная,

µ имеет размерность кг/моль (или г/моль).

Вывод: на практике нет необходимости вычислять молярную массу по формуле (1.1) - достаточно взять относительную молярную массу и умножить на 0,001. Результат получим в кг/моль.

Пример решения задач

Задача 1

Вычислить молярную массу воды. Сколько молекул N воды содержится в чашке чая, объемом V=180см3 .