- •Молекулярная физика.
- •Термодинамический подход к описанию молекулярных явлений.
- •Первое начало термодинамики. Циклические процессы
- •Второе начало термодинамики.
- •Энтропия термодинамической системы. Термодинамические потенциалы.
- •Взаимодействие молекул. Идеальный газ. Основные газовые законы.
- •1. Дискретный спектр энергий :
- •2. Распределение Гиббса.
- •3. Большое каноническое распределение (для ):
- •Теория флуктуаций. Броуновское движение.
- •Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса.
- •Твердые тела. Кристаллы. Симметрия кристаллов.
- •Фазовые переходы первого и второго рода. Условия устойчивости и равновесия.
- •Явления переноса.
- •Кинетическое Уравнение Больцмана. Понятие об н-теореме Больцмана.
- •Плазменное состояние вещества. Уравнение Власова. Понятие о самосогласованном поле.
-
Теория флуктуаций. Броуновское движение.
-
Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса.
Для идеальных газов уравнение Клапейрона: . Для реальных газов оно соблюдается лишь приближенно. Отступления от идеальной модели связаны с наличием жидкого и твердого состояний и наличием межмолекулярного взаимодействия.
Потенциал взаимодействия (Леннарда-Джонса): .
Здесь – константы, – расстояние между центрами взаимодействующих частиц. Этот потенциал с хорошей точностью описывает реальный газ. На рисунке 1 – диаметр молекулы. Рассматриваемая модель газа: твердые упруго сталкивающиеся шары, причем возможны только парные столкновения (это выполняется довольно точно при небольших давлениях газа).
Уравнение Ван-дер-Ваальса ,
где – универсальная газовая постоянная, – давление, – объем, – температура, – поправка на то, что отдельно взятой молекуле предоставлен не весь объем , т.к. молекулы не могут сблизиться на расстояние, меньшее ; – поправка на то, что на пристеночный слой газа действует сила со стороны всего газа, стремящаяся втянуть внутрь газа пристеночный слой.
– так называемое внутреннее давление.
или ,
где – концентрация, – масса частицы, – скорость частицы. Для можно получить:
.
Теоретический вывод уравнения Ван-Дер-Ваальса применим при условях:
.
В случае плотных газов уравнение Ван-Дер-Ваальса лишь качественно описывает поведение газа. Для реальных газов и зависят от температуры.
Изотермы Ван-Дер-Ваальса (рисунок 2).
. Здесь при наблюдается критическая изотерма, т.е. при уравнение изотермы имеет один корень при . Точка называется критической.
, , .
Уравнение изотермы:
Участки типа ВСА соответствуют неустойчивому состоянию вещества и практически не могут быть реализованы.
Изотермы реального газа (рисунок 3).
Область между кривой ALKG и изобарой соответствует двухфазным состояниям вещества, т.е. каждая точка этой области изображает такое состояние вещества, в котором оно не является физически однородным, а состоит из жидкости и ее насыщенного пара (за исключением случаев неустойчивого состояния в виде перегретой жидкости или пересыщенного пара).
-
Твердые тела. Кристаллы. Симметрия кристаллов.
Твердое состояние возникает при столь сильном взаимодействии между молекулами, что их тепловое движение не играет в структуре значительной роли.
Молекулы располагаются друг относительно друга в фиксированных точках, совершая малые тепловые колебания около положения равновесия. Взаимное расположение молекул повторяется при переходе из одних областей в другие → имеем периодическую структуру, что реализуется в виде кристаллической решетки.
Точки равновесия молекул – узлы кристаллической решетки.
Аморфные тела не находятся в состоянии равновесия.
Примитивная решетка (решетка Браве):
,
– целые числа, – базисные вектора элементарной ячейки.
Некоторая произвольная решетка, вообще говоря, не может быть представлена в виде одной решетки Браве, а является совокупностью решеток Браве.
Браве показал, что можно всегда найти такую примитивную ячейку, которая имеет те же элементы симметрии, что и решетка в целом (кроме гексагональных).
Замечание: под симметрией понимается совокупность элементов симметрии.
Элементы симметрии:
-
ось n-го порядка – нет изменений при повороте на .
-
плоскость симметрии – совмещение в результате зеркального отражения.
-
центр симметрии – тело совмещается с собой при повороте отн. точки.
-
Зеркально-поворотная ось n-го порядка – поворот на и зеркальная симметрия.
У кристаллической решетки возможна ось вращения 2, 3, 4 и 6-го порядков.
Наименьшая из примитивных ячеек называется параллелепипедом Браве. Существует 6 типов пар. Решетки Браве и гексагональная → 7 типов:
-
Триклинная:
-
Моноклинная:
-
Ромбическая:
-
Тетрагональная:
-
Кубическая:
-
Ромбоэдрическая:
-
Гексагональная: .
Триклинная Моноклинная Ромбическая
Тетрагональная Кубическая Ромбоэдрическая
Гексагональная