МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА ТА ТЕРМОДИНАМІКА

Розділ 2. Молекулярна фізика і термодинаміка

ВСТУП

У молекулярній фізиці вивчають властивості речовини та явища, що зумовлені її внутрішньою будовою. Загальновідомо, що речовина складається з мікроскопічних частинок - молекул і атомів,- які невпинно рухаються та взаємодіють між собою. Кількість молекул, навіть у мізерній крупинці речовини, є дуже великою (наприклад, навіть порошинка розміром 1 мкм, яку можна побачити тільки в потужний мікроскоп, містить ~1012 молекул.), тобто, вона є макроскопічною системою. Через це та через специфічні квантові властивості атомів і молекул, досліджувати властивості речовини, розглядаючи рух окремих частинок на основі законів механіки, принципово неможливо. Але в макроскопічних системах виявляються якісно нові закономірності, котрі досліджують статистичним та термодинамічним методами. Перший використовується в молекулярно-кінетичній теорії (МКТ), де характеристики й поведінка макроскопічної системи встановлюються через усереднені характеристики руху окремих молекул і їхньої взаємодії між собою. Математичною основою МКТ є теорія ймовірностей та математична статистика. Термодинамічний метод, або просто - термодинаміка, ґрунтується на декількох основних законах, або началах термодинаміки, які встановлені з досліду. Закони термодинаміки є універсальними в тому сенсі, що вони чинні для будь-якої макроскопічної системи незалежно від її внутрішньої будови та індивідуальних властивостей частинок. Через це термодинамічний метод є незамінним, коли внутрішня будова системи та взаємодія між частинками є дуже складними чи недостатньо вивченими. З іншого боку, загальні принципи та положення МКТ дозволяють зрозуміти походження законів термодинаміки та механізми термодинамічних процесів. Отже, статистичний та термодинамічний методи органічно пов’язані між собою та доповнюють один одного.

Властивості тіл і процеси в них ми спостерігаємо і вивчаємо через величини, які характеризують систему як ціле, і які можна вимірювати приладами. Такі величини називаються макроскопічними або термодинамічними величинами. Для будь-якої системи існує відповідний набір параметрів стану – термодинамічних величин, які визначають макроскопічний (термодинамічний) стан системи, тобто стан системи як цілого. Наприклад, основними параметрами стану газу є об’єм, тиск і температура. Наголосимо ще раз, що макроскопічні (термодинамічні) величини для окремої молекули позбавлені змісту, вони мають сенс тільки для всієї системи чи якоїсь її макроскопічної частини. Сукупність макроскопічних параметрів системи визначає її макроскопічний (термодинамічний) стан. При цьому, якщо всі параметри мають однакові значення по всій системі, її стан називається рівноважним, якщо ні, то – нерівноважним.

Очевидно, що макроскопічний стан системи визначається рухом та взаємодією молекул – мікроскопічних частинок з яких складається система. Відповідно, величини, що характеризують окремі частинки системи називаються мікроскопічними параметрами, а сукупність мікроскопічних параметрів усіх молекул визначає мікроскопічний стан системи. Основним завданням МКТ якраз і є встановлення зв’язку між мікроскопічними та макроскопічними (термодинамічними) станами в різних рівноважних молекулярних системах.

Поняття, величини та закони молекулярної фізики і термодинаміки вивчаються в наступних розділах:

1. Основні положення МКТ

2. Властивості газів

3. Розподіл Максвелла-Больцмана

4. Перше начало термодинаміки

5. Теплоємність. Політропні процеси

6. Явища переносу

7. Друге начало термодинаміки

8. Ентропія