Молекулярная физика

Молекулярная физика

Молекулярная физика - это раздел физики, в котором законы механики применяются не к каждой отдельной молекуле вещества, а к огромной их совокупности. При этом используются усредненные физические величины (средние скорость и энергия молекулы, средние плотность, давление и т. др.). Молекулярная физика изучает физические свойства веществ в разных агрегатных состояниях.

Основы молекулярно-кинетической теории. Броуновское движение

Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ) вещества:

1) все тела состоят из частиц - молекул, атомов и ионов;

2) частицы находятся в непрерывном хаотическом руссе;

3) между частицами любого тела существуют силы взаимодействия.

Одним из первых подтверждений положений МКТ стали опыты английского ботаника Роберта Броуна, проведенные в 1827 г., Рассматривая в микроскоп каплю воды, в которой содержалась цветочная пыльца, ученый обнаружил беспорядочное движение частиц пыльцы. Потом Броун и его последователи наблюдали аналогичное движение других частиц (разных по размеру, из разных веществ, в том числе и неорганических и теорий химии)

Броуновское движение частиц объясняется некомпенсированными беспорядочными столкновениями с ними огромного количества невидимых в микроскоп молекул жидкости.

Понятие моля вещества и законы Авогадро рассматриваются и в химии. Моль - единица количества вещества. Моль - это количество вещества, которое содержит столько же ее структурных составляющих (например, атомов или молекул), сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода.

По современному стандарту, химический элемент, из которого состоит вещество и которая названа здесь углеродом, получил название Карбон. Из химии также известно, что один и тот же элемент может существовать в виде нескольких изотопов (нуклидов ли); выше шла речь о Карбоне.

Итальянский физик и химик Амедео Авогадро в 1811 г. обнаружил, что разные газы, которые занимают одинаковый объем при одинаковых условиях, содержат одинаковое число молекул. В одном моле это число (стала Авогадро) равняется: . Кроме того, Авогадро доказал, что при нормальных значениях давления и температуры моль любого газа занимает одинаковый объем: . Если обозначить массу одного моля M, то масса одной молекулы.

Пример: масса молекулы кислорода.

Значения M находят, пользуясь таблицей Менделеева, а если вещество не атомарное, то еще и формулой вещества.

Оценивая размер некоторой молекулы, будем считать, что молекула являет собой маленький, плотно упакованный шарик, тогда ее объем равняется . Из формулы плотности вещества.

Таким образом, молекулы настолько малые, что с помощью оптических микроскопов увидеть их нельзя.

Взаимодействие атомов и молекул веществ в разных агрегатных состояниях

Силы взаимодействия молекул вещества имеют электрическое происхождение и предопределены как отталкиванием ядер атомов соседних молекул вещества, так и притягиванием между ядрами одних атомов и электронными оболочками других. Графика зависимости сил отталкивания и сил притягивания от расстояния между двумя соседними частицами имеет разную крутизну. Зависимость результирующей силы от r при малых r похожая на зависимость, а при больших - на зависимость .

Молекулы вещества, которая находится в газообразном состоянии, настолько отдалены одна от другой, что практически не взаимодействуют (лишь отталкиваются при столкновениях). В других агрегатных состояниях веществ молекулы взаимодействуют, причем Fрез тем больше, чем меньший r;

Идеальный газ. Основное уравнение мкт идеального газа

Подобно использованию в механике идеализирующего понятия материальной точки, в молекулярной физике используют понятие идеального газа как огромной совокупности материальных точек, которые не взаимодействуют одна из одною на расстоянии.

При условии достаточно низкого давления и высокой температуры реальные газы (азот, кислород и др.) по своим свойствам близки к модели идеального газа.

Основным уравнением МКТ идеального газа является математическое выражение давления газа через концентрацию его молекул (где V - объем), массу каждой молекулы и квадрат средней скорости молекулы.

Уравнение Менделеева - Клапейрона

Величины p, V и T, которые определяют состояние газа, называют параметрами состояния. Уравнение, в состав которого одновременно входят все параметры, называется уравнением состояния.

Давление p газа зависит от значений T и V :. Переход от пропорциональности к уравнению сначала было осуществлено с помощью коэффициента, который имел постоянное значение (был константой) для данного газа, но имел разные значения для других газов (эта константа не была универсальной). Таким образом было получено уравнение состояния, названное уравнением Клапейрона:

Коэффициент пропорциональности стал универсальным благодаря Дмитрию Менделееву, который предложил рассматривать разные газы в одинаковых количествах, потому уравнение стало называться уравнением Менделеева - Клапейрона.

Величина называется универсальной (или молярной) газовой постоянной.

Результатом общего решения записанных для 1 моль основного уравнения МКТ и уравнение Менделеева - Клапейрона есть выражение.

где - стала Больцмана.

Следовательно, или, то есть температура - это физическая величина, которая является количественной мерой средней энергии теплового движения молекул газа.

Действие приборов для измерения температуры базируется на разных физических эффектах. Наиболее распространены жидкостные (спиртовые и ртутные) термометры, в основе действия которых лежит тепловое расширение жидкостей. Есть также термометры газовые (термометры давления), электрические (термометры сопротивления) и др.

Уже отмечалось, что молекулы газов двигаются хаотически, потому можно говорить только о средней скорости.

Из выражения получают формулу средней квадратичной скорости молекулы . Для удобства умножают и делят подкоренное выражение на . Тогда .

Процессы в газах. Абсолютная температурная шкала

Процесс в гаге - это любое действие, которое изменяет его состояние (нагревание, охлаждение, сжатие). При этом могут изменяться или все три параметра состояния, или два, или даже один.

Значительный интерес при анализе поведения газов представляют изопроцессы. Изопроцессами называются процессы, которые происходят в системе с неизменной массой при постоянном значении одном из параметров состояния системы. Описания алгебраизма изопроцессов проще всего получить, записав уравнение Клапейрона для двух состояний газа.

При применении этого уравнения по очереди для каждого изопроцесса параметр, постоянный в конкретном случае, сокращается.

1) (изотермический процесс). При этом ( - закон Бойля - Маріотта). График этого процесса - изотерма (а).

2) (изобарный процесс). При этом - закон Гей-Люссака). График этого процесса - изобара (б).

3) (изохорный процесс). - закон Шарля). Формула Шарля в шкале Цельсия :, где - температурный коэффициент давления. График этого процесса - изохора (в).

График закона Шарля в координатах р и t помогает легко перейти от температуры t к T: если бы к самым низким температурам вещество оставалось газообразным, ее давление исчезало бы при . Именно эту температуру английский физик Уїльям Томсон (Кельвин) предложил рассматривать как нуль в так называемой абсолютной или термодинамической шкале температур. Следовательно: .

Насыщенная и ненасыщенная пара.

В 8 классе уже рассматривались процессы парообразования путем испарения и кипения, одновременно с которыми происходит обратный процесс - конденсация. Если испарение превышает конденсацию, пара над жидкостью не насыщена. При взаимном уравновешивании этих процессов пара насыщена. Чем высшая температура, тем большее давление насыщенной пары.

Температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. Она растет при увеличении давления (это используется в пищевой промышленности и медицине для создания автоклавов). При снижении давления температура кипения снижается (высоко в горах кипяток оказывается "охлаждения", а яйцо не удается сварить в крутую).

Влажность воздуха. Точка росы

Давление водяного пара, который содержится в воздухе, отдельно измерять невозможно. Это давление парциальное (от англ. part - часть) и складывает часть давления, измеряемого барометром.

Можно сказать и иначе: парциальное давление равняется давлению, что его создавал бы водяной пар, если бы кроме нее в каком-то участке пространства не было других газообразных компонентов.

Содержимое водяного пара в воздухе называют влажностью воздуха. Различают абсолютную и относительную влажность.

Абсолютная влажность - это парциальное давление пары в воздухе или плотность этой пары .

Относительная влажность - это отношение парциального давления пары в воздухе (или плотности пары) к давлению (или плотности) насыщенной пары при данной температуре:

.

При снижении температуры воздуха водяной пар, что содержится в нем, становится все ближе к состоянию насыщения. Температура, при которой водяной пар в воздухе становится насыщенным, называется точкой росы.

Свойства поверхности жидкости. Поверхностное натяжение

Поверхностный слой жидкости отличается от внутренних слоев тем, что его молекулы с одной стороны имеют совсем других соседей, чем молекулы других слоев.

На пределе с воздухом жидкость имеет свободную поверхность, по которой молекулы жидкости контактируют с немногочисленными молекулами воздуха. Действия молекул других слоев жидкости на молекулу какого-то внутреннего слоя компенсированны, а на молекулу поверхностного слоя - нет. Благодаря результирующим силам молекулы внутренних слоев тянут вниз молекулы поверхностного слоя, создавая, таким образом поверхностное натяжение.

Сила поверхностного натяжения прямо пропорциональная длине l границе жидкости с другим веществом. Коэффициент называют поверхностным натяжением. Если граница контакта не линейна, то, где - поверхностная энергия, S - площадь контакта.

Смачивание. Капиллярные явления

Жидкость, которая относительно материала данного твердого тела оказывается смачивающей, поднимается в узенькой трубке, изготовленной из этого материала (в капилляре), образовывая вогнутый мениск (а). При этом увеличивается площадь контактирования жидкости и твердого тела. Вблизи внешних стенок капилляра жидкость несколько поднимается над свободной поверхностью. И наоборот, несмачивающая жидкость опускается в капилляре, образовывая выпуклый мениск (б), и отходит внешне от капилляра.

Примеры жидкостей, которые смачивают чистое стекло: вода и керосин, а несмачивающее стекло жидкостью является ртуть. За счет сил поверхностного натяжения капельки ртути приобретают сферическую форму.

Высоту h поднятия (опускание ли) жидкости в капилляре можно находить за формулой, где r - радиус капилляра. Капиллярность очень важна в живом мире (движение влаги в почве, питательных соков в растениях) и технике (подъем спирта или керосина в гноті, окрашивание тканей и кожи).

Кристаллические и аморфные тела. Жидкие кристаллы

Твердые тела - это кристаллы. В пределах всего тела дальний порядок хранится только в монокристаллах (модель - маленькие кубики, составленные в один огромный куб).

В природе монокристаллы встречаются редко, чаще - поликристалл, который состоит из большого числа маленьких монокристаллов (кристаллитов, зерен), расположенных друг относительно друга неупорядочено (модель поликристалла - сопоставимый куб, который рассыпался).

Для монокристаллов характерная анизотропия - неодинаковость большинства физических свойств вещества (за исключением теплоемкости и плотности) в разных направлениях.

Поликристалл, в отличие от монокристаллов, изотропные (отдельный кристаллит анизотропный, но расположение кристаллитов неблагоустроено).

Кроме истинно твердых тел, кристаллов, существуют еще и аморфные тела. Примеры: разные смолы, воск, стекло, пластмассы. Аморфные тела имеют лишь ближний порядок. За структурой такие вещества - жидкости (очень вязкие). При нагревании, в отличие от кристаллических тел, аморфные тела не плавятся, а постепенно размягчаются. (Благодаря этому накаленному стеклу удается предоставлять нужной формы.)

Особенный класс веществ образуют жидкие кристаллы - жидкости с дальним порядком, который, в отличие от твердых кристаллов, наблюдается только в одном направлении. Сейчас известно свыше 3000 разных жидкокристаллических веществ, много из которых биологического происхождения. Пример: мозг человека, который имеет сложную жидкокристаллическую структуру; дезоксирибонуклеиновая кислота (жидкий кристалл из огромных молекул).

Области применения жидких кристаллов : цифровая индикация; превращение инфракрасного излучения на видимое; изготовление плоских экранов мониторов; термоиндикация; ультразвуковая медицинская диагностика.

Механические свойства материалов. Виды деформаций

Под действием внешних сил твердые тела изменяют свою форму и размеры - деформируются. Поведение тела в процессе его деформирования удобно иллюстрировать диаграммой розтяжения, изображенной на рисунку.

Вдоль оси ординат откладывают механическое напряжение s. Различают внутренние напряжения в теле (где S0 - начальная площадь поперечного перереза тела) и внешние напряжения (или удельную нагрузку, рассматриваются внешние силы.

Вдоль оси абсцисс откладывают относительное удлинение, где l0 - начальная длина тела, ?l - абсолютное удлинение (?l = l - l0). Если внешнее действие было сравнительно небольшим, то ее устранение сопровождается упругим возобновлением начального состояния тела (на диаграмме розтягу участок 0-1). При росте нагрузки большинство материалов обнаруживают пластичные свойства (сначала это участок 1-2, потом деформация растет без увеличения внешней силы - материал пластично "течет", участок 2-3).

После исчерпания пластичных ресурсов напряжение растет (участок 3-4), что заканчивается разрушением тела (точка 4). Большинство сталей, а также сплавов на основе меди пластичные. Однако есть и хрупкие материалы (большинство чугунов, стекловидные материалы).

Значения напряжений, которые отвечают завершению упругой деформации, - исчезает, после того, как действие внешних сил прекращается; началу и завершению пластической деформации - не исчезает после прекращения действия сил, которые их вызывали и приводят к необратимым изменениям в кристаллической решетке твердого тела (текучести) и разрушению материала (и ), имеют название границ (пределов) упругости, текучести и прочности.

Деформации в телах могут вызываться путем одноосного розтяжения или сжимания; всестороннего сжимания (например, в жидкости под поршнем); сдвигу (в чистом виде или кручением).