Что изучает молекулярная физика

Молекулярная физика изучает макроскопические процессы в телах с точки зрения атомно-молекулярного строения вещества. Она рассматривает теплоту, как беспорядочное движение микрочастиц. Вообще говоря, этот раздел физики уделяет внимание так же свойствам и строению отдельных молекул и атомов. Молекулярную физику часто называют молекулярно - кинетической теорией вещества (МКТ).

В XIX веке в эпоху зарождения МКТ, во времена, когда само существование молекул и атомов подвергалось сомнению, строгое отделение молекулярной физики от термодинамики было оправдано. Следовало отделить достоверные факты от гипотез неверных. Но когда XX век неопровержимо доказал и нашел методы структурного исследования вещества, МКТ утратила свой гипотетический характер, который имела в начале своего зарождения. Гипотетический элемент молекулярной физики остался только в отношении упрощенных моделей, которыми до сих пор она пользуется при описании и объяснении тех или иных явлений.

Необходимость в таких моделях не утратила своей актуальности, поскольку мы до сих пор не обладаем всей полнотой информации о молекулярной структуре тел. Однако, надо сказать, что теперь четкое отделение МКТ от термодинамики стало не актуальным. В настоящее время при изложении тех или иных положений термодинамики используют выводы, которые получены в МКТ и наоборот. Говорят, что МКТ и термодинамика дополняют друг друга.

Изучать процессы, которые протекают в больших системах весьма сложно из-за огромного числа частиц и их малых размеров. Рассмотреть отдельно каждую частицу практически невозможно, вводятся статистические величины: средняя скорость частиц, их концентрация, масса частицы. Возникает необходимость, установления математической связи (уравнения) между микро параметрами, которые относят к отдельным частицам (масса молекулы, ее скорость и т.д.) и макро параметрами описывающими систему в целом (температура, давление) Формула, характеризующая состояние системы с учетом микроскопических и макроскопических параметров, называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории газов).

Статистический метод

Определение

Метод, который часто использует молекулярная физика, при рассмотрении предметов или явлений называется статистическим. Статистический метод состоит в изучении свойств макроскопических систем на основе анализа, с помощью методов математической статистики, законов теплового движения большого числа частиц, образующих эти системы.

Самой простой, но информативной моделью, которую мы часто будем использовать в МКТ, будет модель -- идеальный газ. В таком газе молекулы совершают свободное (изолированное от других молекул) движение, лишь время от времени сталкиваясь друг с другом или со стенками сосуда.

Пример 1

Задание: В начальный момент времени t=0 газ температуры T занимает полупространство $x

Запишем кинетическое уравнение с учетом того, столкновений молекул нет:

$\frac{\partial f}{\partial t}+\overrightarrow{v}\frac{\partial f}{\partial \overrightarrow{r}}=0$ (1.1)

общее решение уравнения (1.1) есть$:\ f=f\left(\overrightarrow{r}-\overrightarrow{v}t,\ \overrightarrow{v}\right).\ $ Используем начальное условие, запишем: $f=f_0\left(v\right)\ при\ v_x>\frac{x}{t},\ f=0\ при\ v_x

где $f_0\left(v\right)$ распределение Максвелла молекул по скоростям ($dN_{v_xv_yv_z}=Nf\left(v\right)dv_x{dv}_y{dv}_z$).

Плотность газа:

\,\]

где $S\left(\varepsilon \right)=\frac{2}{\sqrt{\pi }}\int\nolimits^{\varepsilon }_0{e^{-y^2}dy}$, $N_0\ $- начальная плотность.

Необходимо отметить, что если пренебречь столкновениями молекул, то полученные формулы верны, лишь в области $\left|x\right|\ll l.$

Ответ: Распределение плотности молекул, если молекулы не сталкиваются между собой, определяется формулой: $N\left(t,x\right)=\int\nolimits^{\infty }{\int\nolimits_{-\infty }{\int\nolimits^{\infty }_{\frac{x}{t}}{f_0\left(v\right)m^3dv_xdv_ydv_z}=\frac{N_0}{2}}}\left,$

где $S\left(\varepsilon \right)=\frac{2}{\sqrt{\pi }}\int\nolimits^{\varepsilon }_0{e^{-y^2}dy}$.

Пример 2

Задание: На рис. 1 представлен процесс в идеальном газе при постоянном объеме и переменной массе. Как изменяется масса газа в данном процессе?

Процесс, заданный на рис. 2 аналитически представим в виде:

где $b$, $a$ -- постоянные величины, $p$ -- давление, $T$ -- термодинамическая температура.

Процесс в задаче протекает при постоянном объеме, но назвать его изохорным мы не можем, так как масса является переменной. В качестве основания для решения используем уравнение состояния идеального газа (в виде уравнения Менделеева-Клайперона):

где V-- объем газа, $m$ -- масса газа, $\mu $-- молярная масса газа, $R$ -- универсальная газовая постоянная.

Выразим из (2.2) массу газа, получим:

Учтем, что $V=const$, $\mu =const$ в заданном процессе, тогда запишем:

Подставим вместо давления уравнение (2.1), которое задает процесс, получим пропорциональность:

Исходя из пропорциональности (2.5) видим, что в ходе процесса, который представлен на рис.1, если температура газа увеличивается, масса газа уменьшается.

Ответ: В заданном процессе масса газа уменьшается.

Опытное обоснование основных положений МКТ:

Молекулярно-кинетическая теория – учение о строении и свойствах вещества, использующее представление о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химического вещества. В основе МКТ лежат три строго доказанных с помощью опытов утверждения:

· Вещество состоит из частиц – атомов и молекул, между которыми существуют промежутки;

· Эти частицы находятся в хаотическом движении, на скорость которого влияет температура;

· Частицы взаимодействуют друг с другом.

То, что вещество действительно состоит из молекул, можно доказать, определив их размеры: Капля масла расплывается по поверхности воды, образуя слой, толщина которого равна диаметру молекулы. Капля объемом 1 мм 3 не может расплыться больше, чем на 0,6 м 2:

Существуют также другие способы доказательства существования молекул, но перечислять их нет необходимости: современные приборы (электронный микроскоп, ионный проектор) позволяют видеть отдельные атомы и молекулы.

Силы взаимодействия молекул . а) взаимодействие имеет электромагнитный характер; б) силы короткодействующие, обнаруживаются на расстояниях, сопоставимых с размерами молекул; в) существует такое расстояние, когда силы притяжения и отталкивания равны (R 0), если R>R 0 , тогда преобладают силы притяжения, если R

Действие сил молекулярного притяжения обнаруживается в опыте со свинцовыми цилиндрами, слипающимися после очистки их поверхностей.

Молекулы и атомы в твердом теле совершают беспорядочные колебания относительно положений, в которых силы притяжения и отталкивания со стороны соседних атомов уравновешены. В жидкости молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседнее, эти перескоки молекул являются причиной текучести жидкости, ее способности принимать форму сосуда. В газах обычно расстояния между атомами и молекулами в среднем значительно больше размеров молекул; силы отталкивания на больших расстояниях не действуют, поэтому газы легко сжимаются; практически отсутствуют между молекулами газа и силы притяжения, поэтому газы обладают свойством неограниченно расширяться.

Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро:

Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Единицей количества вещества является моль . Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же частиц, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода.

Отношение числа молекул к количеству вещества называется постоянной Авогадро:

Постоянная Авогадро равна

. Она показывает, сколько атомов или молекул содержится в одном моле вещества.

Количество вещества можно найти как отношение числа атомов или молекул вещества к постоянной Авогадро:

Молярной массой называется величина, равная отношению массы вещества к количеству вещества:

Молярную массу можно выразить через массу молекулы:

Для определения массы молекул нужно разделить массу вещества на число молекул в нем:

Броуновское движение:

Броуновское движение – тепловое движение взвешенных в газе или жидкости частиц. Английский ботаник Роберт Броун (1773 – 1858) в 1827 году обнаружил беспорядочное движение видимых в микроскоп твердых частиц, находящихся в жидкости. Это явление было названо броуновским движением. Это движение не прекращается; с увеличением температуры его интенсивность растет. Броуновское движение – результат флуктуации давления (заметного отклонения от средней величины).

Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга.

Идеальный газ:

У разреженного газа расстояние между молекулами во много раз превышает их размеры. В этом случае взаимодействие между молекулами пренебрежимо мало и кинетическая энергия молекул много больше потенциальной энергии их взаимодействия.

Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии вместо реального газа используется его физическая модель - идеальный газ. В модели предполагается:

Расстояние между молекулами чуть больше их диаметра;

Молекулы – упругие шарики;

Между молекулами не действуют силы притяжения;

При соударении молекул друг с другом и со стенками сосуда действуют силы отталкивают;

Движения молекул подчиняется законам механики.

Основное уравнение МКТ идеального газа:

Основное уравнение МКТ позволяет вычислить давление газа, если известны масса молекулы, среднее значение квадрата скорости и концентрация молекул.

Давление идеального газа заключается в том, что молекулы при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела. При столкновении молекулы со стенкой сосуда проекция скорости v x вектора скорости на ось OX, перпендикулярную стенке, изменяет свой знак на противоположный, но остается постоянной по модулю. Поэтому в результате столкновений молекулы со стенкой проекция ее импульса на ось OX изменяется от mv 1x =-mv x до mv 2x =mv x . Изменение импульса молекулы при столкновении со стенкой вызывает сила F 1 , действующая на нее со стороны стенки. Изменение импульса молекулы равно импульсу этой силы:

Во время столкновения, согласно третьему закону Ньютона, молекула действует на стенку с силой F 2 , равной по модулю силе F 1 и направленной противоположно.

Молекул много, и каждая передает стенке при столкновении такой же импульс. За секунду они передают импульс

, где z – число столкновений всех молекул со стенкой, которое пропорционально концентрации молекул в газе, скорости молекул и площади поверхности стенки: . К стенке движется только половина молекул, остальные движутся в обратную сторону: . Тогда полный импульс, переданный стенке за 1 секунду: . Согласно второму закону Ньютона изменение импульса тела за единицу времени равно действующей на него силе:

Учитывая, что не все молекулы имеют одинаковую скорость, сила, действующая на стенку будет пропорциональна среднему квадрату скорости. Так как молекулы движутся во всех направлениях, средние значения квадратов проекций скорости равны. Следовательно, средний квадрат проекции скорости:

; . Тогда давление газа на стенку сосуда равно: - основное уравнение МКТ.

Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа:

, получим

Температура и ее измерение:

Основное уравнение МКТ для идеального газа устанавливает связь легко измеряемого макроскопического параметра – давления – с такими микроскопическими параметрами газа, как средняя кинетическая энергия и концентрация молекул. Но, измерив только давление, мы не можем узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужны измерения еще какой-то физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул. Такой величиной является температура .

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия. Тепловое равновесие – это такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными.

Температура характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру .

Для измерения температуры можно воспользоваться изменением любой макроскопической величины в зависимости от температуры: объема, давления, электрического сопротивления и т.д.

Чаще всего на практике используют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры. При градуировке термометра обычно за начало отсчета (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении (шкала Цельсия). Так как различные жидкости расширяются при нагревании неодинаково, то установленная таким образом шкала будет до некоторой степени зависеть от свойств данной жидкости. Конечно, 0 и 100°С будут совпадать у всех термометров, но 50°С совпадать не будут.

1.Что изучает молекулярная физика? Что такое МКТ? 1)Молекулярная физика – раздел физики, изучающий физические свойства веществ в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного (микроскопического) строения. Задачи молекулярной физики решаются методами статистической механики, термодинамики и физической кинетики, они связаны с изучением движения и взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих физические тела. 2) Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ. МКТ объясняет строение и св-ва макроскопических тел, как результат взаимодействия большого числа атомов, молекул или ионов, из которых они состоят.

2.Сформулируйте основные положения МКТ вещества? В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

1)Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов («элементарных молекул»). все тела состоят из частиц, размером которых можно пренебречь: атомов, молекул и ионов; Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

2)Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

3)Частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений.

3.Какие опыты подтверждают основные положения МКТ? 4.Что такое броуновское движение? Причина? Броуновское движение - беспорядочное движение микроскопических видимых, взвешенных в жидкости или газе частиц твердого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа. Броуновское движение происходит из-за того, что все жидкости и газы состоят из атомов или молекул - мельчайших частиц, которые находятся в постоянном хаотическом тепловом движении, и потому непрерывно толкают броуновскую частицу с разных сторон. Было установлено, что крупные частицы с размерами более 5 мкм в броуновском движении практически не участвуют (они неподвижны или седиментируют), более мелкие частицы (менее 3 мкм) двигаются поступательно по весьма сложным траекториям или вращаются.

5.Что такое диффузия? Примеры использования? Диффузия - процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения.

6.Что такое моль вещества? Моль - единица измерения количества вещества в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. Моль принят в качестве основной единицы СИ XIV Генеральной конференцией по мерам и весам в 1971 году.

Моль вещества - это такое его количество, которое в граммах весит столько же, сколько весит молекула вещества в относительных атомных единицах, которое содержит 6,02*10^23 структурных единиц.

раздел физики, в к-ром изучаются физ. св-ва тел, особенности агрегатных состояний в-ва (газообразного, жидкого и кристаллич.) и процессы фазовых переходов в зависимости от молекулярного строения тел, сил взаимодействия молекул (атомов, ионов) и характера теплового движения этих частиц. М. ф. тесно связана со статистической физикой, кинетикой физической и термодинамикой. На основе общих теоретич. представлений М. ф. получили развитие физика металлов, физика полимеров, физика плазмы, физ. химия дисперсных систем и поверхностных явлений, физ.-хим. механика, физика явлений переноса и др.

• - изучает осн. свойства и проявления жизни на молекулярном уровне...

  Биологический энциклопедический словарь

• - образование комплексов между цепями нуклеиновых кислот в результате взаимодействия комплементарных нуклеотидов. Метод Г. м. используется для индентификации микроорганизмов...

  Словарь микробиологии

• - раздел биол., который исследует основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне...

  Словарь микробиологии

• - молекуля́рная биоло́гия, комплексная наука, изучающая биологические объекты и явления на молекулярном уровне. Возникла в середины XX в. благодаря внедрению в биологию идей и методов физики, химии, математики...

  Ветеринарный энциклопедический словарь

• - раздел физ. акустики, в к-ром св-ва в-ва и кинетика мол. процессов исследуются акустич. методами...

  Физическая энциклопедия

• - изучает явления жизни на уровне макромолекул в бесклеточных структурах, в вирусах, а также в клетках...

  Химическая энциклопедия

• - наука, изучающая молекулярный уровень организации человека - строение и связи генов, белков, ферментов, гормонов, а также закономерности их изменчивости в популяциях человека...

  Физическая Антропология. Иллюстрированный толковый словарь

• - пограничный раздел акустики и молекулярной физики, в к-ром структура и св-ва вещества исследуются акустич. методами, а также изучаются акустич. св-ва в-в в зависимости от их молекулярного строения...
• - раздел физики, в к-ром изучаются физ. св-ва тел, особенности агрегатных состояний в-ва и процессы фазовых переходов в зависимости от молекулярного строения тел, сил взаимодействия молекул и характера теплового...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - биологическое изучение строения и функционирования МОЛЕКУЛ, из которых состоят живые организмы...

  Научно-технический энциклопедический словарь

• - ...

  Энциклопедический словарь нанотехнологий

• - биологическая наука, изучающая процессы жизнедеятельности организмов на уровне взаимодействия отдельных молекул, молекулярных комплексов и надмолекулярных структур...

  Большой медицинский словарь

• - раздел Г., изучающий наследственную детерминацию биологических функций на молекулярном уровне...

  Большой медицинский словарь

• - раздел физической акустики, в котором свойства вещества и кинетика молекулярных процессов исследуются акустическими методами...
• - раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их микроскопического строения...

  Большая Советская энциклопедия

• - сущ., кол-во синонимов: 2 молекулярка физика...

  Словарь синонимов

"МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА" в книгах

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭКОЛОГИЯ

Из книги Экология автора Митчелл Пол

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭКОЛОГИЯ

Из книги Экология автора Митчелл Пол

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭКОЛОГИЯ В прессе часто появляются заметки о том, что торговцы дикими животными пытаются продавать запрещенные виды или продукты, изготовленные из вымирающих видов животных, прикрываясь торговлей вполне легальным товаром.Один из способов разрешения

3.10. Физика полупроводников и ядерная физика

Из книги Матвей Петрович Бронштейн автора Горелик Геннадий Ефимович

3.10. Физика полупроводников и ядерная физика Из того, что до сих пор рассказывалось о научных интересах М. П. Бронштейна, можно понять, что основное внимание он уделял фундаментальным областям физики. Это правда, но не вся. Настоящего исследователя может увлечь любая

Молекулярная физика и теплота в XVIII столетии

Из книги Курс истории физики автора Степанович Кудрявцев Павел

Молекулярная физика и теплота в XVIII столетии Если механика в XVIII столетии становится зрелой, вполне определившейся областью естествознания, то наука о теплоте делает по существу только первые шаги. Конечно, новый подход к изучению тепловых явлений наметился еще в XVII в.

автора Горелик Геннадий Ефимович

Физика современная и физика фундаментальная Прежде всего выясним суть новой физики, отличавшую ее от физики предыдущей. Ведь опыты и математика Галилея не выходили за пределы возможностей Архимеда, которого Галилей не зря называл «божественнейшим». В чем Галилей вышел

Физика современная и физика фундаментальная

Из книги Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации автора Горелик Геннадий Ефимович

Молекулярная физика изучает изменение свойств веществ на молекулярном уровне в зависимости от их агрегатного состояния (твердого, жидкого и газообразного). Этот раздел физики очень обширен и включает в себя множество подразделов.

Инструкция

• В первую очередь, молекулярная физика изучает строение молекулы и веществ в целом, ее массу и размер, и взаимодействие ее составляющих – микроскопических частиц (атомов). Эта тема включает в себя изучение относительной молекулярной массы (отношение массы одной молекулы/атома вещества к постоянной величине – массе одного атома углерода); понятие количества вещества и молярной массы; расширение/сжатие веществ при нагревании/охлаждении; скорости движения молекул (молекулярно-кинетическая теория). Молекулярно-кинетическая теория основывается на изучении отдельных молекул вещества. А в теме поведения вещества при различных температурах рассматривается очень интересное явление – многим известно, что при нагревании вещество расширяется (расстояние между молекулами увеличивается), а при охлаждении сжимается (расстояние между молекулами уменьшается). Но вот что интересно – при переходе воды из состояния жидкости в твердую фазу (лед), вода расширяется. Это обеспечивается полярной структурой молекул и водородной связью между ними, до сих пор столь непонятными современной науке.
• Также, в молекулярной физике существует понятие «идеального газа» - это вещество, находящееся в газообразной форме и обладающее определенными свойствами. Идеальный газ очень разряжен, т.е. его молекулы не взаимодействуют между собой. Помимо этого, идеальный газ подчиняется законам механики, в то время как реально существующие газы не имеют такого свойства.
• Из раздела молекулярной физики появилось новое направление – термодинамика. Этот раздел физики рассматривает строение вещества и влияние на него внешних факторов, таких как давление, объем и температура, не учитывая микроскопическую картину вещества, а рассматривая связи в нем в целом. Если почитать учебники по физике, можно натолкнуться на специальные графики зависимости этих трех величин по отношению к состоянию вещества – они изображают изохорный (объем неизменен), изобарный (давление неизменно) и изотермический (температура неизменна) процессы. В термодинамику также входит понятие термодинамического равновесия – когда все три эти величины постоянны. Очень интересный вопрос, который затрагивает термодинамика – почему, к примеру, вода при температуре в 0° С может находится как в жидком, так и в твердом агрегатном состоянии.