Молекулярная физика. Основы термодинамики. Элементы молекулярно-кинетической теории. Уравнение состояния идеального газа презентация

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ), используя статистический метод исследования вещества, описывает наблюдаемые на практике свойства систем состоящих из большого числа молекул (макроскопических тел)
Статистический метод основывается на определенных представлениях о строении вещества и лежит в основе молекулярной физики
давление, температура, диффузия,
явления переноса, законы распределения молекул по скоростям, теплоемкость, и т.д.

Предметом изучения термодинамики являются закономерности превращения энергии в различных физических, химических и других процессах.
Термодинамика есть феноменологическая теория макроскопических процессов, сопровождающихся превращениями энергии
Можно сказать, что термодинамика представляет собой, в самом общем смысле, науку о энергии
В термодинамике поведение макросистем характеризуется макроскопическими (термодинамическими) параметрами – физические величины, характеризующие состояние ТС, а следовательно, и ее свойства без учета его молекулярного строения
Термодинамический подход, основывается на небольшом числе экспериментально установленных фактах (постулат, закон)

Тепловое взаимодействие состоит в передаче тепла (теплопередачи) и осуществляется путем теплопроводности, конвекции и/или излучением
Термодинамическая система – совокупность материальных тел, а также полей, находящихся в механическом и/или тепловом взаимодействии, а также обменивающихся друг с другом веществом
Механическое взаимодействие между телами осуществляется посредством механических сил
Обмен веществом состоит в переносе вещества через границы термодинамической системы
Каждому состоянию ТС отвечают определенные значения термодинамических параметров

Системы, в которых возможны все три типа взаимодействия, называются открытыми
Системы, в которых обмен веществ не происходит, называются закрытыми
Если термодинамическая система не может обмениваться теплотой с другими системами (окружающей средой), то ее называют теплоизолированной или адиабатической системой.
Систему, совершено не взаимодействующую с другими системами (окружающей средой), называют изолированной системой
Система, имеющая во всех своих частях одинаковые свойства, называется однородной

Состояние ТС, при котором все его термодинамические параметры при неизменных внешних условиях остаются постоянными сколь угодно долго, будем называть равновесным
Изопроцессами называются термодинамические процессы, происходящие в системе с постоянной массой и типом газа, при каком либо одном постоянном параметре состояния.
Уравнением состояния ТС называется уравнение, связывающее все макропараметры системы
Всякое изменение в ТС, связанное с изменением хотя бы двух из ее макропараметров, называется термодинамическим процессом
Термодинамические процессы, состоящие из непрерывной последовательности близлежащих равновесных состояний, называют квазиравновесным, в противном случае процесс называют неравновесным

2. Основные положения и понятия МКТ
В основе МКТ лежат три основных положения:
1. Относительная атомная (молекулярная) масса Mr вещества
1 а.е.м.≈1,66⋅10-27 кг
2. Количество вещества системы
3. Молярная масса
4. Масса вещества
а) все тела состоят из большого числа частиц – молекул, атомов и ионов
б) атомы, молекулы и ионы находятся в непрерывном тепловом движении, т.е. обладают кинетической энергией (броуновское движение, диффузия);
в) частицы любого тела взаимодействуют между собой.

3. Основное уравнение МКТ идеального газа
Идеальным газом в МКТ называется газ, удовлетворяющий следующим условиям:
– силы взаимодействия между молекулами ничтожно малы, и ими можно пренебречь (Ер = 0);
– молекулы взаимодействуют между собой и со стенками сосуда только при непосредственном соприкосновении, при этом они ведут себя как абсолютно упругие шарики, т.е. эти взаимодействия, подчиняются законам абсолютно упругого удара;
– время столкновения молекул друг с другом и со стаканами сосуда пренебрежимо мало по сравнению со временем между двумя последовательными столкновениями;
– объёмом всех молекул газа можно пренебречь по сравнению с объёмом сосуда, в котором этот газ находится

Давление

4. Температура. Средняя энергия теплового движения молекул.
Степень свободы
Природа теплого и холодного
В физике к понятию температуры приходят через понятие
теплового равновесия
Для теоретических исследований пользуются термодинамической шкалой температур
(шкала У. Томсон (лорд Кельвин))
В термодинамике, теплота рассматривается как род некоторого внутреннего движения, но что это за движение, какова его природа, она не конкретизирует
Молекулярная физика рассматривает теплоту как меру непрерывного, беспорядочного движения атомов и молекул
Для изучения тепловых явлений вводится новая физическая величина – температура
Температура количественная характеристика различной степени нагретости тел. (относительность)

Степень свободы
1) Одноатомная молекула (МТ)
2) Двухатомная молекула
3) Трех и более атомная молекула
Числом степеней свободы системы называется число независимых параметров, которые нужно задать одновременно для того, чтобы однозначно определить положение системы в пространстве.
На каждую степень свободы молекулы приходится в среднем кинетическая энергия, равная
метан

Основное уравнение МКТ идеального газа

5. Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы
Фр. физик Б. Клапейрон (1834 г.)
Уравнение состояния газовой смеси
Давление, оказываемой какой-либо компонентой смеси на стенки сосуда, без учета других компонент смеси, называют
парциальным давлением
Смесью газов называют совокупность нескольких химически различных газов, которые не вступают в химическую реакцию между собой

а парциальные давления каждой из компонент смеси подчиняются при этом уравнению Менделеева – Клапейрона:
Английский физик Джон Дальтон (1801 г.) экспериментально установил, что для достаточно разряженных газов давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений
закон Дальтона

Изопроцессами называются термодинамические процессы, происходящие в системе с постоянной массой и типом газа, при каком либо одном постоянном параметре состояния
1. Изотермический процесс (закон Бойля – Мариотта, 1662 г).
2. Изохорический процесс (закон Шарля, 1802 г).
3. Изобарный процесс (закон Гей-Люссака, 1802 г.).

2. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В МКТ
2.1. Общие понятия
Достоверное и невозможное события
Пример: кубик
Событием называется любое явление, которое в данных условиях может произойти или не произойти
«Измерение» физической величины называется испытанием
Случайным называется событие, которое при данном испытании может или произойти, или не произойти
Отношение Ni /N называется относительной частотой появления значения x = xi

Вероятностью данного события (наблюдения значения х = xi)
т.е. сумма вероятностей всех возможных событий равна единице
Это утверждение носит название
условия нормировки!!!
Т.к.
Ni – число испытаний в результате которых наблюдалось значение x = xi
N – полное число испытаний

Если величина х имеет непрерывный спектр значений
f(x) – функция распределения вероятностей
плотность вероятности того события, что испытание даст значение величины, равное x
Вероятность ω12 обнаружить значение величины x в заданном интервале значений х1 ≤ х ≤ х2
условие
нормировки
Свойства функции распределения
Отсюда, количество молекул dN, для которых величина x, характеризующая их, заключена в интервале значений от x, до x+dx, равна:

2.2. Закон распределение молекул идеального газа по скоростям теплового движения
Скорость молекул
NА ≈ 6,03⋅1023 моль-1
Число столкновений одной молекулы газа при нормальных условиях в среднем порядка 108 столкн/с
Молекулы газа, находящегося в равновесном состоянии движутся с
различными скоростями, причем как модуль так и направление их скорости непрерывно изменяются
В газе различают две непрерывные функции распределения молекул по скоростям
1) По компоненте скорости
2) По модулю скорости

1) Функция распределения молекул ИГ
по компоненте скорости

2) Функция распределения молекул ИГ
по модулю скорости

2.3. Характерные скорости молекул ИГ

Пример 2. Получить выражение для функции распределения Максвелла по относительным скоростям.
Найти: