Что изучает молекулярная физика

РАЗДЕЛ «МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»

В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ

§ 1. ЗНАЧЕНИЕ, МЕСТО И ОСОБЕННОСТИ РАЗДЕЛА

«МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»

В разделе «Молекулярная физика» учащиеся изучают пове-дение качественно нового материального объекта: системы, со-стоящей из большого числа частиц (молекул и атомов), новую, присущую именно этому объекту форму движения (тепловую) и соответствую-щий ей вид энергии, (внутреннюю). Здесь учащихся впервые знако-мят со статистическими закономерностями, которые используют для описания поведения большого числа частиц. Фор-мирование стати-стических представлений позволяет помять смысл необратимости тепловых процессов. Именно необратимость является отличитель-ным свойством тепловых процессов и позволяет говорить о тепловом равновесии, температуре, понять принцип ра-боты тепловых машин.

Задача учителя - рассмотреть в единстве два метода описа-ния тепловых явлений и процессов: термодинамический (феноме-нологи-ческий), основанный на понятии энергии, и статистический, основан-ный на молекулярно-кинетических представлениях о строе-нии веще-ства. При рассмотрении статистического и термодинами-ческого мето-дов необходимо четко разграничить знания, полученные эмпириче-ски, и знания, полученные в результате моделирования внутреннего строения вещества и происходящих с ним явлений и процессов.

Важно показать, что эти два подхода, по сути, описывают с раз-ных точек зрения состояние одного и того же объекта и по-тому до-полняют друг друга. В связи с этим, формируя такие по-нятия, как температура, внутренняя энергия, идеальный газ и т. д., учитель дол-жен раскрыть их содержание как с термодинамиче-ской, так и с моле-кулярно-кинетической точки зрения.

В разделе «Молекулярная физика» изучают молекулярно-кине-тическую теорию строения вещества, основные положения ко-торой рассматривали еще в VII классе. Изучая физику в VII и VIII классах, учащиеся научились объяснять целый ряд физиче-ских явлений, свойств веществ (свойства жидкостей и газов, дав-ление, тепловые явления и пр.) с точки зрения внутренней струк-туры вещества. Од-нако понятия, составляющие содержание соответствующих тем, изучали на уровне представлений, а все явления описывали качественно. Поэтому при преподавании молеку-лярной физики в X классе знания, имеющиеся у учащихся, нужно актуализировать, углубить и расширить, довести их до уровня понятий и количественного описания явлений. В частности, в курсе физики X класса изучают основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов; значительно глубже, чем в VII классе, рассматривают свойства газов, жидкостей и твердых тел.

В разделе получают дальнейшее развитие энергетические пред-ставления, происходит обобщение закона сохранения энергии на тепловые процессы, вводят формулу первого закона термодина-мики и рассматривают применение этого закона к анализу кон-кретных процессов. Изучение одного из основных принципов тер-модинамики имеет огромное познавательное и мировоззренческое значение для десятиклассников.

Раздел «Молекулярная физика» дает возможность продолжить знакомство учащихся с экспериментальным методом исследования, который находит отражение в фундаментальных опытах (броунов-ское движение, опыт Штерна) и опытах, иллюстрирующих газо-вые законы (опыт Бойля, Шарля и пр.).

Мировоззренческое значение раздела «Молекулярная физика» трудно переоценить. При его изучении происходит углубление по-нятия материи. Молекулы и атомы являются вещественной фор-мой материи, объективно существующей в окружающем мире. Они обладают массой, импульсом, энергией. Являясь видом материи, молекулы и атомы имеют присущие материи свойства, одно из которых - движение. Молекулы и атомы участвуют в особом дви-жении, называемом тепловым, которое отличается от простейше-го механического движения большой совокупностью участвую-щих в нем частиц и хаотичностью. Тепловое движение описыва-ется статистическими законами. В связи с этим важно показать школьникам различие между статистическими и динамическими закономерностями, соотношение между ними и обратить внимание учащихся на отражение в этих закономерностях категорий не-обходимого и случайного.

Раздел «Молекулярная физика» дает прекрасную возможность для демонстрации дедуктивного метода изучения явлений приро-ды. Применение дедукции в преподавании вносит свой вклад в развитие абстрактного мышления учащихся.

Велико политехническое значение этого раздела курса физики. Достижения молекулярной физики являются научной основой та-кой отрасли промышленности, как материаловедение. Знание внутреннего строения тел позволяет создавать материалы с заранее заданными свойствами, целенаправленно работать над повышени-ем твердости, термостойкости, теплопроводности металлов и сплавов.

Изучение тепловых явлений дает возможность ознакомить уча-щихся c основами теплоэнергетики, отрасли, занимающей в на-шей стране первое место в обеспечении энергией нужд промыш-ленности и быта.

Раздел «Молекулярная физика» изучается в старших классах после раздела «Механика». Такое расположение материала, с од-ной стороны, соответствует методическому принципу рассмотрения физических явлений в порядке усложнения форм движения Ма-терии, а с другой - позволяет изучать микроявления на количе-ственном уровне и использовать известные из курса механики ве-личины: масса, скорость, сила, импульс, энергия и т. д.

§ 2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛА

«МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»

Структуру раздела «Молекулярная физика» определяют два обстоятельства: избранный метод изучения газовых законов (ин-дуктивный или дедуктивный) и метод введения понятия темпе-ратуры.

При индуктивном изучении газовых законов вначале на каче-ственном уровне рассматривают основные положения молекулярно-кинетической теории, затем некоторые вопросы термодинамики, газовые законы вводят эмпирически и объясняют с точки зрения молекулярных представлений и на основе термодинамического подхода. Методическая идея в этом случае заключается в совмест-ном изучении тепловых явлений и молекулярной физики, в опыт-ном изучении свойств веществ и их объяснении на основе теории. В этом случае раздел имеет следующую структуру: основные положения молекулярно-кинетической теории - основы термоди-намики (тепловое равновесие, параметры состояния, температура, газовые законы, абсолютная температура, первый закон термоди-намики) - молекулярно-кинетическая теория идеального газа (ос-новное уравнение молекулярно-кинетической теории газов, темпе-ратура - мера средней кинетической энергии молекул) - свойства газов, жидкостей и твердых тел и их взаимные превращения.

Эмпирический подход к изучению газовых законов вполне до-ступен для учащихся, при его использовании представления и по-нятия формируют на чувственно-конкретной основе, он не требует высокого уровня абстрактного мышления, соответствует истории открытия газовых законов и позволяет знакомить учащихся с пу-тями развития физики. Недостатком этого подхода является то, что он не позволяет полностью использовать молекулярно-кинетическую теорию для описания свойств идеального газа.

При дедуктивном подходе вначале изучают молекулярно-кинетическую теорию идеального газа: выводят основное уравнение

уравнения состояния идеального газа и подтверждают экспери-ментально. Далее можно изучать законы термодинамики и рас-сматривать применение первого закона термодинамики к изопроцессам.

Такой подход имеет целый ряд достоинств по сравнению с ин-дуктивным, одно из которых заключается в соответствии его ос-новной идее современного школьного курса - усилению роли научных теорий. Кроме того, он позволяет наглядно продемонст-рировать тот факт, что фундаментальных законов в физике не так много, большинство же могут быть получены как частные случаи из более общих законов. Применение здесь дедуктивного метода играет большую роль в формировании научного мировоззрения и развитии мышления школьников. Он также позволяет получить выигрыш во времени.

При дедуктивном подходе к изучению газовых законов воз-можна и иная структура раздела, при которой школьников сначала знакомят с основными понятиями и законами молекулярно- кинетической теории и термодинамики, а затем применяют в единстве аппарат этих теорий для изучения свойств макроскопических систем. В этом случае раздел имеет следующую структуру: основные положения молекулярно-кинетической теории - основы термодинамики - строение и свойства газов, жидкостей и твер-дых тел - агрегатные превращения.

Что касается введения понятия температуры, то при индуктив-ном изучении газовых законов последовательность его раскрытия такова: температура как параметр состояния макроскопической системы - абсолютная температура (из закона Шарля или Гей-Люссака) - температура - мера средней кинетической энергии мо-лекул (из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов и эмпирически полученного уравнения состояния идеаль-ного газа).

При дедуктивном изучении газовых законов понятие темпера-туры вводят следующим образом: температура как параметр состояния макроскопической системы - абсолютная температура - температура - мера средней кинетической энергии молекул (из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов и

для всех газов в состоянии теплового равновесия показывают, что абсолютная температура пропорциональна средней кинетической энергии молекул).

При дедуктивном изучении газовых законов можно ввести по-нятие температуры и по следующей схеме: температура как па-раметр состояния макроскопической системы - температура - мера средней кинетической энергии молекул (по определению после рассмотрения основного уравнения молекулярно-кинетиче-ской теории газов) - абсолютная температура.

В соответствии с программой одиннадцатилетней школы раз-дел «Молекулярная физика» включает две темы: «Основы моле-кулярно-кинетической теории» и «Основы термодинамики», т. е. изучение материала начинают с основных положений молекуляр-но-кинетической теории и их опытного обоснования. Это вполне оправдано, так как глубокое понимание термодинамики возмож-но лишь после изучения механизма, лежащего в основе того или иного процесса. Кроме того, изучение основных положений моле-кулярно-кинетической теории сразу же позволяет установить связь рассматриваемого материала с тем, что уже известно учащимся из курса физики VП-VIП классов и из курса химии VПI- IX классов.

Вопросы молекулярно-кинетической теории изучают здесь бо-лее глубоко, особое внимание уделяют опытным обоснованиям молекулярно-кинетической теории: рассматривают броуновское движение, достаточно детально изучают характеристики молекул, методы их теоретического и экспериментального определения, при объяснении взаимодействия между молекулами проводят анализ графика сил взаимодействия.

Затем в этой же теме изучают основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа, понятие температуры, уравнение Менделеева-Клапейрона и изопроцессы. Знания, по-лученные школьниками при изучении этого материала, используют для объяснения свойств паров, жидкостей и твердых тел.

В теме «Основы термодинамики» повторяют и углубляют по-нятия, изученные учащимися в VIII классе: внутренняя энергия, способы изменения внутренней энергии, количество теплоты и ра-бота как меры изменения внутренней энергии, обсуждают зависимость внутренней энергии от параметров состояния системы. Затем изучают первый закон термодинамики, дают понятие о вто-ром законе термодинамики (невозможности полного превращения внутренней энергии в работу). Важный вопрос темы - вопрос о принципах действия тепловых двигателей, рассмотрение которого позволяет показать применение законов термодинамики в кон-кретных технических устройствах и тем самым ознакомить деся-тиклассников с физическими основами теплоэнергетики.

§ 3. СТАТИСТИЧЕСКИЙ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ

Сущность статистического метода изучения явлений соответ-ствует положению диалектического материализма о соотношении необходимого и случайного. Движение каждой молекулы тела или системы подчиняется законам классической механики, однако ее поведение в каждый момент времени случайно, оно зависит от множества причин, которые невозможно учесть. Например, ско-рость, энергия, импульс каждой молекулы зависят от столкнове-ний ее с другими молекулами, и предсказать значения этих вели-чин в каждый момент времени невозможно.

С другой стороны, поведение всей совокупности частиц под-чиняется определенным закономерностям, которые называют ста-тистическими и которые проявляются при изучении поведения большого числа частиц. Например, если скорость каждой молеку-лы в данный момент времени - величина случайная, то большин-ство молекул имеет скорость, которая близка к некоторому опре-деленному при данных условиях значению, называемому наиболее вероятным.

Математическую основу статистической физики составляет тео-рия вероятностей, важными понятиями которой являются: «слу-чайное событие», «вероятность», «статистическое распределение», «среднее значение случайной величины».

Под случайным понимают событие, которое может наступить, а может не наступить в данных условиях. Случайное событие характеризуется следующими признаками: а) невозможностью однозначного предсказания случайного события; б) наличием боль-шого числа причин, обусловливающих случайное событие; в) предсказуемостью хода процесса в массовом коллективе случайных событий; г) вероятностью события как математического выраже-ния возможности предсказания процесса.

Эти признаки можно рассмотреть на примере совокупности большого числа молекул. В частности, невозможно однозначно предсказать движение каждой отдельной молекулы, так как оно зависит от поведения множества других молекул. Это можно сде-лать лишь с определенной вероятностью.

Вероятность - это числовая характеристика возможности по-явления события в тех или иных условиях. Чем больше вероят-ность, тем чаще происходит данное событие. Если число всех проведенных испытаний N, ΔN-число испытаний, в которых про-исходит данное событие, то вероятность этого события вычисляют по формуле: ω=
.

Можно под N понимать общее число частиц в системе, а под ΔN - число частиц, находящихся в определенном состоянии. В этом случае ω - вероятность существования частицы в данном состоянии.

В теоретических расчетах бывает сложно вычислить вероят-ность, так как не представляется возможным предсказать число испытаний, в которых событие произойдет. Задача упрощается, если изучают равновероятные события, т. е. события, происходя-щие с равной частотой. Именно с равновероятными событиями имеют дело при рассмотрении хаотического движения молекул: вдоль любых выделенных направлений движется одинаковое чис-ло частиц. Следует пояснить учащимся, что понятие вероятности имеет смысл лишь для массовых событий. В противном случае частота наступления события может существенно отличаться от значения вероятности.

Понятие о статистическом распределении вводят, используя опыт с доской Гальтона (рис. 46), который достаточно наглядно иллюстрирует распределение молекул по координатам. С вопро-сом о распределении десятиклассники сталкиваются при выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов, рассматривая равновероятное рас-пределение молекул по объему и по направлениям движения. Изучая вопрос о скоростях молекул, школь-ники знакомятся с максвелловским распределением.

При изучении молекулярно-ки-нетической теории учащиеся ши-роко используют среднее значе-ние случайных величин. Важно подчеркнуть, что среднее значение случайной величины - характеристика статистического распределения. Именно для большого числа частиц среднее значение случайной величины постоянно. К таким величинам относится, например, скорость движения мо-лекул. Не имея возможности определить скорость каждой отдель-ной молекулы, для расчетов используют значение скорости, равное среднему квадрату:

При выводе основного уравнения кинетической теории газов рассчитывают давление газа на стенки сосуда. Речь идет о сред-нем значении давления, так как в разные моменты времени о стен-ку ударяется разное число молекул, имеющих различные скоро-сти. Но при большом числе молекул можно считать давление по-стоянным, а флуктуацию давления достаточно малой.

У учащихся может сложиться впечатление, что статистический метод был введен в науку как некий искусственный прием, позво-ливший описать поведение молекул, и что динамические законы являются основными по сравнению со статистическими. Следует предупредить эту ошибку и объяснить, что статистические законы существуют объективно. Классическая статистика возникла в XIX в. Этот факт выражал прогрессивное направление науки и был связан с изучением внутреннего строения вещества. В настоя-щее время известно, что поведение всех микрообъектов подчиня-ется статистическим законам, причем в квантовой физике в отли-чие от классической статистические законы проявляются не толь-ко вследствие массовости и хаотичности движения, но и в связи с самой природой квантовых объектов (с невозможностью одновре-менного точного определения координаты и скорости частицы). Целесообразно подчеркнуть, что статистический метод является основой современной физики. В частности, вероятностные, стати-стические законы господствуют в мире элементарных частиц.

Термодинамический метод описания явлений и процессов опи-рается на непосредственные данные наблюдений и опытов и на основные термодинамические принципы (законы термодинамики).

Термодинамика - феноменологическая теория, которая изучает явления и свойства макроскопических тел, связанные с превраще-нием энергии, и не рассматривает их внутреннее строение. Начало термодинамики как науки было положено в работе С. Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г.), в которой рассматривались тепловые процессы, в частности вопросы изменения внутренней энергии при совершении работы и вопросы теории тепловых машин. В на-стоящее время термодинамика изучает превращения энергии не только в тепловых процессах, но и в электрических, магнитных, химических и др.

В основе термодинамического метода лежат следующие поня-тия: «термодинамическая система», «состояние термодинами-ческой системы», «термодинамические параметры состояния» и «равновесное состояние».

Термодинамической системой называют тело или совокупность тел, обменивающихся энергией между собой и с внешними тела-ми. Если обмена энергией с внешними телами нет, то система яв-ляется изолированной. Понятие изолированной системы - абстракция, все реальные системы можно считать изолированными лишь с той или иной степенью точности.

С понятием состояния школьники уже знакомы из курса ме-ханики. Они знают, что механическое состояние системы опреде-ляется совокупностью величин, характеризующих свойства систе-мы и называемых параметрами состояния. К ним в механике от-носят координату, импульс и т. д. Состояние термодинамической системы также определяется рядом параметров (термодинамиче-ских). Термодинамическими параметрами состояния являются тем-пература, объем, давление и т. д.

Число параметров, характеризующих состояние системы, за-висит от свойств системы и от условий, в которых она находится. Трех названных выше параметров достаточно для описания изо-лированной системы «идеальный газ», но если рассматривать, на-пример, неоднородный газ, то необходимо учитывать еще и кон-центрацию.

Параметры могут быть внешними и внутренними. Температу-ра и давление, например, зависят только от состояния самой системы и не связаны с внешними условиями. Объем же зависит от внешних условий. Некоторые параметры состояния, например, объем, обладают свойством аддитивности, другие, такие, как дав-ление и температура, не обладают.

При изменении состояния системы меняются и ее параметры. Однако для целого ряда тер-модинамических систем между параметрами можно установить функциональную зависимость. Уравнение, выражающее эту зави-симость, называют уравнением состояния (для системы «идеаль-ный газ» это уравнение pV = NkT ).

Состояние системы может быть равновесным и неравновесным. Равновесное состояние характеризуется неизменностью всех тер-модинамических параметров системы во времени и одинаковостью в пространстве в отсутствие внешних воздействий. Термодинамика изучает в основном равновесные состояния. Если система находит-ся в неравновесном состоянии (т. е. параметры ее с течением времени меняются), то постепенно она придет в состояние равно-весия и ее параметры выровняются во всех частях системы.

Изо-лированная термодинамическая система с течением времени всегда приходит в равновесное состояние, из которого не может само-произвольно выйти. Это утверждение составляет сущность закона термодинамического равновесия, являющегося одним из важней-ших опытных законов термодинамики. Именно закон термодина-мического равновесия делает возможным измерение температуры системы.

Целесообразно подчеркнуть, что уравнение состояния идеаль-ного газа и частные газовые законы справедливы лишь для рав-новесных процессов. К неравновесным процессам они непримени-мы, так как в этом случае параметры состояния различны для разных частей системы. Из одного равновесного состояния в дру-гое система может перейти под влиянием внешнего воздействия.

Такой переход в термодинамике называют процессом. Если во вре-мя процесса система остается равновесной, то и процесс называ-ют равновесным. Равновесный процесс осуществляется тогда, ког-да время релаксации (время перехода системы из неравновесного состояния в равновесное) много меньше времени осуществления процесса. В этом случае систему в каждый момент времени с той или иной степенью точности считают равновесной, или статиче-ской. Поскольку в действительности отклонения от статичности имеются (иначе нельзя было бы осуществить процесс), то состоя-ние системы называют квазистатическим, а процесс - квазистати-ческим процессом. Следует иметь в виду, что на графике можно изобразить только равновесное (квазистатическое) состояние или равновесный (квазистатический) процесс.

При изучении раздела «Молекулярная физика» учителю сле-дует постоянно подчеркивать единство статистического и термоди-намического методов. В этом отношении полезно обобщать и си-стематизировать знания школьников о статистическом и термоди-намическом подходах к описанию тепловых явлений. Обобщение знаний проводят в конце изучения всего раздела, а связь между этими подходами представляют в виде схемы, изображенной на рисунке 47.

§ 4 . ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

Изучение темы «Основные положения молекулярно-кинетической теории» необходимо строить с опорой на знания учащихся, полученные ими при изучении курса физики VП и VIII классов и курса химии VIII и IX классов.

Центральное понятие этой темы - понятие молекулы; слож-ность его усвоения школьниками связана с тем, что молекула - объект, непосредственно ненаблюдаемый. Поэтому учитель дол-жен убедить десятиклассников в реальности микромира, в возмож-ности его познания. В связи с этим большое внимание уделяют рассмотрению экспериментов, доказывающих существование и движение молекул и позволяющих вычислить их основные ха-рактеристики (классические опыты Перрена, Рэлея и Штерна). Кроме этого, целесообразно ознакомить учащихся с расчетными методами определения характеристик молекул.

При рассмотрении доказательства существования и движения молекул рассказывают учащимся о наблюдениях Броуном беспо-рядочного движения мелких взвешенных частиц, которое не прекращалось в течение всего времени наблюдения. В то время не было дано правильного объяснения причины этого движения, и лишь спустя почти 80 лет А. Эйнштейн и М. Смолуховский построили, а Ж. Перрен экспериментально подтвердил теорию броу-новского движения.

Из рассмотрения опытов Броуна необходимо сделать следую-щие выводы: а) движение броуновских частиц вызывается уда-рами молекул вещества, в котором эти частицы взвешены; б) броуновское движение непрерывно и беспорядочно, оно зави-сит от свойств вещества, в котором частицы взвешены; в) движе-ние броуновских частиц позволяет судить о движении молекул среды, в которой эти частицы находятся; г) броуновское движение доказывает существование молекул, их движение и непрерывный и хаотический характер этого движения.

Это относится к таким

Молекулярная физика – раздел физики, изучающий вещество на уровне молекул. Вещество на уровне атомов изучает атомная физика.
Основы современных представлений о строении вещества были заложены в те далекие времена, когда человек только делала попытку понять суть вещей, окружавших ее.
Такие неотделимы от материи понятия, как движение, дискретность были уже предметом дискуссий древнегреческих натурфилософов. Понятие «атом» (неделимый) ввел Демокрит (V век до н.э.). Сейчас представление о прерывисто, молекулярное строение вещества стало стройной теорией, проверенной множеством экспериментов.
Многочисленные факты дали основание сделать следующие выводы:
Свойства тел определяются прежде их внутренним строением, свойствами частиц, из которых они состоят, силами, которые действуют между частицами и др. Поэтому вопрос о строении вещества является одним из основных в физике и других науках о природе.
Есть два метода описания и исследования процессов, происходящих в макроскопических телах: статистический и феноменологический.
Статистический метод

Подробнее в статье Статистическая физика

Статистический метод изучения физических явлений основывается на моделировании внутренней структуры вещества. Среда рассматривают как некую физическую систему, состоящую из большого числа молекул (атомов) с заданными свойствами. Определение макроскопических характеристик и закономерностей по заданным микроскопическими свойствами среды является основной задачей этого метода.
Так, для совокупности молекул, движутся хаотично, можно найти определенные значения скорости, энергии, импульса, которые присущи большинству молекул. Такие значения величин называют наиболее вероятными. Можно определить средние значения скорости молекул, их энергии, свободного пробега молекул и др., которые являются характеристиками движения совокупности молекул. По этим характеристикам можно определить такие параметры макроскопической системы, как давление, абсолютная температура и т.д.
Статистический метод позволяет в воображаемом хаосе случайных явлений устанавливать закономерности, оправдываются для целого ансамбля явлений, а не для каждого элемента в отдельности, как в динамической закономерности. Установлены так взаимосвязи называют статистическими закономерностями.
Эти закономерности теряют смысл с переходом к системам с малым числом частиц.
Термодинамический метод
Метод описания процесса, который не учитывает микроскопическую структуру вещества, а рассматривает ее как сплошной среде, называют термодинамическим.
Феноменологический метод позволяет установить общие соотношения между параметрами, характеризующими явления в целом. Феноменологические законы имеют весьма общий характер, а роль конкретной среды учитывают применением коэффициентов, определяющих непосредственно из опыта. С помощью этого метода, в частности, было установлено законы идеальных и реальных газов.
Феноменологический метод исследования применяются в термодинамике – разделе физики, который для различных явлений природы, связанных с тепловыми эффектами, изучает условия преобразования энергии из одного вида на другой и количественно характеризует эти преобразования. В основу термодинамики положены три фундаментальные законы, установленные на основе обобщения большого числа наблюдений и опытов над достаточно большими (макроскопическими) телами.
Особенно эффективным оказалось применение феноменологического метода в теплотехнике, газодинамике, ракетной технике и т.д.
Рассматривая свойства тел и их изменения с двух разных позиций – микроскопической и макроскопической, молекулярная физика и термодинамика дополняют друг друга.
Достижения молекулярной физики широко используют в других науках о природе. С ее успехами, в частности, неразрывно связано развитие химии и биологии. В процессе развития в молекулярной физике выделились самостоятельные разделы, например: физическая химия, физическая кинетика, молекулярная биология, физика твердого тела.
Основные понятия молекулярной физики используется в некоторых специальных областях науки, в частности, в физике металлов, полимеров и плазмы, кристалофизици, физико-химической механике.
Молекулярная физика является научной основой современного материаловедения, вакуумной технологии, порошковой металлургии, холодильной техники и др.
Значительным успехом современной физики стал синтез искусственного алмаз в и других сверхтвердых материалов.
Достижения молекулярной физике и термодинамике положено в основу создания современных тепловых двигателей, холодильных встал аппаратов для сжижения газов, химических и пищевых производств; они способствуют дальнейшему развитию метеорологии.

Молекулярная физика представляет собой раздел физики, изучающий строение и свойства вещества, исходя и так называемых молекулярно-кинетических представлений. Согласно этим представлениям любое тело (твердое, жидкое, газообразное) состоит из большого количества весьма малых обособленных частиц – молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы).

Это представление возникло ещё в глубокой древности и было отчетливо высказано греческим философом Демокритом (Vв. до н.э.). Однако в дальнейшем эти атомистские воззрения были забыты и возрождены лишь во второй половине XVIIв. Бойлем, а затем в 18-19в.в. разработаны Ломоносовым, Дальтоном, Кренигом, Больцманом, Максвеллом и др. в качестве научной теории, получившей название молекулярно-кинетической теории .

Основоположником этой теории является Ломоносов, который впервые заявил, что любое тело состоит из мельчайших частиц – корпускул, имеющих форму шара с шероховатой поверхностью. При движении эти частицы сталкиваются друг с другом и из-за шероховатости приобретают вращательное движение. Т.е. Ломоносов высказал мысль о том, что молекулы движутся не только поступательно, но и вращательно. Этим самым он опроверг теорию теплорода, согласно которой теплота рассматривалась как особая жидкость, которая впитывалась телами в различной степени в зависимости от теплового состояния. Ломоносов также впервые ввел понятие абсолютного нуля. Он заявил, что должна существовать наивысшая степень холода, при которой отсутствует какое либо движение частиц, включая и вращательное. Непосредственным доказательством хаотичности теплового движения является броуновское движение.

Особенно стоит отметить труды русского ученого и мыслителя М.В. Ломоносова (1711-1765г.г.), который предпринял попытку дать единую картину всех известных в его время физических и химических явлений. При этом он исходил из корпускулярного (по современной терминологии – молекулярного) представления о строении материи. Восставая против господствовавшей в его время теории теплорода (гипотетической тепловой жидкости, содержание которой в теле определяет степень его нагретости), Ломоносов «причину тепла» видит в во вращательном движении частиц тела. Таким образом, Ломоносовым были по существу сформулированы молекулярно-кинетические представления. Также М.В. Ломоносов впервые объяснил природу теплоты на основе беспорядочного движения молекул. По его представлениям температура вещества не имеет ограничения сверху, т.к. скорости теплового движения молекул могут быть сколь угодно велики. При уменьшении скорости молекул до нуля должно быть достигнуто минимально возможное значение температуры вещества. Объяснение природы теплоты движением молекул и вывод о существовании температуры абсолютного нуля, сделанный Ломоносовым, получили теоретическое и экспериментальное подтверждение в конце 19в.

Представления о молекулярном строении тел Ломоносовым высказывались в следующей форме. Он писал: «Нельзя также отрицать движение тел там, где глаз его не видит; кто будет отрицать, что движутся листья и ветви деревьев при сильном ветре, хотя издали он не заметит никакого движения. Как здесь из-за отдаленности, так и в горячих телах вследствие малости частичек вещества движение скрывается от взоров». Т.е. причина того, что тела нам представляются сплошными в том, что атомы и молекулы чрезвычайно малы.

Как уже говорилось благодаря трудам многих ученых, начало которым положил Ломоносов, Атомистика во второй половине 19в. – начале 20в. превратилась в научную теорию.

Для характеристики масс атомов и молекул применяют величины, получившие название относительной атомной массы элемента (сокращенно – атомной массы ) и относительной молекулярной массы вещества (сокращенно – молекулярной массы ).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Атомной массой (A r) химического элемента называется отношение массы атома этого элемента к 1/12 массы атома С 12 .

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Молекулярной массой (M r) вещества называется отношение массы молекулы этого вещества к 1/12 массы атома С 12 .

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Единица массы, равная 1/12 массы атома С 12 , называется атомной единицей массы (а.е.м.).

Тогда, масса атома, выраженная в кг, будет равна A r ×m ед. , а масса молекулы M r ×m ед. , где m ед. – атомная единица массы, выраженная в кг .

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Количество вещества, в котором содержится число частиц (атомов или молекул), равное числу атомов в 0,012кг изотопа углерода С 12 , называется молем .

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Число частиц, содержащееся в моле (или в киломоле) вещества, называется числом Авогадро .

N A =6,023×10 23 моль -1 =6,023×10 26 кмоль -1 .

Итак, в 1 моле меди (Cu) содержится N A атомов Cu; в 1 моле азота содержится N A атомов азота и т.д.

Масса моля называется молярной массой М .

Молярная масса . (*)

Для углерода С 12: ‑ М=12кг/кмоль, масса атома рана 12·m ед. . Тогда из (*) следует:

12кг/кмоль=N A (кмоль -1)×12×m ед. (кг).

.

Зная число Авогадро, получаем: .

Таким образом, масса любого атома равна 1,66×10 -27 ×A r , (кг), а масса любой молекулы: 1,66×10 -27 ×M r , (кг).

Так как произведение N A ×m ед. численно рано “1”, то масса киломоля M численно рана относительной молекулярной массе M r . (При этом M r – безразмерная величина, [M] = [кг/кмоль]).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Количество вещества, масса которого, выраженная в кг, численно равна его молекулярному весу, называется кмолем.

Проведем теперь оценку размеров молекул.

Предположив, что в жидкостях молекулы располагаются достаточно близко друг к другу, приближенную оценку объема одной молекулы получим, разделив объем киломоля жидкости, например, воды на число молекул в киломоле N A . Киломоль (т.е., 18 кг) воды занимает объем 0,018м 3 . Следовательно, на долю одной молекулы приходится объем равный . Отсюда линейные размеры молекул воды приблизительно равны .

У молекул других веществ размеры молекул того же порядка.

2. Молекулы, образующие тело, находятся в состоянии непрерывного беспорядочного (хаотичного) движения.

При этом молекулы, сталкиваясь друг с другом, изменяют свою скорость как по величине, так и по направлению. Правда, столкновения в обычном смысле этого слова не происходит, т.к. соприкосновению молекул препятствуют резко возрастающие при сближении силы отталкивания. Однако действие этих сил приводит к такому же результату, как и обычное столкновение, т.е. к отскакиванию сблизившихся молекул друг от друга.

Скорость движения молекул в теле связана с его температурой, чем больше скорость, тем выше температура тела.

Непрерывное хаотическое движение молекул наглядно обнаруживается в явлениях диффузии и броуновского движения .

3. Между молекулами вещества одновременно действуют силы взаимного притяжения (сцепления) и силы взаимного отталкивания (иначе говоря, силы взаимодействия).

Согласно экспериментальным и теоретическим исследованиям межмолекулярные силы взаимодействия “f ” обратно пропорциональны n-ой степени расстояния r между ними, т.е. .

Для сил притяжения – n=7;

Для сил отталкивания – n=9…15.

Только при таком соотношении между f прит. и f отталк. молекулы могут находиться в устойчивом равновесии на некотором расстоянии друг от друга.

Примерный характер потенциальной энергии взаимодействия молекул в зависимости от расстояния между ними показан на рисунке. Равновесное расстояние r 0 между молекулами составляет около 3×10 -8 см (на этом расстоянии F = 0). На расстоянии r ≥ 1,5×10 ‑7 см межмолекулярные силы практически перестают действовать (F®0), т.е. силы межмолекулярного взаимодействия проявляются на расстояниях такого же порядка, что и размер самих молекул.

(Силы межмолекулярного взаимодействия на больших расстояниях имеют электрическую природу, обусловленную тем, что молекулы состоят из электрически заряженных частиц и молекулы либо изначально полярны, в силу несимметричности расположения зарядов, либо, имея нулевой средний по времени дипольный момент, обладают ненулевым мгновенным дипольным моментом, в силу непрерывного движения составляющих их заряженных частиц).

--------- « » ---------

Для того чтобы исследовать структуру вещества и происходящие в нем процессы используют 2 (два) метода (подхода):

Молекулярно-кинетическая теория ставит целью истолковать те свойства тел, которые непосредственно наблюдаются на опыте, например давление, температуру и другие параметры, как суммарный результат действия молекул. Для этого она пользуется статистическим методом , т.е. вычисляет средние величины, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц.

Другим методом изучения различных свойств вещества является термодинамический метод , который в отличие от статистического не интересуется микроскопической картиной. В основе термодинамического метода лежат несколько фундаментальных законов, установленных на основании огромного числа опытных фактов, например, законы сохранения и перехода энергии. В отличие от молекулярно-кинетической теории термодинамика изучает макроскопические свойства тел и явлений природы, не интересуясь их микроскопической картиной.

В основе термодинамики лежат несколько фундаментальных законов (называемых началами термодинамики), установленных на основании обобщения большой совокупности опытных данных. В силу этого выводы термодинамики имеют весьма общий характер.

1 начало – закон сохранения и превращения энергии в тепловых процессах.

2 начало – указывает направление протекания тепловых процессов.

3 начало – заключается в том, что абсолютный нуль температуры недостижим.

Термодинамический метод позволяет, не делая никаких предположений о молекулярном строении вещества, получить основные закономерности для тепловых процессов, установить связь между ними.

Статистический и термодинамический методы дополняют друг друга, образуя единое целое.

Для описания поведения термодинамических систем (газы, жидкости и т.д.) пользуются следующими величинами: давлением p , объемом V и абсолютной температурой T , которые называют термодинамическими параметрами . Первые два параметра достаточно хорошо известны, поэтому рассмотрим подробнее температуру.

Изучающий физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения. В зависимости от молекулярного строения тел, сил межмолекулярного взаимодействия и характера теплового движения частиц, молекулярная физика изучает особенности процессов фазового равновесия и фазовых переходов веществ - кристаллизацию и плавление, испарение и конденсацию и др., явления переноса - диффузию, теплопроводность, внутреннее трение, а также поверхностные явления на границах раздела различных фаз.

Разделами молекулярной физики являются физика газообразного состояния вещества, физика конденсированного состояния вещества (жидкости и твердые тела), физические явления в поверхностных слоях различных соприкасающихся фаз и др. Из молекулярной физики выделились в самостоятельные разделы физика твердого тела , физическая химия , молекулярная биология и т. д.

Первым сформировавшимся разделом молекулярной физики была кинетическая теория газов . В процессе ее развития была создана классическая статистическая физика, которая наряду с термодинамическим методом легла в основу методов теоретического исследования в молекулярной физике.

Статистический метод, используемый и развитый в молекулярной физике, состоит в изучении совокупностей большого числа частиц, участвующих в тепловом движении и образующих физические тела, находящиеся в различных агрегатных состояниях. Законы поведения совокупностей большого числа частиц, исследуемых статистическими методами, называются статистическими закономерностями. Математическим аппаратом метода является теория случайных величин и процессов. То есть статистический метод является методом исследования систем, состоящих из большого количества частиц, и использующий статистические закономерности и средние значения физических величин, характеризующих всю совокупность частиц.

Статистический подход является по сути молекулярно-кинетической теорией, основанной на определенных представлениях о строении вещества. Задачей статистической механики является установление законов поведения макроскопических систем, состоящих из большого числа частиц, на основе известных динамических законов поведения отдельных частиц. При этом статистическая механика дает возможность установить связь между макроскопическими параметрами большой системы и средними значениями микроскопических величин, характеризующих отдельные молекулы. Так как макроскопические параметры системы зависят от движения молекул, задачей статистической физики заключается в том, чтобы выразить свойства системы в целом через характеристики отдельных молекул.

Термодинамический метод исследования систем, состоящих из большого числа частиц, отличается от статистического тем, что оперирует величинами, характеризующими систему в целом, такими как, например, температура и давление. Термодинамические методы не рассматривают процессы, происходящие на микроуровне.

Термодинамический метод исследования систем, состоящих из большого числа структурных элементов, строится на основе применения к системам нескольких принципов, гипотез, аксиом, которые либо являются обобщением опыта, либо их применение не противоречит ему. Термодинамика представляет собой феноменологическую теорию, основанную на небольшом числе установленных законов, таких, как, например, закон сохранения энергии. В методе не рассматривают микроструктуру систем и механизм совершающихся в них микропроцессов. Основные понятия термодинамики вводятся на основе физического эксперимента, при этом связь между различными макроскопическими параметрами устанавливается опытным путем. Поэтому результаты и методы термодинамики могут быть применимы для любых систем без конкретизации деталей их устройств. Термодинамический подход дает возможность решать конкретные задачи, не имея сведений о свойствах атомов или молекул.

На основе общих теоретических представлений молекулярной физики получили развитие такие специальные области науки, как физика металлов, физика полимеров, физика плазмы, кристаллофизика , физико-химическую механика, физико-химия дисперсных систем и поверхностных явлений, теория тепло- и массопереноса. При всём различии объектов и методов исследования сохраняется основная идея молекулярной физики - описание макроскопических свойств вещества, исходя из особенностей микроскопической (молекулярной) картины его строения.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

Раздел физики, в к-ром изучаются физ. св-ва тел в разл. агрегатных состояниях на основе рассмотрения их микроскопич. (молекулярного) строения. Задачи М. ф. решаются методами физ. статистики, термодинамики и физ. кинетики, они связаны с изучением движения и вз-ствия ч-ц (атомов, молекул, ионов), составляющих физ. тела.

Первым сформировавшимся разделом М. ф. была . В процессе её развития работами англ. Дж. Максвелла (1858-60), австр. Л. Больцмана (1868) и амер. физика Дж. У. Гиббса (1871 -1902) была создана классич. статистич. физика.

Количеств. представления о вз-ствии молекул (мол. силах) начали развиваться в теории капиллярных явлений. Классич. работы в этой области франц. учёных А. Клеро (1743), П. Лапласа (1806), англ. учёного Т. Юнга (1805), франц. учёного С. Пуассона, нем. учёного К. Гаусса (1830 - 1831), Гиббса (1874-78), И. С. Громеки (1879, 1886) и др. положили начало теории поверхностных явлений. Межмол. вз-ствия были учтены голл. физиком Я. Д. Ван-дер-Ваальсом при объяснении физ. св-в реальных газов и жидкостей.

В нач. 20 в. М. ф. вступает в новый этап развития. В работах франц. физика Ж. Б. Перрена и швед. учёного Т. Сведберга (1906), польск. физика М. Смолуховского и А.. Эйнштейна (1904-06), посвящённых броуновскому движению микрочастиц, были получены доказательства реальности существования молекул. Методами рентгеновского структурного анализа (а впоследствии - методами электронографии и нейтронографии) были изучены структура тв. тел и жидкостей и её изменения при фазовых переходах и изменении темп-ры, давления и др. хар-к. Учение о межатомных взаимодействиях на основе представлений квантовой механики получило развитие в работах нем. физиков М. Борна, Ф. Лондона и В. Гейтлера, а также П. Дебая (Германия). Теория переходов из одного агрегатного в другое, намеченная Ван-дер-Ваальсом и англ. физиком У. Томсоном и развитая в работах Гиббса, Л. Д. Ландау (1937) и нем. физико-химика М. Фольмера (30-е гг.) и их последователей, превратилась в современную теорию образования фазы - важный самостоят. раздел М. ф. Объединение статистич. методов с совр. представлениями о структуре в-ва в работах Я. И. Френкеля, англ. физико-химика Г. Эйринга (1935-36), англ. учёного Дж. Бернала и др. привело к М. ф. жидких и тв. тел.

Круг вопросов, охватываемых М. ф., очень широк. В ней рассматриваются: строение в-в и его изменение под влиянием внеш. факторов (давления, темп-ры, электрич. и магн. полей), явления (диффузия , теплопроводность, внутр. трение), и процессы фазовых переходов (кристаллизация и плавление, испарение и конденсация и др.), критич. состояние в-ва, на границах раздела разл. фаз.

Интенсивное развитие М. Ф. привело к выделению из неё мн. самостоят. разделов (статистич. физика, физ. , физика тв. тела, физ. химия, мол. биология). На основе общих теоретич. представлений М. ф. получили развитие физика металлов, физика полимеров, физика плазмы, физико-химия дисперсных систем и поверхностных явлений, теория массо- и теплопереноса, физико-хим. . При всём различии объектов и методов исследования здесь сохраняется. однако, гл. идея М. ф.- описание макроскопич. св-в в-ва на основе микроскопической (молекулярной) картины его строения.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

- раздел физики, в к-ром изучаются физ. свойства тел на основе рассмотрения их молекулярного строения. Задачи M. ф. решаются методами физ. статистики, термодинамики и физ. кинетики, они связаны с изучением движения и взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих физ. тела.

Первым сформировавшимся разделом M. ф. была кинетич. теория газов. В процессе её развития работами Дж. К. Максвелла (J. К. Maxwell, 1858-60), Л. Больц-мана (L. Boltzmann, 1868), Дж. У. Гиббса (J. W. Gibbs, 1871 -1902) была создана классич. статистич. физика.

Количеств. представления о взаимодействии молекул (молекулярных силах) начали развиваться в теории капиллярных явлений. Классич. работы в этой области А. К. Клеро (А. С. Clairaut, 1743), П. С. Лапласа (P. S. Laplace, 1806), T. Юнга (Th. Young, 1805), С. Д. Пуассона (S. D. Poisson), K. Ф. Гаусса (С. F. Gauss, 1830-31), Гиббса (1874-78), И. С. Гро-меки (1879, 1886) и др. положили начало теории поверхностных явлений. Межмолекулярные взаимодействия были учтены Й. Д. Ван-дер-Ваальсом (J. D. van der Waals, 1873) при объяснении физ. свойств реальных газов и жидкостей.

В нач. 20 в. M. ф. вступила в новый этап развития. В работах Ж. Б. Перрена (J. В. Perrin) и T. Сведберга (Th. Svedberg, 1906), M. Смолуховского (M. Smolu-chowski) и А. Эйнштейна (1904-06), посвящённых броуновскому движению микрочастиц, были получены доказательства реальности существования молекул. Методами рентг. структурного анализа (а впоследствии методами электронографии и нейтронографии) были изучены структура твёрдых тел и жидкостей и её изменения при фазовых переходах и изменении темп-ры, давления и др. характеристик. Учение о межатомных взаимодействиях на основе представлений квантовой механики получило развитие в работах M. Борна (M. Born), Ф. Лондона (F. London) и В. Гайтлора (W. Heitier), а также П. Дебая (P. Debye). Теория переходов из одного агрегатного состояния в другое, намеченная Ван-дер-Ваальсом и У. Томсоном (W. Thomson) и развитая в работах Гиббса (кон. 19 в.), Л. Д. Ландау и M. Фольмера (M. Volmer, 30-е гг. 20 в.) и их последователей, превратилась в совр. теорию образования фазы - важный самостоятельный раздел M. ф. Объединение статистич. методов с совр. представлениями о структуре вещества в работах Я. И. Френкеля, Г. Эйринга (H. Eyring, 1935-36), Дж. Д. Бер-нала (J. D. Bernal) и др. привело к M. ф. жидких и твёрдых тел.

Круг вопросов, охватываемых M. ф., очень широк. В ней рассматриваются: строение веществ и его изменение под влиянием внеш. факторов (давления, темп-ры, электрич. и магн. полей), явления переноса (диффузия , теплопроводность, вязкость), фазовое равновесие и процессы фазовых переходов (кристаллизация , плавление, испарение, конденсация и др.), критич. состояние вещества, явления на границах раздела фаз.

Развитие M. ф. привело к выделению из неё самостоят. разделов: статистич. физики, физ. кинетики, физики твёрдого тела, физ. химии, молекулярной биологии. На основе общих теоретич. представлений M. ф. получили развитие физика металлов, физика полимеров, физика плазмы, кристаллофизика, физико-химия дисперсных систем и поверхностных явлений, теория мас-со- и теплопереноса, физико-хим. механика. При всём различии объектов и методов исследования здесь сохраняется, однако, гл. идея M. ф. - описание макроско-пич. свойств вещества на основе микроскопич. (молекулярной) картины его строения.

Лит.: Кикоин А. К., Кикоин И. К., Молекулярная физика, 2 изд., M., 1976; Гиршфельдер Д ж., Кер-тисс Ч., Беpд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., M., 1961; Fpенкель Я. И., Кинетическая теория жидкостей, Л., 1975; Дерягин Б. В., Ч у-раев H. В., Мулле p В. M., Поверхностные силы, M., 1985. П. А. Ребиндер, Б. В. Дерягин, H. В. Чураев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА" в других словарях:

Молекулярная физика раздел физики, который изучает физические свойства тел на основе рассмотрения их молекулярного строения. Задачи молекулярной физики решаются методами физической статистики, термодинамики и физической кинетики, они… … Википедия

МОЛЕКУЛЯРНАЯ физика, раздел физики, изучающий физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения. Первым сформировавшимся разделом молекулярной физики была кинетическая теория газов… … Современная энциклопедия

Раздел физики, изучающий физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения. Из молекулярной физики выделились в самостоятельные разделы физика твердого тела, физическая кинетика, физическая … Большой Энциклопедический словарь

Сущ., кол во синонимов: 2 молекулярка (2) физика (55) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

Раздел физики, изучающий физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения. Из молекулярной физики выделились в самостоятельные разделы физика твёрдого тела, физическая кинетика, физическая … Энциклопедический словарь

Раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их микроскопического (молекулярного) строения. Задачи М. ф. решаются методами физической статистики, термодинамики и… … Большая советская энциклопедия

молекулярная физика - molekulinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. molecular physics vok. Molekülphysik, f rus. молекулярная физика, f pranc. physique moléculaire, f … Fizikos terminų žodynas