Молекулярная физика. Том 2 - Матвеев А.Н.
Скачать (прямая ссылка):
располагаются в определенных местах и образуют кристаллическую решетку.
Они колеблются около некоторых средних положений, называемых узлами
кристаллической решетки; покидать небольшую область вблизи узлов они, как
правило, не могут. Линия, вдоль которой происходят колебания, и амплитуда
колебаний меняются с течением времени, но за большие по сравнению с
периодом колебаний промежутки времени. Вдоль фиксированной линии
совершается достаточно много колебаний, прежде чем направление линии
колебаний изменится. С учетом этого траекторию отдельной молекулы можно
изобразить как последовательность линейных колебаний с различными
амплитудами и в различных направлениях:
Жидкое состояние характеризуется тем, что вещество стремится сохранить
объем, но не сохраняет формы. Отметим, что шарообразная форма жидкостей в
условиях невесомости не противоречит этому утверждению. Жидкость всегда
принимает ту форму, которая соответствует действующим на нее силам. В
условиях невесомости на нее действуют силы поверхностного натяжения и
шарообразная форма соответствует общему условию устойчивости. Молекулы в
жидкости находятся близко друг к другу, как бы соприкасаясь. Однако их
относительные положения не фиксированы и они сравнительно медленно меняют
положения друг относительно друга. Траекторию молекулы можно представить
примерно таким образом:
Иногда молекулы соединяются в агрегаты, состоящие из большого числа
молекул, причем агрегатное расположение их определенным -образом
упорядочено. В этом случае жидкости обладают некоторыми свойствами,
характерными для твердых кристаллических тел (жидкие кристаллы). В
настоящее время сравнительно хорошо разработаны теории газообразного и
твердого состояний. Теория жидкого состояния наименее разработана.
Модель идеального газа. Наиболее простой моделью системы многих частиц
является идеальный газ. По определению, это газ, состоящий из точечных
материальных частиц с конечной массой, между которыми отсутствуют силы,
действующие на расстоянии, и которые сталкиваются между собой по законам
соударения шаров. Необходимо отметить, что частицы сталкиваются между
собой именно по
Ф Идеальный газ существует лишь в идее, в реальном мире он в принципе не
может существовать: допущение точеч-ности молекул и отсутствия у них
взаимодействия на расстоянии эквивалентно признанию их существования вне
пространства, т. е. их несуществованию.
Динамическое описание системы многих частиц неосуществимо с технической,
непригодно с теоретической и бесполезно с практической точек зрения.
Статистический и термодинамический методы изучения систем многих частиц
дополняют друг друга.
16 1. Статистический метод
законам соударения шаров, потому что точечные частицы, строго говоря,
испытывают только лобовые столкновения, которые приводят лишь к изменению
направления скоростей сталкивающихся частиц на обратное и не изменяют
направления их скоростей на какие-то другие углы. Наиболее близко
свойствам идеального газа соответствуют достаточно разреженные газы.
Простота модели идеального газа делает ее подходящей для ознакомления с
методами изучения систем многих частиц и соответствующими понятиями.
Динамический метод. Между столкновениями частицы движутся по прямым
линиям. Законы столкновений и ударов о стенки сосуда, в который заключен
газ, известны. Поэтому, зная положения и скорости всех частиц газа в
некоторый момент времени, можно вычислить их положение и скорости во все
последующие моменты времени. Больше того, если в этом есть необходимость,
нетрудно, в принципе, найти также положения и скорости всех частиц во все
предшествующие моменты времени. Положения и скорости всех частиц в любой
момент времени дают наиболее полную и детальную информацию о системе
частиц. Однако вся эта информация в своем непосредственном виде
необозрима для нашего мысленного взгляда и даже простая ее фиксация
превосходит возможности любых технических средств, не говоря уже о
технической неосуществимости ее обработки.
В самом деле, при нормальных условиях в 1 см3 воздуха содержится примерно
2,7 • 1019 молекул. Это означает, что для записи в некоторый момент
времени положений и скоростей всех молекул потребовалось бы зафиксировать
6 • 2,7 • 1019 чисел. Если бы некоторое устройство фиксировало их со
скоростью 1 млн. чисел в секунду, то потребовалось бы .6-2,7¦ 1013 с"6
млн. лет. Если по этим данным необходимо вычислить, например,
кинетическую энергию частиц, причем счет вести со скоростью 1 млн.
операций в секунду, то потребуется примерно 21 млн. лет, не считая 2 млн.
лет на фиксацию значений кинетической энергии для всех молекул. И это
только для одного момента времени для молекул в 1 см3 воздуха при
нормальных условиях. Ясно, что такая задача технически неосуществима.
Однако не только это обстоятельство делает динамическое рассмотрение
невозможным и бесперспективным. Дело в том, что сама по себе информация
об отдельных частицах в своей непосредственной форме непригодна для
