Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
ОТДЕЛ II
Основы молекулярной физики и термодинамики
Глава II.1 ИДЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ
§ II. 1.1. Предмет молекулярной физики.
Тепловое движение
1°. В разделе физики, называемом молекулярной физикой, изучаются зависимости строения и физических свойств тел от характера движения и взаимодействия между частицами, из которых состоят тела.
Молекулярная физика основывается на молекулярно-кинетической теории строения вещества. Согласно этой теории все тела состоят из мельчайших частиц — атомов, молекул или ионов, — находящихся в непрерывном хаотическом движении, которое называется тепловым движением. Экспериментальными подтверждениями молекулярно-кинетической теории являются: броуновское движение (11.4.7.1°), явления переноса в различных агрегатных состояниях вещества и другие явления.
2°. Молекулярно-кинетическая теория строения вещества успешно применяется в различных разделах физики. В этой теории с единой точки зрения рассматриваются разнообразные физические явления, протекание которых зависит от взаимодействия и движения частиц вещества. Например, эта теория позволяет понять механизм упругих свойств твердых тел (VII.1.3.10), вскрывает причину внутреннего трения в газах (11.3.8.4°) и жидкостях, объясняет различия между реальными газами (11.5.1.2°) и идеальным газом (11.1.4.1°).
На основе молекулярно-кинетической теории строения вещества объясняется механизм электропроводности различных по
§ П.1.1. ПРЕДМЕТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ
113
своей природе проводников электрического тока, электрические и магнитные свойства веществ.
3°. Тепловое движение частиц вещества в различных агрегатных состояниях неодинаково. Оно зависит от сил притяжения и отталкивания, действующих между атомами, молекулами и ионами.
Силы притяжения между атомами и молекулами достаточно разреженных газов практически отсутствуют. Это связано с тем, что частицы таких газов находятся друг от друга на расстояниях, превышающих радиус молекулярного действия (11.5.2.3°). Частицы таких газов движутся равномерно и прямолинейно до тех пор, пока они не сталкиваются между собой или со стенками сосуда. Эти столкновения носят случайный характер. Каждая молекула может в объеме газа испытать соударение с любой из ближайших к ней частиц и изменить произвольным образом направление своего движения. Соударение молекулы (атома) газа со стенкой может происходить под любым углом падения от 0 до л/2. В итоге тепловое движение молекул газов является беспорядочным и, в среднем, в любом произвольном направлении внутри газа в любой момент времени движется одинаковое число молекул.
4°. Твердые, кристаллические тела характеризуются значительными силами взаимодействия между частицами твердых тел (атомами, молекулами, ионами). Совместное действие сил притяжения и отталкивания между этими частицами (11.5.1.3°) приводит к тому, что частицы твердых тел совершают колебания около средних равновесных положений, называемых узлами кристаллической решетки (VII.1.1.10). Межмолекулярное взаимодействие и нарушение периодичности в кристаллах (VII. 1.1.1°) приводят к тому, что эти колебания являются ангармоническими (IV. 1.1.3°).
5°. Тепловое движение молекул жидкости имеет промежуточный характер между двумя предыдущими видами движения (см. п. 3° и 4°). Молекула жидкости определенное время колеблется около некоторого положения равновесия и находится в оседлом положении. По истечении некоторого времени положение равновесия молекулы смещается и образуется новое оседлое положение. Происходят, одновременно, медленные перемещения молекул и их колебания внутри малых объемов. Cm. также 11.6.2.3°.
114
ГЛ. II. 1. ИДЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ
§ II.1.2. Статистический и термодинамический методы исследования
1°. Число атомов (молекул) в любом теле огромно. Например, в 1 см3 газа, близкого по своим свойствам к идеальному, при нормальных условиях содержится 2,7-IO10 молекул. В конденсированных состояниях — жидком и твердом — порядка IO22 частиц/см3. Если считать, что движение каждого атома (молекулы) вещества подчиняется второму закону Ньютона (1.2.4.1°), то не может быть и речи не только о решении дифференциальных уравнений движения отдельных частиц вещества, но даже и о написании этих уравнений. Поэтому поведение отдельной молекулы (атома) тела, например, ее траектория, последовательность изменения ее состояний, не может быть изучено методами классической механики.
2°. Макроскопические свойства систем, состоящих из очень большого числа частиц, изучаются статистическим методом. Статистический метод основан на использовании теории вероятностей и определенных моделей строения изучаемых систем. Раздел теоретической физики, в котором физические свойства систем изучаются с помощью статистического метода, называется статистической физикой (физической статистикой). В совокупном поведении большого числа частиц проявляются особые закономерности, называемые статистическими закономерностями. В системе, состоящей из большого числа частиц, существуют некоторые средние значения физических величин, характеризующих всю совокупность частиц в целом. Так, в газе существуют средние значения скоростей теплового движения молекул (11.3.3.6°) и их энергий (11.3.2.4°). В твердом теле существует средняя энергия, приходящаяся на каждую степень свободы колебательного движения частицы (VII.2.7.20), и т. д. Все свойства системы частиц обусловлены не только индивидуальными свойствами самих частиц, но также особенностями их совокупных движений и средними значениями динамических характеристик частиц (средние скорости, средние энергии и т. д.).
