Молекулярна фізика та термодинаміка

Згідно з молекулярно-кінетичною теорією (МКТ) всі тіла утворені з структурних мікроскладових (молекул, атомів, іонів тощо), які знаходяться у безперервному хаотичному русі. Таким чином, фізичні системи, які розглядаються у даному розділі, утворюються великою кількістю об’єктів. Для дослідження таких систем використовують молекулярно-кінетичний, статистичний і термодинамічний методи. Молекулярно-кінетичний метод розв’язування задач базується на рівняннях стану та його наслідках, статистичний метод грунтується на розподілі Максвелла-Больцмана. В основі термодинамічного методу лежать перший та другий початки термодинаміки. Розглянемо в загальних рисах методику розв’язування задач, фізичний зміст яких грунтується на молекулярно-кінетичній теорії та термодинамиці.

Методика розв’язування задач

2.1 Молекулярна фізика

Фізичний зміст задач цього розділу грунтується на застосуванні:

- рівняння стану ідеального газу та газових законів;

- основного рівняння МКТ та його наслідків;

- розподілу Максвелла-Больцмана.

Якщо в умові задачі задано певний фіксований стан газу, то здебільшого розв’язування задачі полягає в простому обчисленні однієї з величин, що входять до складу рівняння стану ідеального газу:

, (1)

або до складу формул, що описують ізопроцеси у газі:

- ізотермічний процес, (2)

- ізобарний процес, (3)

- ізохорний процес (4)

(слід пам’ятати, що формули ізопроцесів можна використовувати, якщо під час процесу маса газу залишається сталою).

Часто трапляються задачі, в яких число невідомих параметрів стану більше одного, і в умові задачі розглядається кілька фіксованих станів ідеального газу. Для розв’язання таких задач рівняння (1-4) треба застосовувати окремо для кожного стану газу, тобто скласти систему рівнянь, з якої потім обчислювати невідомі параметри.

Записуючи рівняння стану або систему рівнянь і визначаючи для цього з умови задачі значення параметрів ,, слід пам’ятати про закон парціальних тисків. Можна розглядати поведінку кожної компоненти неоднорідного газу окремо і незалежно від інших, складаючи для неї рівняння стану (або систему рівнянь).

Для визначення зв’язку між параметрами макростану системи та характеристиками об’єктів системи використовують основне рівняння та його наслідки.

У кінетичній теорії газів важливу роль відіграє розподіл Максвелла-Больцмана. Проте в задачах загального курсу фізики він майже ніколи не застосовується в загальному вигляді. Як правило, виділяють окремо задачі, розв’язування яких грунтується на застосуванні тільки закону розподілу за швидкостями (розподілу Максвелла)

, (1)

і задачі, які розв’язуються за допомогою розподілу Больцмана

,

де і - кінетична і потенціальна енергії однієї молекули.

Для визначення ймовірності знаходження при заданих умовах молекули з певною швидкістю (або відносного числа молекул, які мають певну швидкість) слід користуватися рівняннями:

.

Якщо газ перебуває у потенціальному силовому полі, для обчислення фізичних величин, які є функціями швидкості (наприклад, концентрації або тиску), застосовується розподіл Больцмана (розподіл молекул у силовому полі):

або барометрична формула:

.