Что такое молекулярная физика и макроскопическое тело
Молекулярной физикой называют раздел физики, в котором изучаются физические свойства и агрегатные состояния тел в зависимости от их молекулярного строения, характера теплового движения частиц из которых состоят тела, сил взаимодействия этих частиц. Таким образом, предмет молекулярной физики -- свойства вещества и происходящие в них процессы.
Макроскопическим телом называют тело, состоящее из очень большого числа частиц (атомов или молекул).
Термодинамической системой называют совокупность макроскопических объектов (тел, полей), обменивающихся энергией как друг с другом, так и с внешней средой, то есть с внешними по отношению к системе телами (полями).
Термодинамическую систему называют замкнутой (изолированной), если обмена энергией у этой системы с внешней средой нет.
Термодинамическую систему, обменивающуюся энергией с внешней средой только путем теплообмена, называют изолированной в механическом отношении.
Систему называют закрытой, если между ней и внешней средой нет обмена веществом (массообмена). В противном случае систему называют открытой.
Гомогенной называют термодинамическую систему, внутри которой нет поверхностей раздела, отделяющих друг от друга макроскопические части системы, различающиеся по составу, свойствам. В противоположном случае систему называют гетерогенной. Примером гетерогенной системы может служить система: вода - лед.
Состояние термодинамической системы определяют совокупностью значений ее термодинамических параметров (параметров состояния) -- всех физических величин, характеризующих макроскопические свойства системы (плотность $\rho ,$ энергия E, температура T, давление p и т.д.). Параметры состояния не всегда имеют определенные значения. Например, если тело с одной стороны подогревают, а с другой охлаждают, то температура в разных точках этого тела будет различной. Состояние, в котором хотя бы один из параметров системы не имеет определенного значения, называют неравновесным.
Все термодинамические системы подчиняются общему закону макроскопической необратимости, суть которого состоит в следующем: если система замкнута (не обменивается энергией с окружающей средой) и поставлена в неизменные внешние условия, то, из какого бы состояния она не исходила, в результате внутренних процессов через определённое время система непременно придёт в состояние макроскопического покоя, называемое термодинамическим равновесием.
В термодинамическом равновесии, какие бы то ни было макроскопические процессы (механическое движение, теплопередача, химические реакции, электрические разряды и т.д.) прекращаются. Однако не прекращаются микроскопические процессы (атомы движутся, химические реакции с участием отдельных молекул продолжают происходить и т.д.). В системе устанавливается макроскопическое, но не микроскопическое равновесие.
Что такое термодинамический процесс
Термодинамическим процессом называется переход системы из одного состояния в другое. Такой переход всегда связан с нарушением равновесия системы.
Два состояния системы считают разными, если для них численные значения хотя бы одного из термодинамических параметров неодинаковы. Состояние системы называют стационарным, если параметры системы не изменяются.
Термодинамические параметры системы взаимосвязаны. Поэтому равновесное состояние системы можно однозначно определить, указав ограниченное число значений параметров. Основными параметрами состояния являются: давление, температура, удельный (или молярный) объем $V_{\mu }$.
В термодинамике различают внешние и внутренние параметры состояния системы. Внешними параметрами состояния называют параметры, зависящие только от обобщенных координат внешних тел, с которыми взаимодействует система. Пример внешнего параметра для газа -- объем, который зависит от стенок сосуда. Внутренними параметрами состояния называют параметры, зависящие как от обобщённых координат, внешних тел, так и от усредненных значений координат и скоростей частиц, образующих систему. Внутренним параметром, например, является давление.
Давлением $(p)\ $называют физическую величину, равную:
\[p={\mathop{lim}_{\triangle S\to 0} \frac{\triangle F_n}{\triangle S}=\frac{dF_n}{dS},\ \left(1\right)\ }\]где $F_n$ -- проекция силы на нормаль к участку тела $\triangle S$, $\triangle S$ - площадь тела.
Единицы измерения давления в системе СИ -- Па. В технике для измерения давления применяют понятие -- техническая атмосфера, которая равна 1 атм=1 кгс/см2. Для измерения небольших давлений используют высоту столба жидкости (воды, ртути, спирта) в капилляре. При этом давление рассчитывается по формуле:
\[p=\rho \cdot g\cdot h\ \left(2\right),\]где $\rho $- плотность вещества (жидкости) в кг/м3, g=9,80665(м/c2)- ускорение свободного падения, соответственно:
\[h=\frac{p}{\rho \cdot g}\left(3\right).\]В этом случае говорят, что давление измеряется в м вод. ст. (метр водяного столба) или мм.рт.ст (миллиметр ртутного столба).
В некоторых случаях, при определении давления необходимо учитывать зависимость плотности вещества от температуры. При этом используется формула перевода высоты столба жидкости к высоте при температуре равной $0^oС$:
\[h_0=h\left(1-\beta t\right)\left(4\right),\]где $h_0$ -- высота столба жидкости при $0^oС$ (в м или мм), h - высота столба жидкости при заданной температуре, $\beta $ -- коэффициент объемного расширения жидкости ( К-1), t - температура жидкости ($0^oС$).
Удельным объемом $V_u$ называют величину, обратную плотности $\rho :\ $
\[V_u=\frac{1}{\rho }\left(5\right).\]Для однородного тела удельный объем:
\[V_u=\frac{V}{m}(6).\]В системе СИ за единицу количества вещества принят моль. Количество одинаковых частиц, содержащихся в одном моле, называют постоянной (числом) Авогадро $N_A=6,022\cdot {10}^{23} моль^{-1}$.
Молярной массой химически однородного вещества называют величину:
\[\mu =\frac{m}{\nu }(4),\]где m -- масса, $\nu $ -- число молей вещества. Молярным объемом называют величину:
\[V_{\mu }=\mu V_u=\frac{\mu }{\rho }\left(5\right).\]Иногда вместо массы газа рассматривают число его молекул (N) в заданном объеме:
\[N=N_A\frac{m}{\mu }\left(6\right).\]Температурой (t, или T) называют физическую величину, характеризующую степень нагретости тела. Различают несколько видов температуры (в зависимости от используемой шкалы измерения).
Внутренние параметры термодинамической системы, которая находится в равновесном состоянии, зависят только от ее внешних параметров и температуры:
\[y_k=f\left(x_{1,},x_{2,},\dots ,\ x_n,\ T\right)\left(7\right),\]где $y_k$ - внутренний параметр, $x_{1,},x_{2,},\dots ,\ x_n$- внешние параметры.
К примеру, равновесное состояние физически однородной термодинамической системы полностью определяется двумя параметрами. Поэтому состояние системы можно охарактеризовать уравнением:
\[p=f_0\left(V,T\right)\left(8\right).\]Задание: Сосчитайте количество молекул в стакане воды.
Рис. 1
Решение:
Для того, чтобы решить данную задачу будем считать, что объем воды в стакане $200 \ мл=200 \ см^3$. Плотность воды при t=0 и давлении p=1 атмосфера равна: $\rho =1\ \frac{г}{см^3}$.
Тогда для расчета воспользуемся соотношением:
\[N=N_A\frac{m}{\mu },\ где\ m=\rho \cdot V.\]Следовательно:
\[N=N_A\frac{\rho \cdot V}{\mu }.\ \]Вспомним формулу молекулы воды ($H_2O)$ и, используя таблицу Менделеева, найдем молярную массу воды. $\mu =2+16=18\ (\ \frac{г}{моль}$). Постоянная Авогадро $N_A=6,022\cdot {10}^{23}моль{-1}$.
Проведем вычисления:
\[N=6,022\cdot {10}^{23}\cdot \frac{1\cdot 200}{18}\approx 6,7\cdot {10}^{24}\]Ответ: В стакане воды примерно $6,7\cdot {10}^{24}$ молекул.
Задание: Воспользовавшись, постоянной Авогадро определите массу молекулы кислорода.
Решение:
Рис. 2
Для расчета воспользуемся соотношением:
\[N=N_A\frac{m}{\mu }.\]Из условий задачи имеем: $N=1.$ Тогда:
\[m_0=\frac{\mu }{N_A}.\]Возьмем из таблицы Менделеева массу атома кислорода, получим:
\[\mu =32\frac{г}{моль}.\]Проведем расчёт:
\[m_0=\frac{32}{6,022\cdot {10}^{23}}=5,3\cdot 10^{-23}\left(гр\right).\]Ответ: Масса молекулы кислорода $5,3\cdot 10^{-26}$кг
