Молекулярная физика представляет специальный раздел, ориентированный на изучение физических свойств тел на основании детального рассмотрения их молекулярного строения. Задачи в молекулярной физике решаются с привлечением методов статистической механики, а также физической кинетики и термодинамики.
Их связывают с исследованием движения и взаимодействия частиц, таких как молекулы, ионы и атомы, которые составляют физические тела.
Молекулярная физика своей целью ставит исследование свойств тел, руководствуясь при этом поведением отдельно взятых молекул. Все видимые процессы здесь протекают на уровне взаимодействующих друг с другом мельчайших частиц, при этом все заметное невооруженным глазом считается только следствием этих тонких связей.
Статья: Молекулярная физика в формулах
Основные формулы молекулярной физики
Принцип актуальности формул молекулярной физики направлен на установление связи между разными параметрами системы. К основным формулам такого раздела относят:
- уравнение Клапейрона (с описанием состояния идеального газа);
- законы физиков Бойля, Гей-Люссака и Шарля.
Уравнение Клапейрона записывается таким образом:
$pV = nRT$, где:
- $р$ - давление,
- $n$ - количество вещества в молях,
- $R$ - универсальная газовая постоянная,
- $T$ - температура (в кельвинах),
- $V$ - занимаемый газом объем.
Из этой формулы посредством простых преобразований формулируются и другие законы состояния:
$pV = const$ (закон Бойля-Мариотта, применимый к изотермическому процессу)
$\frac{V}{T} = const$ (первый закон Гей-Люссака, применимый к изобарическому процессу);
$\frac{p}{T} = const$ (закон Шарля, применимый к изохорическому процессу).
Формулы для термодинамики и статистической физики
Статистическая физика представляет также раздел молекулярной физики. Здесь действуют следующие формулы:
$Q = mc(t_2-t_1)$
$Q = A + (U_2 – U_1)$
$H = TdS + Vdp$
Здесь $H$ - энтальпия.
$V=\frac{dG}{dpS}$, где:
- $G$ представляет энергию Гиббса (термодинамический потенциал).
- $S$ - энтропия (величина, введенная ученым Клаузиусом).
Процессы в молекулярной физике и их формулы
Всем понятиям и процессам присущи собственные обозначения, при этом их описывают специальные формулы, которые более наглядно отображают взаимодействия друг с другом определенных параметров. Процессы и явления будут пересекаться в своих проявлениях, различные формулы при этом могут содержать одинаковые по значению величины и выражаться посредством разных способов.
Количество вещества является определяющим для взаимосвязи веса (массы) и количества молекул, которые и будет содержать данная масса. Это обусловлено наличием разного числа минимальных частиц при одинаковой массе для различных веществ. Процессы, осуществляемые на молекулярном уровне, могут пониматься исключительно при рассмотрении количества атомных единиц – непосредственных участников взаимодействий.
Формула для определения количества вещества:
$v = \frac{N}{N_A}$, где:
- $m$ - масса,
- $N$ - число молекул,
- $N_A$ число Авогадро.
Молекулы представляют сложные системы, обладающие многоступенчатым строением. Для упрощения рассмотрим газовые частицы в сосуде в формате упругих однородных шариков, не взаимодействующих при этом друг с другом (это будет идеальный газ). Формула выглядит так:
$P = nkT$, где:
- $n$ —концентрация молекул;
- $T$ —абсолютная температура.
Определить количество частиц $d$ в данной массе вещества возможно такой формулой:
$v = \frac{N}{Na}$
Отсюда получается, что число молекул будет определять следующая формула:
$N = vNa$
Один моль всегда будет содержать равное количество минимальных частиц. Таким образом, зная массу моля, возможно разделить ее на число молекул (число Авогадро), с получением в итоге массы системной единицы:
$m = \frac{M}{Na}$
Следует учитывать отношение данной формулы исключительно к неорганическим молекулам. Что касается молекул органического типа, то их размеры намного больше, а их величине или весу свойственны совсем иные значения.
Молярная масса представляет массу в килограммах одного моля вещества. В связи с содержанием в одном моле одинакового количества структурных единиц, формулу молярной массы получаем такую:
$M = κM_r$, где:
- $k$ — коэффициент пропорциональности;
- $M_r$ — атомная масса вещества.
Молярная масса газа рассчитывается по уравнению Менделеева-Клапейрона:
$pV = \frac{mRT}{M}$
Тогда получаем такую формулу:
$M = \frac{mRT}{pV}$
Формулы, которые содержатся в термодинамике и в молекулярной физике, позволяют вычислять количественные значения для всех процессов, выполняемых в отношении твердых веществ и газов. Такие расчеты важны как для теоретических изысканий, так и в практическом применении, поскольку ориентированы на решение разноплановых задач.
