Молекулярная физика представляет раздел физики, задачи которого направлены на изучение физических свойств тел в разнообразных агрегатных состояниях на основании рассмотрения их молекулярного строения. В самостоятельные разделы из молекулярной физики ученые выделили:
- физику твердого тела;
- физическую кинетику;
- физическую химию и т. д.
Статистическая физика является разделом физики, направленным на исследование свойств макроскопических тел в формате систем, состоящих из множества частиц (электронов, молекул, атомов). В рамках статистической физике задействуют статистические методы, которые основаны на теории вероятностей.
Молекулярная физика
Молекулярная физика, наряду с термодинамикой, считается разделом физики, направленным на исследование происходящих в телах макроскопических процессов, связанных с большим количеством атомов и молекул, которые содержатся в них.
В задачи молекулярной физики входит изучение строения и свойств веществ с точки зрения молекулярно-кинетических представлений, базирующихся на том, что любое тело является состоящим из молекул, пребывающих в постоянном хаотичном движении.
Молекулярная физика одной из своих главных задач ставит изучение процессов совокупного воздействия огромного количества молекул. Термодинамика, в свою очередь, направлена на изучение общих свойств макроскопической системы, пребывающей в состоянии термодинамического равновесия.
Исследование макроскопических процессов осуществляется посредством двух методов:
Молекулярно-кинетического (на этом методе основана молекулярная физика). Термодинамического (лежащего в основе термодинамики).
Вышеуказанные методы являются взаимодополняющими. Молекулярная физика основывается на молекулярно-кинетической теории, согласно принципам которой, строение и свойства тел можно объяснить хаотичным движением и молекулярным, атомным и ионным взаимодействием.
Наблюдаемые на опытах свойства тел (давление, например) объясняются последствием воздействия частиц, иными словами, свойства всей макроскопической системы будут зависимыми от свойств частиц, а также особенностей их перемещения и усредненных значений динамических характеристик.
Молекулярно-кинетическая теория
Молекулярно-кинетическая теория (сокращенно она еще называется МКТ) представляет собой теорию, возникшую в XIX веке и направленную на рассмотрение строения вещества (зачастую, газов) с позиции трех основных приближенно правильных положений:
- все тела состоят из частиц, таких как молекулы, атомы и ионы;
- частицы пребывают в непрерывно-хаотичном перемещении (тепловом);
- частицы осуществляют взаимодействие друг с другом посредством абсолютно упругих столкновений.
Рисунок 1. Молекулярно-кинетическая теория. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
МКТ не просто стала успешной физической теорией, но и получила подтверждение, благодаря ряду опытных фактов. В качестве основных доказательств положений МКТ выступили: диффузия, изменение агрегатных состояний вещества и броуновское движение.
Идеальный газ представляет собой математическую модель газа, в которой допускается, что можно пренебречь потенциальной энергией молекулярного взаимодействия, сравнительно с их кинетической энергией; суммарный объем молекул газа оказывается пренебрежительно малым. Согласно эквивалентной формулировке, идеальный газ считается таким газом, который способен одновременно подчиняться законам Бойля — Мариотта и Гей-Люссака.
Рисунок 2. Закон Бойля-Мариотта. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Таким образом, на основании молекулярно-кинетической теории, в физике развит целый ряд самостоятельных разделов (в частности, статистическая механика и физическая кинетика). Данные разделы созданы с целью изучения молекулярных (атомных или ионных) систем, пребывающих не только в «тепловом» движении. В рамках современной физике термин МКТ уже практически перестал использоваться, но продолжает встречаться в учебниках по курсу общей физики.
Статистическая физика
В качестве основных задач статистической физики выступают: вычисление характеризующих систему наблюдаемых макроскопических величин (на базе закона о движении составляющих ее частиц); при статистическом равновесии – определение термодинамических потенциалов (давления, свободной энергии и пр.) в зависимости от температуры и многих других параметров, в случае неравновесия - получение уравнений с целью описаний неравновесных процессов.
Статистическая физика представляет основу теории о газах, жидкостях, а также – твердых телах. В настоящее время она получила достаточно широкое применение в различных областях.
Как раздел теоретической физики, статистическая физика начала свое активное развитие в середине 19 в. и была представлена в трудах таких ученых, как Дж. К. Максвелл, Р. Клаузиус, Л. Больцман. Завершение построения классической статистической физики относится к 1902 году в научных исследовательских работах Дж.У. Гиббса.
При помощи статистической механики может быть получено распределение Максвелла (распределение вероятности, часто встречающееся в физике). Оно положено в основу кинетической теории газов, объясняющей большинство фундаментальных свойства газов, включая диффузию и давление. Распределение Максвелла также активно применяется в формате электронных процессов переноса, а также и других явлений. Также распределение Максвелла применяется ко множеству свойств индивидуальных молекул, находящихся в газе.
Рисунок 3. Статистическая физика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В равновесном состоянии таким параметрам газа, как объем, давление и температура, удается сохранить свою неизменность, однако при этом фиксируется непрерывное изменение микросостояния. Так, начинают изменяться: взаимное расположение молекул, наблюдается непрерывное изменение и в отношении их скоростей.
По причине существования огромного количества молекул, становится практически невозможным определение значений их скоростей в какой-то определенный момент, но при этом возможно (если считать скорость молекул непрерывной и случайной величиной) указание распределения молекул, согласно скоростям.
