Раздел молекулярной физики посвящен вопросам изучения строения и свойств веществ, исходя из их молекулярно-кинетических характеристик. Законы и принципы этого раздела физики основываются на ряде базовых представлений, таких как:
- все физические тела состоят из частиц – атомов, молекул или ионов, которые, в свою очередь, обладают сложным строением;
- для атомов, молекул и ионов характерно непрерывное неупорядоченное тепловое движение; между скоростью движения частиц и температурой тела наблюдается прямая зависимость;
- между атомами и молекулами установлены силы взаимного притяжения и отталкивания.
Важнейшей характеристикой вещества в этой системе является теплота. Теплота с точки зрения термодинамики – это энергия молекулярного движения.
Теплота может изменяется двумя способами – посредством совершения работы над системой или путем теплообмена системы с окружающей средой. Во втором случае речь идет о количестве теплоты или просто теплоте.
Единица измерения количества теплоты (а также работы и энергии) – джоуль (Дж). Один джоуль равен энергии, затраченной при перемещении точки приложения силы (1 ньютон) на расстояние 1 метра по направлению приложения силы. Иными словами, 1Дж=1Н×1м=1кг×1м2×1с2.
Также, для измерения количества теплоты применимо понятие калория (вне системы единиц СИ). Одна калория равна энергии, затраченной для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия.
Теплота и теплообмен
Существует три типа теплообмена:
- конвекция – теплообмен при перемешивании газов или жидкостей с разной температурой;
- лучеиспускание – теплообмен посредством электромагнитных волн теплового диапазона;
- теплопередача – непосредственный обмен энергией между неупорядоченно движущимися частицами тел при их тепловом контакте.
Энергия в форме теплоты может как сообщаться системе, так и изыматься из нее. Количество теплоты, переданное или принятое системой при теплообмене, обозначают как ΔQ. Условно принято, что при положительном значении ΔQ энергия системе сообщается, а при отрицательном ΔQ - изымается. По этому признаку, например, химические реакции разделяются, соответственно, на эндотермические и экзотермические.
Количество теплоты входит в математические формулировки первого и второго начал термодинамики. Так, например, первый закон, в самом простом варианте формулируется следующим образом:
Термодинамическая система может совершать работу исключительно за счет внутренней энергии системы или за счет внешних источников.
В математическом выражении первое начало выглядит как:
Q=A+ΔU, где:
- Q - количество теплоты, принятое или переданное системой;
- A - работа, совершенная системой;
- ΔU - изменение внутренней энергии системы.
Суть второго закона заключается в том, что в изолированной системе энтропия (мера хаоса, часть внутренней энергии замкнутой системы) остается неизменной либо возрастает до момента установления термодинамического равновесия. Иными словами, макроскопические процессы, протекающие с конечной скоростью, необратимы.
Математическая формулировка закона:
-
dS=∂Q∗T⩾0, где:
-
S - энтропия;
- ∂Q∗ - элементарное количество тепла в изолированной системе;
- T - абсолютная температура.
Связанные понятия
Внутренняя энергия – суммарная энергия неупорядоченного движения молекул, потенциальной энергии их взаимодействия и собственной, внутримолекулярной энергии молекул, входящих в состав тела.
Признаком изменения внутренней энергии является смена агрегатного состояния или температуры тела.
Бесконечно малое изменение внутренней энергии принято обозначать dU. Как и в случае с δG, при отрицательном значении dU внутренняя энергия системы уменьшается, при положительном dU - увеличивается.
Температура – физическая величина, характеризующая термодинамическое равновесие системы.
Согласно молекулярно-кинетической теории, температура пропорциональна средней кинетической энергии составляющих системы.
В физике (в системе СИ) температуру принято измерять в кельвинах или в градусах Цельсия. Температуры по шкале Цельсия t и Кельвина Tсоответствуют равенству:
t=T–273,15
Теплоемкость тела – физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу для изменения его температуры на один кельвин.
Таким образом, теплоемкость вычисляется как:
C=QΔT, где:
C - теплоемкость тела, Дж/К
Следовательно, для вычисления количества тепла этого процесса используют формулу:
Q=C×ΔT
Удельная теплоемкость – теплоемкость тела, нормированная на 1 кг:
c=Qm×ΔT, где:
- c - удельная теплоемкость, Дж/К кг;
- m - масса тела, кг.