Молекулярная термодинамика – обширный раздел физики, в котором исследуется макроскопические процессы в физических телах, связанные с огромным количеством содержащихся в них атомов и молекул (макроскопические концепции).
Рисунок 1. Молекулярная физика и термодинамика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Для исследования этих процессов используются два качественно различных метода:
- статистический - является базой молекулярной физики;
- термодинамический – основа термодинамики.
Молекулярная термодинамика в основном изучает макроскопические явления исходя из общих представлений об атомно-молекулярном составе вещества, и рассматривает тепловой процесс, как хаотичное движение элементарных частиц. Такое движение определяет внутреннее состояние каждого макроскопического тела, находящегося в данной системе.
Термодинамика также считается аксиоматической наукой, так как ее постулаты не вводят конкретных гипотез о строении материального вещества и физической природе теплоты. Выводы данной отрасли физики базируются на общих научных началах, которые выступает в качестве обобщения проверенных опытом фактов. Теплота изучается только как внутреннее движение без дальнейшей конкретизации.
Важной особенностью теплового движения в молекулярной термодинамике является его возможность «помогать» макроскопической системе «забывать» собственное начальное состояние, если исключены все меры, которые поддерживают это положение. Если процесс поместить в стабильные внешние условия, то система перейдет в стационарное состояние, не меняющееся в пространстве и со временем. При отсутствии движения через пределы системы энергии, электрического заряда и импульса, такое явление в физике принято считать состоянием термодинамического равновесия.
Термодинамические параметры в молекулярной физике
Рисунок 2. Термодинамические параметры. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Свойства равновесного состояния в целом не зависят от нюансов движения отдельных элементов, а определяются исключительно поведением всей их совокупности.
Это поведение возможно охарактеризовать небольшим количеством величин, называемых термодинамическими параметрами.
Равновесное состояние любой системы обладает постоянством во времени ее главных показателей. Термодинамические параметры объясняют усредненную картину дальнейшего движения частиц системы, поэтому они имеют свойства средних значений физических величин, которые описывают поведение отдельных элементов.
Это проявляется в возникновении статистических флуктуаций значений, которые в равновесном состоянии не велики.
Процесс самопроизвольной трансформации системы в равновесное состояние считается релаксацией, а время данного процесса - временем общей релаксации. При воздействии на систему или изменении внешних условий, параметры нестабильного состояния будут изменяться, и система перейдет в новое состояние. Этот процесс перехода называется термодинамическим процессом, который может быть неравновесным или равновесным.
Рассмотрим главные термодинамические параметры:
- $V$– объем тела;
- $P$ – абсолютное давление средней силы, действующей со стороны материального вещества на каждую из поверхностей в единичной площадке;
- $T$ – температура, характеризующая интенсивность теплового движения элементов системы.
В случае классического характера движения частиц системы средняя кинетическая энергия поступательного движения одного тела будет пропорциональна температуре движущихся частиц.
Внутренняя энергия в молекулярной термодинамике
Рисунок 3. Внутренняя энергия. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Значимой характеристикой состояния системы в молекулярной термодинамике является ее внутренняя энергия. Она определяется как средняя величина полной энергии и ее действующих частиц.
Во внутренней энергии возможно выделить следующие основные составляющие:
- энергия вращательного, поступательного и колебательного движений молекул и атомов;
- энергия межмолекулярной взаимосвязи;
- энергия взаимодействия атомов в молекулах (химическая энергия);
- энергия связи движущихся электронов в атомах.
При разноплановых процессах, которые систематически происходят в системе, возможно наблюдать изменения потенциала внутренней энергии. Как правило, такая трансформация является результатом исчезновения одной или нескольких составляющих концепции, поэтому и в самой внутренней энергии необходимо учитывать только такие элементы, которые не изменяются в ходе процесса.
Ученые выделяют такие общие свойства внутренней энергии:
- в состоянии теплового равновесия хаотичное движение частиц системы таково, что в любой период времени полная энергия вещества с максимальной точностью равна внутренней энергии;
- внутренняя энергия исследуемой системы выступает центральной функцией ее термодинамических показателей;
- внутренняя энергия характеризуется свойством аддитивности, которую можно приравнять к сумме макроскопических энергий частей, составляющих данную систему.
Внутренняя энергия в молекулярной термодинамике - это энергетический потенциал всех существующих движений атомов и молекул, которые носят классический и квантовый характер, следовательно, возникают только при сообщении элементами конечной порции энергии.
Первое и второе начало молекулярной термодинамики
Внутренняя энергия любой макроскопической концепции существенно отличается от механической энергии, которая и формирует новые частицы. Это наблюдается в существовании двух основных форм изменения внутреннего энергетического потенциала – теплопередачи и работы. Оба процесса появляются при взаимосвязи системы с окружающими материальными телами, в ходе чего возникает упорядоченное движение.
В, частности, элементы способны работать только при изменении собственного объема. Теплообмен частиц может изменить внутреннюю энергию, обусловленную изменением средних показателей, которые формируют систему движущихся частиц. Такая трансформация в физике измеряется количеством тепла.
Закон сохранения и удержания энергии, учитывающий универсальную форму передачи энергии посредством теплопередачи, является одним из важнейших законов молекулярной физики и называется первым началом термодинамики, которое было сформулировано на базе обобщения опытных фактов.
Правильное соотношение всех параметров помогает ученым точно определить внутреннюю энергию системы, являющуюся фундаментальной функцией ее состояния, которая определяется путем характеристик произвольной постоянной, равной разности между количеством тепла и работой.
Изменение внутреннего энергетического потенциала физических веществ напрямую зависит только от начального и конечного состояния концепции. Количество тепла и работа находится вне зависимости от вида физического процесса, который переводит систему из первостепенного состояния в конечное.
Второе начало молекулярной термодинамики установило пределы преобразования общего тепла в работу, что позволило выстроить рациональную шкалу температур и установить будущее направление процессов, действующих в теплоизолированных системах. Главной особенностью этого процесса является его возрастание в изолированных системах, называемое энтропией системы.
Энтропия системы – главная функция ее состояния, которая определяется с максимальной точностью до произвольной постоянной.
Приращение энтропии всегда равно приведенному числу тепла, которое необходимо сообщить концепции, чтобы перевести ее из первостепенного состояния в конечное по каждому обратимому процессу. При детальном описании состояния системы, движение частиц в границах фазовой ячейки не изменяют на разные элементы.
Переходы физических веществ из одной ячейки в другую при неизменном их количестве в каждой системе не изменяют микросостояние, но оставляют прежнее макросостояние. Таким образом, один и тот же процесс может быть реализовано при самых разных состояниях и обстоятельствах. Это приводит к тому, что возможность появления какого-либо макросостояния концепции непосредственно зависит от числа микросостояний, реализующих данную систему.
