Молекулярна фізика і термодинаміка (стр. 2 из 8)
(5.2)Графік цього процесу (рис. 4.1), представлений на діаграмах „P‑V”, „P‑T” або „V‑T”, - називається ізотермою.
Найбільш вживаним є графік у формі рис. 5.1 а.
Ізобарний(ізобарний) процес підкоряється закону Гей Люссака: для постійної маси ідеального газу за постійного тиску об’єм зростає прямо пропорційно до зростання температури:
(5.3)де
температурний коефіцієнт, сталий для всіх ідеальних газів; V0 – об’єм газу за нуля градусів температури за Цельсієм. Якщо ввести абсолютну температуру Т= t+273 K, то закон Гей Люссака перепишеться в компактній формі:
(5.4) 
Графік цього процесу (рис. 5.2), представлений на діаграмах „P‑V”,
„P‑T” або „V‑T”, - називається ізобарою.
Найбільш інформативним є графік рис. 5.2в, він свідчить про те, що об’єм ідеального газу за температури, що прагне до абсолютного нуля, також прагне до нуля – за припущенням ідеальний газ складається з матеріальних точок. Реальні гази не можуть мати нульового об’єму, за досить низьких температур газ перестане відповідати умовам ідеального газу.
Ізохоричний (ізохорний) процес підкоряється закону Шарля: для постійної маси ідеального газу за постійного об’єму тиск зростає прямо пропорційно до зростання температури:
(5.4)де
температурний коефіцієнт, сталий для всіх ідеальних газів; Р0– об’єм газу за нуля градусів температури за Цельсієм. Якщо ввести абсолютну температуру Т= t+273 K, то закон Шарля перепишеться в компактній формі: 
(5.5)Графік цього процесу (рис. 4.3), представлений на діаграмах „P‑V”, „P‑T” або „V‑T”, - називається ізобарою.
Найбільш інформативним є графік на рис.5.3 б, він свідчить про те, що тиск ідеального газу за температури, що прагне до абсолютного нуля, також прагне до нуля – за припущенням ідеальний газ складається з матеріальних точок, сили взаємодії між якими виключені. Зі зменшенням температури інтенсивність руху молекул зменшується, їх бомбардування стінок посудини зменшується, а за абсолютного нуля тиск стане нульовим. Реальні гази за досить низьких температур перестають відповідати умовам ідеального газу.
Скориставшись дослідними газовими законами, можна отримати об’єднаний газовий закон, що стверджує: для постійної маси ідеального газу добуток тиску на об’єм віднесений до абсолютної температури залишається незмінним в довільних процесах:
(5.6)Виходячи з об’єднаного газового закону (5.6), можна отримати рівняння стану ідеальних газів. За нормальних умов (тиск Ро = 1,015×105 Па; температура То = 273,15 К) об’єм одного моля ідеального газу V0=22,4∙10-3 м3 відповідно
(5.7)де
універсальна газова стала.Рівняння стану довільної маси ідеального газу зв’язує параметри його стану:
(5.8)де Р - тиск; V - об’єм; Т - температура; m - маса; М - молярна маса газу; n - кількість молів газу; R - універсальна газова стала.
Одночасно вводиться стала Больцмана:
(5.9)яка широко використовується в молекулярній фізиці.
Рівняння стану (5.8) може бути переписане в інших формах призначених для визначення конкретних характеристик:
а) для густини речовини -
(5.10)б) для концентрації молекул -
(5.11)3 Основні положення та основні поняття молекулярно-кінетичної теорії. Фізичний зміст термодинамічних параметрів. Теорема про рівнорозподіл енергії за ступенями свободи (принцип Больцмана) Внутрішня енергія ідеального газу.
Першою сформульованою теорією молекулярної фізики була молекулярно-кінетична теорія. В основі її лежать слідуючи положення: 1) всі речовини складаються з атомів та молекул; 2) атоми та молекули знаходяться в безперервному хаотичному тепловому рухові; 3) атоми та молекули взаємодіють між собою.
Атомом називається найменша частинка хімічного елемента, що ще зберігає його основні фізичні (спектр електромагнітного випромінення) та хімічні (здатність вступати в хімічні реакції) властивості. Молекула – це найменша частинка речовини, що ще зберігає його основні фізичні та хімічні властивості.
Виходячи з закону цілих кратних відношень мас хімічних елементів, що вступили в хімічну реакцію, було встановлено відносні маси всіх атомів. Якщо прийняти за одиницю маси (а.о.м.) 1/12 маси атому вуглецю
, то маси всіх атомів в а.о.м відомі і занесені в таблицю елементів.Кількість речовини, що складається із стількох елементів, що і 12 г вуглецю
, носить назву моль речовини. Це число – число Авогадро 
Маса моля речовини, виражена в грамах, чисельно дорівнює атомній масі елементу вираженій в а.о.м. Виходячи з маси моля, наприклад води - 18∙10-3кг/моль, та з числа Авогадро, оцінимо масу молекули води, наприклад: 
. Таким чином, маси атомів та молекул порядку 10-26кг. Якщо густина води r= 103кг/м3, то об’єм одного моля води і об’єм що приходиться, в середньому, на одну молекулу, можна визначити: 
Звідки поперечні розміри атомів та молекул порядку 10-10 м. Концентрація атомів в конденсованій речовині, наприклад у воді, порядку 1029м-3.Друге положення молекулярно-кінетичної теорії підтверджується броунівським рухом зважених у рідинах малесеньких частинок речовини процесами випаровування речовин і інше.
Особливості взаємодії атомів та молекул вивчались як на основі досліджень процесів стискування та розтягування тіл так і на основі сучасних теоретичних досліджень. Характер сил взаємодії між двома атомами (або молекулами) та потенціальної енергії цієї взаємодії представлений на графіках рис. 4.4. На осі відстаней між атомами вказана точка r0, де сили взаємодії дорівнюють нулю, а потенціальна енергія взаємодії сягає свого мінімуму.
Агрегатний стан речовини залежить від температури, або середньої енергії Е руху її молекул. Твердий стан речовин відповідає малій енергії руху молекул (Е1 на рис. 5.4). Молекули речовини можуть рухатись тільки в обмеженому інтервалі відстаней навколо деяких рівноважних положень, при цьому зберігається певна форма тіла в цілому.
Із збільшенням температури тіла (енергія руху молекул Е2 на рис. 5.4), енергії руху молекул вистачає, щоб, подолавши сили притягання, час від часу змінювати своє рівноважне положення і так званий ближній порядок, - такий рух молекул відповідає рідкому стану. І, коли енергія руху молекул досить велика (Е3 на рис. 5.4), рух молекул обмежується тільки стінками посудини, - маємо газоподібний стан речовини.
Основним рівнянням молекулярно-кінетичної теорії називається рівняння, що зв’язує між собою характеристики руху молекул з макропараметри стану термодинамічної системи в цілому, вирішує тим саме основну задачу теорії, дає тлумачення фізичного змісту термодинамічних параметрів. Вивчення руху молекул ідеального газу дає можливість встановити такий зв’язок:
(5.12)де Р – тиск; V - об’єм газу; mi таVi – відповідно маса та швидкість руху і- тої молекули; N – загальна кількість молекул газу. Рівняння у вигляді (5.12) має символічну форму, тому що загальна кількість молекул дуже велика. Кажуть з цього приводу, що динамічні характеристики окремих молекул позбавлені фізичного змісту – з ними не можливо проводити розрахунки, фізичний зміст мають тільки середні значення цих характеристик, молекулярна фізика оперує тільки з ними.
Якщо розглядається газ з однорідних молекул масою mi= m, то рівняння (5.12) приймає форму:
а 
де Vкв – середньостатистична величина, що носить назву середня квадратична швидкість руху молекул. Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії (5.12) приймає форму: 
(5.13)