2015-09-06
419
Молекулярная физика изучает свойства вещества, обусловленные его молекулярным строением, характером движения молекул и силами их взаимодействия. Поэтому она неразрывно связана с теорией строения вещества. В основе молекулярной физики лежит доказанная опытным путем молекулярно-кинетическая теория строения вещества. Согласно этой теории все тела (твердые, жидкие, газообразные) состоят из огромного числа мельчайших частиц – атомов и молекул, находящихся в непрерывном хаотическом (беспорядочном) движении, называемом тепловым движением. При таком движении все направления скоростей молекул в пространстве равноправны, равновероятны. Непосредственным доказательством существования хаотического движения молекул служит броуновское движение, заключающееся в том, что очень малые (видимые только в микроскоп) взвешенные в жидкости частицы всегда находятся в состоянии непрерывного беспорядочного движения. Это движение не зависит от внешних причин, является проявлением внутреннего движения вещества и происходит вследствие беспорядочных ударов о взвешенные частицы молекул жидкости.
Между молекулами существуют силы взаимодействия, называемые межмолекулярными силами. Эти силы зависят от расстояния между молекулами, но являются силами короткодействующими. Начиная с расстояний диаметра молекулы и до 2–3 диаметров, они являются силами притяжения, а при меньших расстояниях – силами отталкивания. При расстояниях между молекулами более 
м силы межмолекулярного взаимодействия убывают настолько, что ими можно пренебречь. При этом силы отталкивания убывают с увеличением расстояния быстрее, чем силы притяжения. В твердых телах, например, наличие сил притяжения между молекулами подтверждается, в частности, тем, что для разрыва твердого тела требуется усилие, а существование сил отталкивания – тем, что твердое тело почти невозможно сжать. При некоторых расстояниях между молекулами в твердых телах силы взаимного притяжения молекул уравновешиваются силами их отталкивания.
Молекулярно-кинетическая теория ставит своей целью объяснить свойства тел, непосредственно наблюдаемые на опыте, как суммарный эффект в системе, состоящей из большого числа взаимодействующих частиц. Хотя движение каждой отдельной молекулы подчиняется законам механики, хаотическое движение большой совокупности молекул качественно отличается от механического движения и подчиняется статистическим закономерностям. Поэтому в молекулярно-кинетической теории количественные закономерности устанавливают статистическим методом, интересуясь не движением каждой отдельной молекулы, а поведением таких физических величин, средние значения которых характеризуют движение огромной совокупности частиц, т.е. рассматриваются лишь средние значения величин, характеризующих данную совокупность молекул.
Молекулярно-кинетическая теория является частью общей теории, называемой статистической физикой. Статистическая физика представляет собой раздел физики, изучающий свойства систем, состоящих из большого числа частиц. Объектами изучения статистической физики являются газы, жидкости, твердые тела, плазма, электроны в металлах, электромагнитное излучение, звездные системы и т.д. Появившись в результате развития молекулярно-кинетической теории и используя законы теории вероятностей, эта научная дисциплина позволяет также обосновать не только молекулярно-кинетическую теорию, но и термодинамику.Применение методов статистической физики не ограничивается собственно молекулярной физикой. Эти методы используются в самых различных областях физики.
Хотя движение каждой отдельной молекулы подчиняется законам механики, хаотическое движение большой совокупности молекул качественно отличается от механического движения и подчиняется статистическим закономерностям. Поэтому в молекулярно-кинетической теории количественные закономерности устанавливают статистическим методом, в котором рассматриваются лишь средние значения величин, характеризующих данную совокупность молекул.
Существует и другой – термодинамический метод изучения состояний макроскопических систем. Термодинамика изучает наиболее общие свойства макроскопических физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. В отличие от молекулярной физики, она не рассматривает микроскопическое строение вещества, а изучает физические свойства систем на основе анализа процессов, связанных с законами превращения энергии системы, выявляет связи между их макроскопическими свойствами в различных условиях. Поэтому термодинамический метод является по своей сути методом феноменологическим. Задачей термодинамического метода является установление связей между непосредственно наблюдаемыми (измеряемыми в макроскопических опытах) величинами, такими как давление, объем, температура, напряженность электрического или магнитного поля, световой поток и т.д.
Термодинамика базируется на нескольких фундаментальных законах, называемых законами (или началами, принципами) термодинамики, первым из которых является закон сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам. Термодинамика оперирует такими понятиями, как внутренняя энергия тела, теплота, работа, энтропия и др. Возможность применения термодинамических методов связана с тем, что многие свойства тел обусловлены происходящими в них процессами превращения энергии из одних видов в другие. Фундаментальные законы термодинамики были установлены путем обобщения большой совокупности опытных фактов, поэтому выводы термодинамики имеют весьма общий характер и не зависят от конкретного вида взаимодействия частиц системы. На их основе в термодинамике получены многочисленные результаты, имеющие общий характер и широкую область применимости.
Свое обоснование законы термодинамики получают в статистической физике. В классической термодинамике рассматриваются главным образом равновесные состояния системы, при которых ее параметры сохраняют свое значение во всех точках системы и не изменяются самопроизвольно во времени.
Подходя с различных точек зрения к изучению свойств физических систем и процессов, протекающих в них, термодинамика и статистическая физика взаимно дополняют друг друга, образуя единую теорию вещества.
