Лекція 11 Молекулярная физика

Молекулярная физика – это раздел физической науки, исследующий физические свойства и агрегатные состояния физических тел в зависимости от их молекулярного строения, характера теплового движения молекул и сил взаимодействия между ними.

Молекулярная физика основана на опытно установленных положениях.

1. Все физические тела состоят из отдельных частиц – молекул или атомов, между которыми имеются пустоты.

2. Частицы находятся в состоянии непрерывного хаотического (теплового) движения, интенсивность которого возрастает с температурой.

3. Между частицами (молекулами) действуют силы межмолекулярного взаимодействия, которые сложным образом зависят от вида частиц и расстояний между ними.

Для теоретического исследования указанного круга вопросов в молекулярной физике используются два взаимно дополняющих метода статистический и термодинамический. Охарактеризуем эти методы.

Состояние системы из небольшого числа частиц можно в принципе описать, используя динамический подход. Для этого, зная начальные координаты и импульсы частиц, необходимо решить уравнения динамики для каждой из них. При составлении таких уравнений необходимо знать конкретный характер взаимодействия между частицами. Если число частиц составляет N, то в общем случае необходимо решить 6N уравнений. В результате можно установить значения координат и импульсов всех частиц в любой момент времени.

Физические тела, исследуемые в молекулярной физике, представляют собой системы с очень большим числом частиц (например, при нормальных условиях в 1 см³ газа находится 10¹⁹ молекул). Для таких систем динамический подход совершенно неприменим, поскольку невозможно ни решить такое число уравнений, ни получить информацию о начальных значениях координат и скоростей всех молекул. Однако именно большое число частиц в макроскопических телах приводит появлению новых статистических закономерностей в поведении таких тел.

Кроме указанных основных положений молекулярной физики, в статистическом методе должны быть выполнены следующие положения.

1. Все молекулы движутся в соответствии с законами Ньютона, обладая в определенный момент времени определенными значениями координат и импульсов.

2. При взаимодействии молекул выполняются законы сохранения импульса, момента импульса и энергии.

3. Выполняется принцип различимости молекул, т.е. можно проследить за движением отдельно взятой молекулы (траекторией, импульсом и т.д.).

В статистическом методе анализ теплового движения частиц системы проводится методами математической теории вероятностей, с помощью которых рассчитываются средние характеристики движения частиц (средние скорости, энергии и т.д.), а затем находится связь между средними характеристиками движения частиц и макроскопическими свойствами системы в целом (температура, давление и т.д.).

Термодинамический метод состоит в изучении свойств систем взаимодействующих тел исследованием превращений энергии в них. В основе термодинамики лежат два установленных экспериментально принципа – законы термодинамики (см. § 9.2 и 9.8). Использование этих общих принципов позволяет отказаться от рассмотрения молекулярного строения конкретных тел, поэтому выводы термодинамики характеризуются чрезвычайно большой общностью. Однако термодинамический метод не дает сведений о механизме протекания конкретных физических процессов, что является его слабостью.

Статистический метод исследования принципиально глубже, чем термодинамический, поскольку позволяет получать информацию не только о конечных результатах того или иного процесса, но и о путях и стадиях его протекания. Однако применение статистического метода затруднено тем, что в статистическую модель должны вкладываться закономерности межмолекулярных взаимодействий, которые чрезвычайно сложны и недостаточно изучены.