Понятия молекулярная физика: основные формулы и законы

Молекулярная физика – это раздел физики, который рассматривает свойства вещества с точки зрения его внутренней структуры (взаимодействия и движения молекул). Любое вещество в мире состоит из молекул, которые находятся в постоянном и хаотичном движении, притягиваются и отталкиваются. Они обладают кинетической энергией. Все видимые процессы протекают на уровне взаимодействия этих мельчайших частиц, и то, что мы видим невооруженным глазом — лишь следствие этих тонких глубинных связей.

Основные понятия

Молекулярная физика иногда рассматривается как теоретическое дополнение термодинамики. Возникшая намного раньше, термодинамика (раздел физики) занималась изучением перехода тепла в работу, преследуя чисто практические цели. Она не производила теоретического обоснования, описывая лишь результаты опытов. Этот раздел физики изучает общие свойства макроскопических систем, которые пребывают в состоянии термостатического равновесия. Молекулярная физика уходит немного глубже и изучает свойства веществ, исходя из молекулярно кинетических представлений. Оба раздела физики призваны дополнять друг друга. Стоит отметить, что основные понятия молекулярной физики возникли позже, в XIX веке.

Это направление физики изучает взаимодействие тел на молекулярном уровне, руководствуясь статистическим методом, определяющим закономерности в хаотических движениях минимальных частиц (единиц) – молекул. Молекулярная физика и термодинамика дополняют друг друга, рассматривая процессы с разных точек зрения. При этом термодинамика не касается атомарных процессов, имея дело только с макроскопическими объектами, а молекулярная физика, напротив, рассматривает любой процесс с точки зрения взаимодействия отдельных структурных единиц.

Все понятия и процессы в молекулярной физике имеют собственные обозначения и описываются специальными формулами, которые наглядно представляют взаимодействия тех или иных параметров друг от друга. Процессы и явления пересекаются в своих проявлениях, разные формулы могут содержать одни и те же величины, быть выражены разными способами.

Молекулярно-кинетическая теория в физике – это теория, которая объясняет свойства и строение тел, а также взаимодействие малейших частиц из которых они состоят. Она включает в себя следующие основные положения:

• все тела (объекты) состоят из мельчайших частиц, которые разделены между собой промежутками;
• частицы объектов взаимодействуют между собой;
• молекулы находятся в постоянном, непрерывном и хаотическом движении.

Данное направление в физике позволяет изучить свойства определенного тела, основываясь на взаимодействии молекул из которых оно состоит. Перед тем, как переходить непосредственно к формулам, необходимо определить, в каких состояниях может пребывать вещество. Физика определяет, что все вещества в природе могут находится в трех агрегатных состояниях – газообразном, жидком и твердом. Также еще одним четвертым состоянием называют плазму. Если вещество или объект может пребывать в нескольких агрегатных состояниях, то это обуславливается за счет взаимодействия и теплового движения его молекул при нестабильных или различных условиях. Переходы одного состояния в другое сопровождаются сильными изменениями некоторых физических свойств объекта. Например, теплопроводности или плотности.

Первое агрегатное состояние, в котором может пребывать вещество – газ. В нем сила притяжения между мельчайшими структурными единицами очень мала. Расположены они далеко друг от друга и порядок в их размещении отсутствует. Исходя из этого молекулярная физика смогла объяснить следующие свойства газа – не имеет формы, легко сжимается и занимает весь объем сосуда.

Второе агрегатное состояние, которое изучает физика, это жидкость. Молекулы тесно взаимодействуют и близко расположены. Имеют ближний порядок. Основные свойства жидкости, описанные с помощью молекулярной физики – определенный объем, не могут сохранять форму, текут и практически не способны к сжатию.

Твердые тела характеризуются тем, что в них структурные единицы тесно связаны между собой. Переместится на большое расстояние они не могут. Движение их – это колебания относительно узлов кристаллической решетки (их положение равновесия). Основные свойства – сохраняют форму, объем, сжимаются мало, плавятся под воздействием определенной температуры.

Количество вещества

Количественное значение вещества определяет взаимосвязь между весом (массой) и числом молекул, содержащихся в этой массе. Дело в том, что разные вещества при одинаковом весе имеют не одинаковое число минимальных структурных единиц. Процессы, проходящие на молекулярном уровне, могут быть поняты только при рассмотрении именно числа атомных единиц, участвующих во взаимодействиях. В молекулярной физике единица измерения количества вещества, принятая в системе СИ, — моль.

[warning]Один моль всегда содержит одинаковое число минимальных частиц. Оно называется числом (или постоянной) Авогадро и равняется 6,02×1023.[/warning]

Эта константа используется в случаях, когда для расчетов требуется учитывать микроскопическое строение. Иметь дело с молекулами сложно, так как придется оперировать огромными числами, поэтому в физике часто используется моль – число, определяющее численность частиц в единице массы.

Формула, определяющая количество вещества:

Где:

• m — масса;
• μ — молярная масса;
• N — число структурных единиц;
• Na = 6,02⋅10²³ моль⁻¹ — число Авогадро.

Расчет производится в разных случаях, используется во многих формулах и является важным значением в молекулярной физике.

Давление газа

Давление газа в физике — важная величина, имеющая не только теоретическое, но и практическое значение. Рассмотрим формулу, используемую в молекулярной физике, с пояснениями, необходимыми для лучшего понимания.

Для ее составления придется сделать некоторые упрощения. Молекулы представляют собой сложные системы, имеющие многоступенчатое строение. Для простоты рассмотрим газовые частицы в определенном сосуде как упругие однородные шарики, не взаимодействующие друг с другом (идеальный газ). Скорость их движения будем считать одинаковой. Введя такие упрощения, не сильно меняющие истинное положение, можно вывести определение: давление газа — это сила, которую оказывают удары мельчайших структурных единиц на стенки сосудов.

При этом, учитывая трехмерность пространства, наличие двух направлений каждого измерения, можно ограничить численность структурных единиц, воздействующих на стенки, как 1/6 часть.

Таким образом, сведя воедино все эти условия и допущения, можем вывести формулу давления газа в идеальных условиях.

Она выглядит так:

Где:

• P — давление газа;
• n — концентрация мельчайших единиц;
• Ek — их кинетическая энергия.

В физике существует еще один вариант:

Где:

• n — концентрация мельчайших структурных единиц;
• k — постоянная Больцмана (1,38 ^.10^-23);
• T — абсолютная температура.

Формула объема газа в физике

Объем газа — это пространство, которое занимает данное количество газа в определенных условиях. В отличие от твердых объектов с постоянным объемом, практически не зависящим от окружающих условий, газ может менять объем в зависимости от давления или температурного режима.

Формула объема  газа в физике – это уравнение Менделеева-Клапейрона:

Где:

• P — давление газа;
• V — его объем;
• n — концентрация молей газа;
• R — универсальная газовая постоянная;
• T — температура газа.

Путем простейших перестановок получаем:

[stop]Согласно закону Авогадро, одинаковые объемы любых газов, помещенные в идентичные условия — давление, температура — будут всегда содержать одинаковое количество минимальных структурных единиц.[/stop]

Кристаллизация

Кристаллизация в молекулярной физике — это фазовый переход вещества из жидкого в твердое состояние, т.е. процесс, обратный плавлению. Кристаллизация происходит с выделением теплоты, которую требуется отводить. Температура совпадает с точкой плавления, весь процесс в физике описывается формулой:

Где:

• Q — количество теплоты;
• λ — теплота плавления;
• m — масса.

В молекулярной физике приведенная формула описывает как кристаллизацию, так и плавление, поскольку они, по сути, являются двумя сторонами одного процесса. Для того чтобы вещество кристаллизовалось, необходимо охладить его до температуры плавления, а затем отвести количество тепла, равное произведению массы на удельную теплоту плавления (λ). Во время кристаллизации температура не меняется.

Существует еще один вариант понимания этого термина, используемого в молекулярной физике — кристаллизация из перенасыщенных растворов. В этом случае причиной перехода становится не только достижение определенной температуры, но и степень насыщения раствора определенным веществом. На определенном этапе количество частиц растворенного вещества становится слишком большим, что вызывает образование мелких монокристалликов. Они присоединяют минимальные структурные единицы из раствора, производя послойный рост. В зависимости от условий роста кристаллы имеют не одинаковую форму.

Число молекул

Молекулярная физика позволяет определить численность частиц, содержащееся в данной массе вещества, при помощи формулы:

Отсюда выходит, что число минимальных частиц равняется:

То есть необходимо прежде всего определить численность молекул, приходящихся на определенную массу. Без того не будет возможности правильно провести подсчет числа минимальных частиц. Затем она умножается на число Авогадро, в результате чего получаем количество структурных единиц. Для соединений подсчет ведется суммированием атомного веса компонентов. Рассмотрим простой пример из молекулярной физики:

Определим численность молекул воды в 3 граммах. Формула воды (H2O) содержит два атома водорода и один кислорода.

Общий атомный вес минимальной частицы воды составит: 1 + 1 + 16 = 18 г/моль.

Количество вещества в 3 граммах воды: 3 : 18 = 1/6.

Число молекул: 1/6 × 6 × 1023 = 1023.

Масса молекулы

В молекулярной физике есть такое положение — один моль содержит равное число минимальных частиц. От этого отталкиваются при решении физических задач. Зная точную массу моля, можно разделить ее на количество минимальных частиц (число Авогадро), получив в результате массу структурной единицы:

Такое вычисление из физики применимо к неорганическим молекулам. Размеры органических частиц намного больше, их величина или вес имеют другие значения.

Молярная масса газа

Молярная масса (ММ) — это масса в килограммах одного моля вещества. Одно из положений молекулярной физики — в одном моле содержится одинаковое количество структурных единиц. Поэтому формула будет иметь такой вид:

Где:

• k — коэффициент пропорциональности;
• Mr — атомная масса вещества.

Данная величина может быть рассчитана по уравнению Менделеева-Клапейрона:

из которой можно вывести:

Таким образом, ММ прямо пропорциональна произведению массы на температуру и универсальную газовую постоянную и обратно пропорциональна произведению давления газа , его объема.

[warning]Следует учесть, что ММ газа как элемента может отличаться от газа как вещества, например, ММ элемента кислорода (О) равна 16 г/моль, а кислорода как вещества (О2) равна 32 г/моль.[/warning]

Положения молекулярной физики:

Физика (молекулярная) за 5 минут:

Формулы, которые содержат молекулярная физика и термодинамика, позволяют вычислить количественные значения процессов, происходящих с твердыми веществами и газами. Такие расчеты необходимы как в теоретических изысканиях, так и на практике, поскольку они способствуют решению практических задач.