Молекулярная физика (стр. 2 из 5)
В отличие от жидкостей все разреженные газы расширяются при нагревании одинаково и одинаково меняют свое давление при изменении температуры. Поэтому в физике для установления рациональной температурной шкалы используют изменение давления определенного количества разреженного газа при постоянном объеме или изменение объема газа при постоянном давлении. Такую шкалу иногда называют идеальной газовой шкалой температур.
При тепловом равновесии средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул всех газов одинакова. Давление прямо пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул:
. При тепловом равновесии, если давление газа данной массы и его объем фиксированы, средняя кинетическая энергия молекул газа должна иметь строго определенное значение, как и температура. Т.к. 
, то 
, или 
.Обозначим
. Величина 
растет с повышением температуры и ни от чего, кроме температуры не зависит. Следовательно, ее можно считать естественной мерой температуры.Абсолютная температурная шкала:
Будем считать величину
, измеряемую в энергетических единицах, прямо пропорциональной температуре 
, выражаемой в градусах: 
, где 
- коэффициент пропорциональности. Коэффициент 
, в честь австрийского физика Л. Больцмана называется постоянной Больцмана.Следовательно,
. Температура, определяемая этой формулой, не может быть отрицательной. Следовательно, наименьшим возможным значением температуры является 0, если давление или объем равны нулю.Предельную температуру, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объеме или объем идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении, называют абсолютным нулем температуры.
Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия. Единица абсолютной температуры в СИ называется Кельвином.
. Следовательно, абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии движения молекул. 
Скорость молекул газа:
Зная абсолютную температуру, можно найти среднюю кинетическую энергию молекул газа, а , следовательно, и средний квадрат их скорости.
Квадратный корень из этой величины называется средней квадратичной скоростью:
Опыты по определению скоростей молекул доказали справедливость этой формулы. Одни из опытов был предложен О. Штерном в 1920 году.
Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева – Клапейрона). Универсальная газовая постоянная:
На основе зависимости давления газа от концентрации его молекул и температуры можно получить уравнение, связывающее все три макроскопических параметра: давление, объем и температуру - характеризующие состояние данной массы достаточно разреженного газа. Это уравнение называют уравнением состояния идеального газа.
, где 
- универсальная газовая постоянная 
для данной массы газа, следовательно 
- уравнение Клапейрона.Изотермический, изохорный и изобарный процессы:
Количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра называют газовыми законами. А процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров, - изопроцессами.
Изотермический процесс – процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянной температуре.
при 
Для газа данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется. – закон Бойля - Мариотта.
Изохорный процесс - процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянном объеме.
при 
Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем газа не меняется. – закон Шарля.
Изобарный процесс - процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянном давлении.
при 
Для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление газа не меняется. – закон Гей-Люссака.
Внутренняя энергия:
Внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул (или атомов) относительно центров масс тела и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом (но не с молекулами других тел).
При любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остается неизменной.
Внутренняя энергия идеального газа.
Для вычисления внутренней энергии идеального одноатомного газа массой
нужно умножить среднюю кинетическую энергию одного атома 
на число атомов 
. Учитывая, что 
, получим значение внутренней энергии идеального газа: 
Если идеальный газ состоит из более сложных молекул, чем одноатомный, то его внутренняя энергия равна сумме поступательного и вращательного движения молекул.
Для двухатомного газа:
Для многоатомного газа:
У реальных газов, жидкостей и твердых тел средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул не равна нулю. Для газов она много меньше средней кинетической энергии молекул, но для твердых тел и жидкостей она сравнима с ней. Средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от объема вещества, так как при изменении объема меняется среднее расстояние между молекулами. Следовательно, внутренняя энергия в термодинамике в общем случае наряду с температурой зависит и от объема.
Количество теплоты:
Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплообменом или теплопередачей. Теплообмен происходит между телами, имеющими разную температуру. При установлении контакта между телами с различными температурами происходит передача части внутренней энергии от тела с более высокой температурой к телу, у которого температура ниже. Энергия, переданная телу в результате теплообмена, называется количеством теплоты.
Удельная теплоемкость вещества:
Если процесс теплопередачи не сопровождается работой, то на основании первого закона термодинамики количество теплоты равно изменению внутренней энергии тела:
.Средняя энергия беспорядочного поступательного движения молекул пропорциональна абсолютной температуре. Изменение внутренней энергии тела равно алгебраической сумме изменений энергии всех атомов или молекул, число которых пропорционально массе тела, поэтому изменение внутренней энергии и, следовательно, количество теплоты пропорционально массе и изменению температуры: