Краснодар. Излагается основной теоретический материал по молекулярной физике для вузов

М.А. ЖУЖА

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

С ЗАДАНИЯМИ ПО ТРИЗ

Тексты лекций

Краснодар

Излагается основной теоретический материал по молекулярной физике для вузов. Для развития творческого мышления и в качестве методики практического применения полученных на лекциях знаний рекомендуется изучение и применение теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). Приводятся ТРИЗ-задания технической направленности, связанные с лекционным материалом, научными исследованиями или обучением в вузе.

Адресуется студентам физико-технических специальностей.

Предисловие

Предлагаемое издание представляет собой конспект лекций, адресуется студентам I–II курсов вузов, изучающим раздел «Молекулярная физика» в рамках общего курса физики.

Цель издания – помочь освоить молекулярную физику студентам младших курсов, а также развить их творческие способности. При работе с текстами лекций необходимы знания по механике и математическому анализу. Изученный материал является основой для дальнейшего углублённого освоения термодинамики и статистической физики.

В лекциях отсутствуют сложные математические расчеты, при необходимости они могут быть вынесены на семинарские занятия. Формулы, приведённые в тексте, надо не только «прочитать», но и повторить их вывод «рукописно». Всё, что в данном учебном издании выделено курсивом, полужирным курсивом или обведено рамкой, является основным содержанием данной дисциплины (термины, законы, формулы...). Это следует знать наизусть. Для самостоятельных занятий по лекционным темам, а также для подготовки к семинарским и лабораторным занятиям необходим один из учебников, который можно выбрать из списка рекомендуемой литературы.

Физика – одна из основ научно-технического прогресса. А поиск новых технических идей – сложный процесс, требующий нового мышления, воображения и фантазии. Очевидно, что «высокие технологии» должны быть не только в технических устройствах, но в первую очередь – в «головах»: работники умственного труда должны знать приёмы и технологии умственного труда. Мощный инструмент для генерации новых идей – теория решения изобретательских задач (ТРИЗ), которая аккумулирует все творческие знания человечества и позволяет перейти от метода проб и ошибок к научной технологии творчества. ТРИЗ, созданная в России Г.С. Альшуллером и его учениками, имеет следующие творческие инструменты: изобретательские приёмы, законы развития технических систем, стандарты на решение типовых изобретательских задач, информационные фонды, методика применения вещественно-полевых ресурсов, алгоритм решения изобретательских задач, курс развития творческого воображения, приёмы решения научных задач, теория развития творческой личности и многое другое, что может быть полезно студентам, заинтересованным в своём творческом развитии и планирующим в будущем проявлять инновационную активность.

Данное учебное издание адресуется студентам физико - технических специальностей, поэтому в нём теоретический материал по физике дополняется заданиями технической направленности, и текст издания состоит из двух структурных элементов. Первый элемент – это 30 лекционных тем традиционного вузовского курса молекулярной физики (в соответствии с объёмом учебных часов). Второй элемент – 51 ТРИЗ-задание для контролируемой самостоятельной работы. Соответственно из двух частей состоит и список рекомендуемой литературы. Поэтому особенностью предлагаемого издания является его инновационная составляющая – ТРИЗ-задания, углубляющие и расширяющие лекционный материал, развивающие у студентов творческое мышление, фантазию и умение работать с привлечением современных информационных технологий.

Для выполнения ТРИЗ-заданий необходимо иметь начальные знания о ТРИЗ. Для этого рекомендуется: 1) изучить электронную книгу «Введение в ТРИЗ. Основные понятия и подходы» (http://www.altshuller.ru/e-books/); 2) изучить материалы Википедии (http://ru.wikipedia.org/wiki/), начиная со слова «ТРИЗ»; 3) прочитать книги по ТРИЗ из библиотеки КубГУ; 4) посетить ТРИЗ-сайты: http://www.altshuller.ru, http://www.trizminsk.org, http://www.trizway.com, http://www.trizland.ru, http://matriz.ru/ru, http://ratriz.ru, http://triz.natm.ru, http://rus.triz-guide.com. На ТРИЗ-сайтах имеются ссылки на другие сайты, новости, задачи, статьи, информация о конкурсах, конференциях, книгах в «бумажном» и электронном виде.

Если в ТРИЗ-заданиях специально не указано, что информацию следует искать с сети Интернет, то задания рекомендуется вначале попытаться выполнить самостоятельно. При затруднениях дополнительные материалы или ответы можно найти в Интернете (для этого часть ключевых слов в заданиях выделена курсивом). Консультацию по ТРИЗ можно получить у автора данного учебного издания.

ВВЕДЕНИЕ

Задачей молекулярной физики является изучение строения и физических свойств вещества в зависимости от характера движения и взаимодействия между частицами, составляющими вещество, с целью объяснения и прогнозирования его свойств.

Молекулярная физика основывается на молекулярно-кине­ти­ческой теории строения вещества. Согласно этой теории: 1) все тела состоят из мельчайших частиц – атомов и молекул; 2) эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, интенсивность которого зависит от температуры (поэтому его называют тепловым движением); 3) молекулы различных веществ по-разному взаимодействуют между собой.

Молекулярно-кинетическая теория подтверждается экспериментально броуновским движением, опытом Штерна, диффузией, смешиванием жидкостей, растворением твёрдых тел, изменением агрегатных состояний веществ.

Агрегатные состояния вещества: 1) газообразное; 2) жидкое; 3) твёрдое. К четвёртому состоянию иногда относят плазму. Газ не сохраняет ни формы, ни объёма, заполняет всё предоставленное ему пространство. Жидкость сохраняет объём, но не сохраняет формы. Жидкость принимает форму в соответствии с действующими на неё силами (например, в невесомости – шар). Вещество в твёрдом состоянии сохраняет и форму, и объём. Твёрдые тела делятся на кристаллические и аморфные. В первых атомы колеблются около равновесных положений в узлах кристаллической решетки. Аморфные тела (смола, стекло) не имеют кристаллической структуры, изотропны и при повышении температуры постепенно размягчаются (а не плавятся).

Тепловое движение частиц вещества в различных агрегатных состояниях не одинаково. Оно зависит от сил притяжения (на больших расстояниях) и отталкивания (на малых расстояниях) между молекулами. По своей природе эти силы электромагнитного происхождения. Если суммарная кинетическая энергия атомов (молекул) во много раз больше их суммарной потенциальной энергии взаимного притяжения (Е_К >> Е_Р), то вещество находится в газообразном состоянии; если во много раз меньше (Е_К << Е_Р), то в твердом. В жидком состоянии кинетическая и потенциальная энергии приблизительно равны (Е_К» Е_Р).

Физические модели, применяемые в механике (материальная точка, абсолютно твердое тело), переходят в молекулярной физике на микроуровень. Моделью материального тела в молекулярной физике является совокупность атомов и молекул, свойства и законы взаимодействия которых известны.

Модель идеального газа – наиболее простая. Это газ, состоящий из материальных точек с конечной массой, между которыми отсутствуют силы, действующие на расстоянии, которые хаотически движутся и сталкиваются между собой по законам абсолютно упругих соударений.

Существуют различные (дополняющие друг друга) методы описания физических систем.

Динамический метод – основан на законах динамики (механики) Ньютона. Например, зная законы соударения, положения и скорости всех частиц в некоторый момент времени, можно вычислить их положения и скорости во все последующие моменты времени. Однако такой метод непригоден для большого числа частиц. Например, в 1 см³ воздуха при нормальных условиях содержится 2,68×10¹⁹ молекул (число Лошмидта). Следовательно, необходимо решить около 10²⁰ уравнений движения (по три уравнения на каждую молекулу – для x, y, z). Если каждую секунду только записывать по одному уравнению, то затраты времени в 300 раз превысят возраст Вселенной, который оценивается в 10¹⁰ лет. Кроме того, молекулы непрерывно сталкиваются между собой, их координаты и скорости изменяются миллиарды раз в секунду.

Статистический метод («статистическая физика») – изучает статистические закономерности поведения большого числа частиц. Метод основан на теории вероятности. Свойства тел, наблюдаемые на опыте (давление газа, температура), истолковываются как суммарный, усредненный результат действия множества молекул. У отдельной молекулы нет температуры, одна молекула не производит давления. Температура и давление – это характеристики газа «в целом». Кроме того, температура не обладает свойством аддитивности, т.е. нельзя сказать, что температура тела в целом складывается из температур его частей.

Термодинамический метод («термодинамика») – не рассматривает внутреннее строение вещества, не оперирует понятиями молекулярно-кинетической теории, а изучает различные превращения энергии, происходящие в системе. Термодинамика основана на 3 законах (началах), установленных в результате обобщения опытных данных.

Напомним три важных понятия молекулярной физики.

Моль – количество вещества, в котором содержится столько же структурных элементов (молекул, атомов, ионов…), сколько содержится атомов в углероде-12 (¹²С) массой 0,012 кг.

Молярная масса – это масса 1 моля. Например, для воды:

М (Н ₂ О) = 0,018 кг/моль.

В одном моле содержится число Авогáдро частиц:

N_А = 6,022×10²³ моль^-1.