Физика для "чайников" (СИ)

Обычно, всегда, когда начинается какая-нибудь непонятная тема, язык поворачивается спросить: ну зачем вообще это нужно? Механика - та ладно ещё, считать движение тел ещё куда ни шло. Но тут? У молекулярной физики одной определённой задачи, как у механики, нет, но она суёт свой нос во всё, что касается поведения веществ на уровне молекул, как то: почему текут жидкости, почему сжимаются газы, почему тела находится в разных агрегатных состояниях (твёрдые тела, жидкости, газы) и как поменять то или иное состояние; что будет происходить, если заставить два туловища долго соприкасаться друг с другом, почему над водой всегда есть пар, почему по воде могут ходить мелкие насекомые, а более крупные в неё проваливаются со всплеском (и почему вода плещет, тоже), и так далее. Короче, общая мысль - молекулярная физика описывает свойства вещества как целого, опираясь на его молекулярное строение - то есть любой "каприз" вещества объясняется тем или иным родом толчеи молекул, копошащихся внутри него.

Вкратце и поумнее: основных положений молекулярно-кинетической теории три: 1) все тела состоят из молекул, между которыми имеются промежутки; 2) все молекулы непрерывно хаотически двигаются; 3) между молекулами существуют силы притяжения и отталкивания (взаимодействия). Броуновское движение - хаотичное непрерывное движение малых частиц вещества под действием молекул жидкости или газа, в которых эти частицы находятся.

Теперь придётся сообразить, что значит ещё одно странное понятие. Количество вещества. Первая мысль, бросающаяся в голову, - а чем масса не угодила? Или объём? Всё было бы хорошо, если б все вещества имели одинаковую структуру - то есть количество молекул в любой массе или любом объёме было одинаковым. Но, как уверяют физики, в сказку мы не попали и на этот раз, и это не так. У каждого вещества своё строение, молекулы по-своему разбросаны (или построены), и одно и то же количество молекул у разных веществ будет давать разную массу или разный объём. А чтобы можно было померить именно количество молекул, взяли такое понятие - количество вещества. Единицу измерения взяли как будто с потолка, да ещё и с непонятным названием - моль. Ну и что? Чему равен один моль? А кто его знает. Поэтому, чтобы знать, договорились о следующем. Один моль - это такое количество вещества, в котором число молекул равно так называемому числу Авогадро. Это чувак, который как раз и занимался тем, что молекулы считал. Конечно, делал это не на счётах и не глазами-пальцами, но сейчас не об этом. Дак вот, за число Авогадро взяли то количество, которое он, по заверениям, точно посчитал - а посчитал он число молекул в 12 г углерода. Не надо спрашивать, почему именно углерод и почему именно 12 грамм. Когда вводят какую-то совсем новую величину, которой не от чего оттолкнуться, берут что-то измеренное, договариваются и говорят: вот теперь все и всегда при подсчётах будем это считать за 1 единицу, а остальные как бы отсчитывать от неё. Хоть тот же метр был введён именно таким образом - взяли расстояние между Парижем и Северным полюсом и разделили его на 40 миллионов. (Сейчас метр определяют по-другому, но тоже мутно.) Почему Париж? Почему 40 миллионов? Почему Северный полюс? Ну вот так людям в голову взбрело. А нам теперь по всему этому отсчитывать... (Опять отвлекаясь: были товарищи, не согласные с французами, когда вводили метры, - так, на Руси длину мерили вершками, саженями, вёрстами, у англоязычных товарищей до сих пор используют фут и милю, до французов длину считали в шагах и т.д.)

Ладно, заматываем теперь этот заковыристый клубок обратно. Значит, вот число Авогадро - это число молекул, соответствующее одному молю вещества. Оно равно 6.03*10^23 штук/моль, или моль^-1 ("штука" в физике - величина безразмерная). Значит, в одном моле любого вещества будет содержаться столько молекул. В двух молях соответственно - 12.06*10^23 = 1.206*10^24 молекул. В трёх - 1.809*10^24 штук. И так далее.

Количество вещества и число Авогадро (больше даже последнее) будут использоваться при расчётах дальше.

Вкратце и поумнее: один моль - это такое количество вещества, в котором содержится число молекул, равное числу Авогадро. Число Авогадро - это число молекул в 12 г углерода-12. Оно равно 6.03*10^23 моль^-1.

Всё ещё в ожидании страшных формул? Формулы будут, но не то чтобы дико страшные - уж точно без синусов-косинусов. Только чтобы добраться до математики, нужно сначала сообразить, а что ей описать-то можно - как известно, жизнь с математикой дружат не всегда. Вот в молекулярной физике дружба сошлась только на газах. Почему именно они? Потому, что у газов самое слабое взаимодействие между молекулами. Случайность - страшнейший враг жёсткой математической логики (в принципе, математика пробралась и туда, но для школы это уже слишком сложно, и в школьные годы такими вещами головы не забивают), потому что когда точно не известно, что произойдёт после очередного удара молекул друг о друга, весь математический аппарат рушится, как карточный домик. Да даже если и удастся как-то посчитать все закономерности для одной молекулы, в реальности их не то что тысячи, миллионы или миллиарды - в одном моле (от единиц до сотен грамм, если пересчитать в массу) вещества содержится сами видите, сколько молекул - десять в двадцать третьей степени! Попробуй посчитай всё для каждой из них - жизни не хватит! А в твёрдых телах и жидкостях от этого взаимодействия никуда не денешься. Зато в газах, и то - при определённых условиях - им можно пренебречь. Газ при таких "определённых" условиях называют идеальным, и именно идеальные газы участвуют во всех дальнейших расчётах. А условие достаточно только одно: настоящий газ при не очень высоком давлении вполне может вести себя как идеальный - собственно, вот она, точка стыковки физики жизненной и физики-математики. Молекулы такого газа, как и любого другого вещества, тоже двигаются, и энергию их полёта туда-сюда описывает очень известная штука - температура. Больше температура - быстрее летают. Если взять два тела с разными температурами - например, горячий чай и коктейль со льдом, - налить каждый в свой стакан и поставить их в комнате, то горячий чай будет потихоньку остывать, а коктейль - потихоньку согреваться, и так до тех пор, пока температура каждого не сравняется с комнатной. Это что-то вроде того принципа минимума потенциальной энергии в механике - если считать, что комната изолирована (воздух в ней всегда один и тот же), то система "воздух-чай-коктейль" стремится к тому, чтобы уравновесить движение всех своих молекул до какого-то одного значения. А то так получится - одни молекулы летают быстрее, другие (неважно, что они другого вещества) - медленнее... Природа такое не терпит и стремится восстановить равновесие. Которое, если так вот выравнивается температура, так и называется - тепловым равновесием. Или термодинамическим равновесием, если речь идёт о термодинамике (она как раз отвечает за тепло и тому подобное. Но об этом - попозже.)

Вкратце и поумнее: идеальный газ - это газ, молекулы которого принимаются за материальные точки, и воздействием между ними пренебрегают. Реальный газ при невысоких давлениях можно считать идеальным. Температура - физическая величина, характеризующая кинетическую энергию поступательного движения молекул идеального газа. Тепловое равновесие - состояние, которое достигает изолированная система тел с разными температурами, заключается в равенстве температур между всеми частями системы.

Ну, вот теперь, когда окончательно обозначили, с чем будем иметь дело, - а именно с идеальными газами, - начнём сверлить их математикой. Первое, самое-самое основное уравнение МКТ: p = 2*n*m0*v^2/3 = 2n*E/3. Буквы означают следующее: p - давление идеального газа, Па. n - концентрация молекул (число их в единице объёма, м^-3), m0 - масса одной молекулы, кг. v^2 - средний квадрат скорости теплового движения молекул, м^2/(с^2). E - средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул, Дж.