Степени свободы движения молекул и их энергия

До сих пор мы пользовались представлением о молекулах как об очень маленьких упругих шариках, средняя кинетическая энергия которых полагалась равной средней кинетической энергии поступательного движения (см. формулу 2.7). Такое представление о молекуле справедливо только для одноатомных газов. В случае многоатомных газов вклад в кинетическую энергию вносит еще и вращательное, а при высокой температуре – колебательное движение молекул.

Для того, чтобы оценить, какая доля энергии молекулы приходится на каждое из этих движений, введем понятие степеней свободы. Под числом степеней свободы тела (в данном случае молекулы) понимают число независимых координат, полностью определяющих положение тела в пространстве. Число степеней свободы молекулы обозначим буквой i.

Если молекула одноатомная (инертные газы Не, Ne, Ar и др), то молекулу можно рассматривать как материальную точку. Так как положение материальной определяется тремя координатами х, у, z (рис.2.3, а), то одноатомная молекула обладает тремя степенями свободы поступательного движения (i = 3).

Рис. 2.3

Молекулу двухатомного газа (Н₂, N₂, О₂) можно представить как совокупность двух жестко связанных материальных точек – атомов (рис.2.3, б). Для определения положения двухатомной молекулы линейных координат х, у, z недостаточно, так как молекула может вращаться вокруг центра координат. Очевидно, что такая молекула обладает пятью степенями свободы (i=5): - тремя – поступательного движения и двумя – вращения вокруг осей координат (из трех углов j₁, j₂, j₃ независимы только два).

Если молекула состоит из трех и более атомов, не лежащих на одной прямой (СО₂, NH₃), то она, (рис.2.3, в) имеет шесть степеней свободы (i = 6): три – поступательного движения и три – вращения вокруг осей координат.

Выше было показано (см. формулу 2.7), что средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы идеального газа, принимаемой за материальную точку, равна 3/2 kТ. Тогда на одну степень свободы поступательного движения приходится энергия, равная 1/2 kТ. Этот вывод в статистической физике обобщается в виде закона Больцмана о равномерном распределении энергии молекул по степеням свободы: статистически в среднем на любую степень свободы молекул приходится одинаковая энергия, ε_i, равная:

ε_i = 1/2 kТ

Таким образом, полная средняя кинетическая энергия молекулы

(2.13)

Реально молекулы могут совершать еще и колебательные движения, причем на колебательную степень свободы приходится в среднем энергия в два раза большая, чем на поступательную или вращательную, т.е. kТ. Кроме того, рассматривая модель идеального газа, мы по определению не учитывали потенциальную энергию взаимодействия молекул.