Теоретические сведения. 5.1 Как опытным путем изучить поведение молекул жидкости или газа?

5.1 Как опытным путем изучить поведение молекул жидкости или газа? Гениальная и в то же время простая идея того, как это сделать, принадлежит английскому ботанику Роберту Броуну. Если поместить в изучаемую субстанцию какую-нибудь маленькую частицу (но в то же время достаточно большую, чтобы её можно было увидеть в микроскоп), то она будет двигаться, испытывая постоянные толчки со стороны молекул. Наблюдая за движением частицы, можно получить примерное представление о поведении молекул субстанции и даже с хорошей точностью вычислить среднее значение скорости их движения.

Чтобы получит модель «Броуновское движение», нам понадобиться добавить в модель идеального газа код, отвечающий за броуновскую частицу. Броуновская частица ведет себя точно также, как и обычная молекула – движется равномерно и прямолинейно, отражается от стенок аквариума. Но если какая-то молекула столкнулась с ней, частица должна отреагировать на это.

Для практической реализации задачи сделаем опять несколько допущений, для облегчения процесса программирования (к сожалению, еще сильнее отдаляющих модель от реальности, но необходимых в рамках обучения навыкам программирования).

1. Молекула, столкнувшаяся с броуновской частицей, передает её часть своей энергии, изменяя скорость частицы. На уровне программного кода это выглядит так:

Vx_частицы=Vx_частицы+K*Mol[i].Vx_молекулы;

Vy_частицы=Vy_частицы+K*Mol[i].Vy_молекулы;

2. Молекула изменяет скорость частицы в соответствии со своей собственной энергией: быстрая молекула сильнее влияет на частицу, медленная – слабее. Значение параметра К («коэффициент передачи») и будет определять, насколько скорость молекулы может изменить скорость броуновской частицы. Этот коэффициент должен быть небольшим (во всяком случае меньшим 1), чтобы молекулы не гоняли частицу по всему аквариуму словно легкий воздушный шарик.

3. После столкновения скорость молекулы не меняется.

4. После столкновения с частицей молекула не меняет направления своего движения. Так как, чтобы реализовать отражение молекул от частицы, надо очень хорошо потрудится с применением математических расчетов программным методами. В момент столкновения придется построить касательную к броуновской частице в точке касания, потом выяснить угол падения молекулы, потом определить новое направление движения молекулы………..Так, что если есть желание можете это выполнить самостоятельно на старших курсах.

5.2 Второе начало термодинамики в формулировке Рудольфа Клаузиуса (1850 г.) гласит: «Теплота сама по себе не может перейти от более холодного тела к более теплому». Из этого простого закона, проявление которого мы видим каждый день, многие ученные делают весьма неутешительные выводы о будущем нашей Вселенной. Они полагают, что рано или поздно тепло от всех более теплых тел перейдет к более холодным, звезды погаснут и прекратятся вообще все процессы в мире. Во Вселенной наступит динамическое равновесие- так называемая «тепловая смерть». Разумеется, это лишь гипотеза: другие ученные пытаются её опровергать, убеждая в том, что для достижения тепловой смерти потребуется бесконечно большой отрезок времени (иными словами, Вселенная будет умирать бесконечно долго, поэтому так и не умрет) ли что условия, в которых существует Вселенная, постоянно меняются, следовательно, равновесие никогда не будет достигнуто- будет лишь вечное изменение и развитие. А сейчас на простом примере нашей программы продемонстрируем справедливость второго начала термодинамики.

Предположим, что есть два сосуда. В одном из них находится горячий газ, в другом холодный, причем сосуды каким-то образом сообщаются.

Горячий газ отличается от холодного лишь тем, что средняя скорость его молекул выше. Молекулы горячего газа будут проникать в левый сосуд, а молекулы холодного газа- в правый. Реализацию программного кода необходимо выполнить в самостоятельной работе.