Фізика 10 клас Молекулярна фізика й термодинаміка

Матеріал з Фізмат Вікіпедії
Перейти до: навігація, пошук

Молекулярна фізика й термодинаміка


Зміст

1.Основні положення МКТ та їх дослідне обґрунтування. Маса і розмір молекул. Стала Авогадро. Швидкість теплового руху молекул. Дослід Штерна.

Молекулярно-кинетична теорія (МКТ) пояснює теплові явища в тілах (у речовині) та їх внутрішні властивості. Вона пов`язує закономірності поведінки окремих молекул з характеристиками властивостей тіл. Основні положення МКТ 1. Речовина складається з величезного числа дрібних частинок – молекул( атомів або іонів). 2. Ці частинки знаходяться у безперервному хаотичному русі. 3. Ці частинки (як правило) взаємодіють між собою. Атом – найдрібніша частинка хімічного елемента, що зберігає його хімічні властивості. Молекула – об єднання з кількох атомів – найдрібніша частинка речовини, що зберігає її хімічні властивості. Більшість речовин молекулярної будови (кисень, вода, аміак, метан), але є й атомарні речовини (грфіт, алмаз, гелій,і всі інертні гази), і навіть іонні речовини (всі мітали). Маючи на увазі існування атомарних та іонних речовин, усе ж умовно можна говорити узагальнено про молекулярну будову речовини. Підтвердження положень МКТ:

1)Броунівський рух.

2)Дифузія.

141.png

Ботанік Броун, розглядаючи під мікроскопом краплю рідини з урівноваженими в ній частинками (пилком), спостеріг їхній безладний рух. Частинки пилку рухаються під ударами невидимих у мікроскоп молекул.

Дифузія – це проникнення молекул деякої речовини в ділянки простору, в яких перебувають молекули іншої речовини, і навпаки (взаємна дифузія).

Маса і розміри молекул

Для кількісної оцінки речовини користуються поняттям моля – одиниці кількості речовини. Моль – це така кількість речовини, в якій міститься стільки молекул (атомів чи іонів), скільки міститься атомів в 0,012 кг вуглецю 12С. Число молів Файл:142.png де т – маса речовини, М –маса моля (визначається За таблицею Менделєєва, наприклад, МN2 = 0,028 кг/моль). Авогадро встановив: 1.Число молекул у молі: NA = 6,02 . 1023 моль-1(стала Авогадро). 2.Об єм моля будь-якого газу при нормальних тиску і темперетурі:

VM0 = 22,4 л/моль = 0,0224 м3/моль.

Маса однієї молекули: 143.png


Число молекул у тілі: N = γNA = (m/M)NA . Для оцінки розміру деякої молекули можна розглядати її як маленьку кульку, тоді її об єм (з геометрії) дорівнює 4/3πr3. З формули густини речовини (ρ = m/V) маємо V = m/ρ. Для однієї молекули V 0 = т0/ρ = М/(ρNA) = 4/3 πr3. Звідси для молекули води:144.png

Молекули настільки малі, що за допомогою оптичних мікроскопів їх побачити не можна.

Швидкість теплового руху молекул. Дослід Штерна.

145в.png

Швидкість молекул визначають наступним чином: в циліндрі 1 з вертикальною щілиною 2, з якого видалено повітря, знаходиться вольфрамова нитка розжарювання, покрита, наприклад, сріблом. Циліндр 1 знаходиться в циліндрі 3, з якого також відкачано повітря. Якщо через вольфрамову нитку пропустити струм, то при її нагріванні срібло буде випаровуватися, причому частина молекул срібла буде проходити через щілину 2 циліндра 1 та потрапляти на внутрішню стінку циліндра 3, утворюючи при цьому наліт з металу. Якщо цю установку привести в рухомий стан, то можна помітити зміщення місця нальоту метала у бік, протилежний обертанню. Це пояснюється тим, що поки молекули рухались від циліндра 1 до точки М на внутрішній стіні циліндра 3, положення точки М змістилося на відрізок МL. Знаючи місто від щілини до точки М та відстань зміщення МL, число обертів установки п і радіус зовнішнього циліндру, можна обчислитишвидкість молекул при температурі накалу нитки. Цей дослід має назву дослід Штерна. Чим більша швидкість молекул срібла, тим на більшу відстань вони зміщуються. Формула для підрахунку швидкості : 146.png


Швидкості молекул:

147.png

2.Ідеальний газ. Основне рівняння МКТ ідеального газу. Температура та її вимірювання. Шкала абсолютних температур.

Ідеальним газом називають сукупність величезної кількості молекул , не взаємодіючих на відстані.

У ідеального газу:

1.Молекули не мають різмірів. 2.Відсутні сили межмолекулярної взаємодії. 3.Зіткнення молекул між собою і зі стінками посудини абсолютно пружні. Ідеальний газ – це ідеалізоване поняття, реальний газ (наприклад азот) можна наближено розглядати як ідеальний при достатньо низькому тиску та високій температурі, що дозволяє знехтувати розмірами і взаємодією молекул. Мікростани (поведінку окремих молекул газу) не можна контролювати. Макростани (прояви рухів безлічі молекул у посудині об ємом V) можна контролювати шляхом вимірювання р і Т. Величини р,V,Т - параметри стану.

148.png

149.png

Пристрої для вимірювання температури (термометри) Бувають різних типів, а саме: Їх дія базується на зміні обєму рідини (ртуті, спирту) при зміні їх температури. Їх дія базується на зміні тиску газу при зміні температури. Їх дія базується на зміні опору матеріалів при зміні температури. У побуті звичайно користуються температурною шкалою, яку запропонував у Х\/ІІІ столітті шведський фізик Андерс Цельсій. У ній точками відліку є температура танення льоду, прийнята за 00С, і температура кипіння води при нормальному тиску, прийнята за 1000С. У фізиці обовязкова до застосування шкала, яку запропонував англійський фізик Уільям томсон (лорд Кельвін). У ній за нуль прийнято температуру, при якій зник би тепловий рух молекул, нулю відповідає температура за Цельсієм -273,150С, Т = (t + 273)К, одна поділка шкали Кельвіна дорівнює одній поділці шкали Цельсія. Ця шкала називається абсолютною або термодінамічною.


3.Рівняння стану ідеального газу (рівняння Менделєєва-Клапейрона). Ізопроцеси в газах

Першим отримав рівняння стану Клапейрон 173.png,

pV = const . T, коефіцієнт пропорційності в ньому різний для різних газів. Менделєєв встановив, що для різних газів за однаковою кількістю речовини (тобто однаковою кількістю молекул) коефіцієнт пропорційності в рівнянні стану один і той же (універсальний). Для одного моля: рVм = RТ. Однаковий для всіх газів коефіцієнт пропорційності R = 8,31 Дж/(моль . К) називається універсальною газовою сталою.

Для молів газу: 174.png або 175.png Це рівняння називається рівнянням Менделєєва-Клапейрона. Усі досить розріджені гази, як приблизно ідеальні, описуються цим рівнянням. Ізопроцеси – це процеси, за яких один з параметрів стану газу залишається постійним. Газові закони – це закони, яким підкоряються ізопроцеси. Рівняння, що описують ізопроцеси, є окремими випадками стану ідеального газу.

150.png

151.png

152.png

4.Тепловий рух. Внутрішня енергія та способи її зміни. Кількість теплоти. Питома теплоємність речовини. Робота в термодинаміці. Закон збереження енергії в теплових процесах (1 закон термодинаміки). Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів. Адіабатній процес.

Внутрішня енергія(U) тіла – це сума кінетичної енергії руху його молекул і потенціальної енергії їх взаємодії між собою. Молекули ідеального газу не взаємодіють, тому для одного моля газу:

Um =Wk NA = 3/2 k T NA = 3/2 RT, де k = 1,38 . 10 -23Дж/К – стала Больцмана, R =8,31 Дж/(моль . К) – універсальна газова стала. У загальному випадку (наприклад, для рідких і твердих тіл) нехтувати потенціальною енергією взаємодії між тілами не можна. Тому внутрішня енергія тіла залежить не тільки від температури, але й від обєму тіла. У той же час вона не залежить від швидкості руху тіла як цілого, від висоти над Землею тощо. Кількість теплоти ( Q) – це фізична характеристика теплових процесів, яка еквівалентна роботі А – характеристиці механічних процесів. Обидві ці величині є кількісними мірами зміни енергії. Робота дорівнює зміні енергії системи шляхом механічних процесів: А = ΔWмех, а кількість теплоти дорівнює зміні енергії системи шляхом теплових процесів (за рахунок теплообміну даної системи з іншою, тобто теплообміну між тілами, без виконання механічної роботи): Q = ΔWтепл. Одиниці вимірювання обох величин одні й ті самі: [A] = [Q] = Дж. З курсу фізики 8-го класу відомо, що для нагрівання тіла масою т від температури t1 до температури t2 треба надати йому кількість теплоти:

    Q = ст(t2 – t1) = ст Δ t.

Під час остигання тіла його кінцева температура t2 менша за початкову t1 і кількість теплоти, яку тіло віддає відємна. Коефіцієнт с у даній формулі називають питомою теплоємністю. Питома теплоємність – це кількість теплоти, яку треба надати 1 кг речовини, щоб змінити її температуру на 1 К. Питома теплоємність залежить не тільки від властивостей речовини, а й від того, при якому процесі відбувається теплопередача. Якщо нагрівати газ при сталому тиску, то він розширюватиметься і виконуватиме роботу, тому щоб нагріти газ на 1 К при сталому тиску, йому треба передати більшу кількість теплоти, ніж для нагрівання при сталому обємі. Рідкі й тверді тіла розширюються під час нагрівання мало,тому їхні питомі теплоємності при столому обємі і сталому тиску відрізняються мало.

Перший закон термодінаміки

153.png

154.png

Застосування І закону термодінаміки до ізопроцесів

Файл:155

5.Необоротність теплових процесів. Принцип дії теплових двигунів. ККД теплового двигуна і його максимальне значення. Теплові двигуни і проблеми охорони навколишнього середовища.

156.png

157.png

158.png


6.Пароутворювання (випаровування та кипіння). Конденсація. Питома теплота пароутворення. Насичена і ненасичена пара, їхні властивості. Вологость повітря та її вимірювання.

159.png

160.png

Питома теплота пароутворення

161.png

Властивості пари: • тиск насиченої пари рідини при незмінній температурі - величина стала; • концентрація молекул насиченої пари у закритому обємі з рідиною завжди встановлюється при даній температурі одна і та сама незалежно від обєму, який займає пара; • тиск насиченої пари зростає з підвищенням температури.

 Критична температура – температура Тк, при якій густини рідини і пари стають однаковими , при чому зникає межа розділу між рідиною і парою, перетворюється у нуль теплота пароутворення, пару і рідину не можна розрізнити. Стан, за якого відбувається це явище, називається критичним станом. Тиск насиченої пари рідини при її критичній температурі називають критичним тиском.
  Для води, наприклад, критичний тиск дорівнює 2,2 . 107 Па (225,6 атм), для оксиду вуглецю СО2 – 7,35 . 106 Па (75 атм), а для гелію – всього 0,23. 106 Па (2,3,атм).
 Об`єм, що його займає речовина у критичному стані називають критичним об`ємом.

Він відповідає найбільшому значенню обєму, який може займати дана маса речовини у рідкому стані

162.png

Пристрої для вимірювання вологості повітря: • психрометри; • гігрометри.

  Психрометр складається з двох термометрів. Резервуар, що містить спирт, в одного з термометрів обгорнутий вологою тканиною, з якої випаровується вода, внаслідок чого відбувається охолодження спирту. Чим менш вологе повітря тим нижчу температуру показує термометр. За різницею показників термометрів з використанням психометричної таблиці визначають вологість повітря.

7.Плавлення і кристалізація тіл. Питома теплота плавлення. Птиома теплота згоряння палива. Рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів.

163.png

Питома теплота плавлення

164.png

Питома теплота згоряння палива (теплотворна здатність)

165.png

166.png

8.Поверхневий натяг рідини. Сила поверхневого натягу. Змочування. Капілярні явища.

На молекулу В всередині рідини з усіх боків діють сусідні молекули, так що результуюча сила їх дії на дану молекулу дорівнює нулю. На молекулу А у поверхневому шарі сусідні молекули рідини діють сильніше, ніж молекули пари над рідиною. Результуюча сила відмінна від нуля і напрямлена всередину рідини. Тому існує тенденція рідини мати на межі з повітрям форму з найменшою поверхнею ( сферичну).

167.png

Сила, яка викликає скорочення вільної поверхні рідини, називається силою поверхневого натягу. Ця сила прямо пропорційна довжині контура, що обмежує вільну поверхню: FH ~l, FΗ = σl. Коефіцієнт пропорційності: σ = FH / l характеризує звязки між молекулами рідини і називається поверхневим натягом рідини: [σ] = H/м.

168.png

9.Кристалічні та аморфні тіла. Механічні властивості твердих тіл. Види деформації. Модуль Юнга.

169.png

170.png

171.png

172.png