|
|
Тема 1. Основы молекулярно-кинетической теорииСтр 1 из 6Следующая ⇒ Введение На всем протяжении развития физики основным предметом ее изучения было строение вещества. На разных уровнях развития науки различны и основные представления о строении вещества. С развитием учения о тепловых явлениях в физике была создана молекулярно-кинетическая теория. Основополагающим положением этой теории является признание факта, что все вещества состоят из мельчайших частиц, называемых молекулами, которые находятся в состоянии непрерывного движения. Из-за очень малых размеров молекул (порядка 10 -8 см) их находится в веществе огромное количество. Например, всего 1 см 3 воздуха при нормальных условиях содержит 2,7·1019 молекул. Поэтому применение законов механики для нахождения микроскопических характеристик такой макросистемы, то есть координат и импульсов каждой молекулы, совершенно бесперспективно. Для изучения макросистем нужны другие подходы. Физические свойства систем, состоящих из колоссального числа частиц (атомов и молекул) составляет предмет изучения молекулярной физики. Начиная изучение молекулярной физики и термодинамики, необходимо донести до учащихся следующие положения: 1. Для ответа на очень многие вопросы достаточно знать не поведение отдельных молекул, а только макроскопические параметры, характеризующие состояние всей системы. Такими параметрами являются, например, объем системы, ее масса, полная энергия. Если система находится в состоянии равновесия, то она характеризуется еще и такими параметрами, как давление и температура. Значения макроскопических параметров определяются не поведением отдельных молекул, а средним результатом, к которому приводит их совокупное движение, то есть средними значениями микроскопических параметров. 2. Задача молекулярно-кинетической теории состоит в том, чтобы установить связь макроскопических параметров системы со средними значениями микроскопических величин и дать способ вычисления этих средних значений на основе законов движения отдельных частиц. Такой подход справедлив для газовых систем. Так, например, для одного моля идеального газа молекулярно-кинетическая теория устанавливает связь между произведением двух макроскопических параметров - давления Р и молярного объема -
где 3. Исторически сложился и другой подход к изучению систем, состоящих из большого числа частиц, в которых установление связей между различными макроскопическими параметрами производится опытным путем. Например, для одного моля идеального газа из опыта устанавливается следующая связь между тремя макроскопическими параметрами - давлением, молярным объемом и термодинамической температурой газа:
где R - газовая постоянная. Такой эмпирический подход характерен для термодинамики. В рамках термодинамики не раскрывается глубокий физический смысл макроскопических параметров системы, то есть их связь со средними значениями микроскопических параметров. Однако, благодаря именно этому обстоятельству, основные законы термодинамики, установленные на опыте, отличаются большой общностью и применимы ко всем макроскопическим системам независимо от особенностей их внутренней структуры. 4. Наиболее полные представления о свойствах систем большого числа частиц дает совместное использование термодинамики и статистической механики. Например, сравнение формул (1) и (2) дает возможность установить физический смысл макроскопического параметра - термодинамической температуры Т:
а также получить удобное выражение для давления идеального газа
Таким образом, давление идеального газа определяется средним числом частиц в единице объема n и термодинамической температурой. Содержание раздела "Молекулярная физика" Экспериментальные факты: наблюдение броуновского движения, сжимаемости газов, смачивания на границе жидкости с твердым телом, диффузии, теплопроводности и других явлений. Основные понятия: молекула, моль, теплота, давление, объем, температура, внутренняя энергия, тепловое равновесие, газ, жидкость, твердое тело, тепловые машины, цикл Карно, энтропия, фазовые превращения. Законы и уравнения: уравнение состояния идеального газа; закон о распределении молекул газа по скоростям (распределение Максвелла); первый и второй закон термодинамики, гипотеза о равнораспределении энергии по степеням свободы, неравенство Клаузиуса, принцип возрастания энтропии. Приложение 1 Укажите изменение внутренней энергии системы. Условные обозначения:
Укажите изменение внутренней энергии системы при указанных на рисунке способах ее взаимодействия с окружающей средой.
Укажите возможные варианты энергетического обмена системы с окружающей средой, при котором происходит указанное изменение внутренней энергии.
Приложение 2 Тема 5. Фазовые превращения Если жидкость находится в открытом сосуде, то она постепенно испаряется, то есть переходит в газообразное состояние. Переход из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом. Испарение жидкостей происходит при любой температуре, но при увеличении температуры скорость испарения увеличивается. Молекулы в жидкости, также как и в газе, обладают разными скоростями, а, следовательно, и разными энергиями, хотя средняя энергия молекул при неизменной температуре имеет вполне определенное значение. Всегда какая-то часть молекул имеет значение энергии больше среднего и какая-то часть меньше среднего. Соответственно и скорости молекул разные. При каждой температуре наиболее быстрые молекулы могут преодолеть притяжение соседних молекул и, прорвавшись сквозь поверхностный слой, вылететь за пределы жидкости. Чем выше температура жидкости, тем больше быстрых молекул и тем быстрее идет испарение. При испарении из жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы. Они тратят часть своей энергии на совершение работы против удерживающих их в поверхностном слое сил молекулярного притяжения. Оставшиеся в жидкости молекулы имеют меньшую энергию. Таким образом, средняя энергия этих молекул убывает, следовательно, жидкость охлаждается. Для осуществления перехода из жидкой фазы в газообразную к системе необходимо подводить теплоту без изменения температуры системы. Эта теплота идет на изменение фазового состояния вещества и называется скрытой теплотой испарения или просто теплотой испарения. Скрытая теплота затрачивается на совершение работы против сил притяжения, между молекулами. Удельной теплотой испарения называется количество тепла, которое надо сообщить единице массы жидкости, находящейся при температуре Т, чтобы перевести ее в пар при той же температуре. Удельная теплота зависит от температуры жидкости и с повышением температуры уменьшается. Если к испаряющейся жидкости не подводить извне тепло, то она охлаждается. На этом факте основан способ понижения температуры: заставляя жидкость, помещенную в сосуд с нетеплопроводными стенками, усиленно испаряться, можно ее значительно охладить. Обратный испарению процесс конденсации сопровождается выделением тепла. Скрытая теплота конденсации, разумеется, равна скрытой теплоте испарения. Испарение жидкостей является одним из видов фазовых переходов. Поэтому скрытая теплота испарения называется еще и теплотой перехода. Скрытая теплота испарения является количественной характеристикой сил связи между молекулами жидкости. Чем больше эти силы, тем больше скрытая теплота испарения. Рассмотрим процесс конденсации газа. Поместим исследуемый газ в сосуд, закрытый подвижным поршнем. Для измерения давления к сосуду присоединен манометр (рис. 13). Опуская поршень вниз, уменьшаем объем, занимаемый газом, и увеличиваем давление газа.
Описанный процесс сжатия газа и превращения его в жидкость можно изобразить графически (рис.14). Участок АВ соответствует сжатию газа. В точке В начинается процесс конденсации и до точки С давление пара не повышается. На участке ВС часть объема заполнена газом, а другая часть - жидкостью. Газ на участке ВС называется насыщенным паром. Давление, соответствующее участку ВС определяет давление насыщенного пара или упругость насыщенного пара при данной температуре.
Азот N2 - 147oC Эти газы могут быть получены в жидком состоянии только после предварительного сильного охлаждения до указанных температур. У воды (Н2О) критическая температура равна +374oС, поэтому она может быть превращена в твердое состояние при нормальном давлении при охлаждении всего до 0oС. Итак, при температурах ниже критической вещество может существовать в зависимости от давления, либо в газообразном, либо в жидком состоянии, либо одновременно в виде двух фаз: жидкости и насыщенных паров. Кипение жидкостей Известно, что каждое вещество при определенных температуре и внешнем давлении кипит. Кипением называется процесс испарения жидкости не только с открытой поверхности, но и в ее толще, где начинаются образовываться пузырьки пара. Обычно в жидкости, или в стенках сосуда, в котором она помещена, имеется растворенный или поглощенный воздух. Образовавшийся небольшой пузырек газа наполняется насыщенным паром окружающей жидкости. Упругость пара в нем определяется температурой жидкости. Если температура жидкости такова, что давление насыщенного пара в пузырьке меньше внешнего давления над жидкостью пузырек не растет. Этому препятствует и гидростатическое давление столба жидкости над ним, и внешнее давление, под которым находится жидкость. Вот внешнее давление и определяет равновесное состояние пузырька. Если внешнее давление увеличивать, то пузырек будет сжиматься. Если уменьшить - то увеличиваться. Пусть внешнее давление не меняется, но увеличивается температура. Когда температура жидкости достигает значения, при котором упругость ее насыщенного пара станет равна внешнему давлению, то давление пара внутри пузырька также будет равна внешнему. Дальнейшее повышение температуры приведет к тому, что давление пара внутри пузырька превысит внешнее, пузырек начнет расти, всплывать и по достижении поверхности лопнет, выпустив пар. Жидкость начинает испаряться не только с поверхности, но и с поверхности пузырьков внутри жидкости: жидкость кипит. Таким образом, для того, чтобы жидкость закипела, необходимо довести ее температуру до величины, при которой упругость ее насыщенных паров равна внешнему давлению, точнее несколько больше. Понятно, что от величины внешнего давления зависит температура кипения жидкости. При увеличении внешнего давления температура кипения увеличивается, при уменьшении - снижается. Вода в обычных условиях, то есть при нормальном атмосферном давлении 760 мм рт. ст. (или 1,05·105 Па) кипит при температуре 100oС. Если снизить давление до 10 мм рт. ст., то вода будет кипеть всего при 12oС. Если увеличить внешнее давление до 15 атм, то вода закипит при 200oС. Пузырьки, образующиеся при кипении жидкости, легче всего возникают на пузырьках воздуха, обычно присутствующих в жидкости и обыкновенно прилипающих к стенкам сосуда. Пузырьки воздуха являются теми центрами, около которых начинается кипение. Жидкость, лишенную воздуха, можно перегреть, то есть нагреть выше температуры кипения без того, чтобы она вскипела. Если в такую перегретую жидкость ввести какие-либо твердые частицы, к поверхности которых прилип воздух, то она сейчас же закипит, при этом ее температура упадет до температуры кипения. Закипание перегретой жидкости происходит очень бурно с выбросом большого количества жидкости и пара. Чтобы перегревание жидкости не происходило, в сосуд с нагреваемой жидкостью вводят капиллярные трубки, внутри которых легко сохраняются пузырьки воздуха. Испарение твердых тел Испарение происходит не только в поверхности жидкости. Твердое тело также испаряется. Процесс испарения твердого тела называется сублимацией или возгонкой. Испаряющиеся молекулы твердого тела образуют над его поверхностью пар так же, как это происходит при испарении жидкости. При определенных давлении и температуре пар и твердое тело могут находиться в равновесии. Это насыщенный пар. Упругость насыщенного пара, как и в случае жидкости, зависит от температуры, увеличиваясь при повышении и уменьшаясь при ее понижении. Давление насыщенного пара твердых тел при обычных температурах очень мало. Хорошо испаряющимся твердым телом является лед. Мокрое белье, вывешенное на морозе, сначала замерзает, то есть замерзает вода, затем лед испаряется, и белье становится сухим. Введение На всем протяжении развития физики основным предметом ее изучения было строение вещества. На разных уровнях развития науки различны и основные представления о строении вещества. С развитием учения о тепловых явлениях в физике была создана молекулярно-кинетическая теория. Основополагающим положением этой теории является признание факта, что все вещества состоят из мельчайших частиц, называемых молекулами, которые находятся в состоянии непрерывного движения. Из-за очень малых размеров молекул (порядка 10 -8 см) их находится в веществе огромное количество. Например, всего 1 см 3 воздуха при нормальных условиях содержит 2,7·1019 молекул. Поэтому применение законов механики для нахождения микроскопических характеристик такой макросистемы, то есть координат и импульсов каждой молекулы, совершенно бесперспективно. Для изучения макросистем нужны другие подходы. Физические свойства систем, состоящих из колоссального числа частиц (атомов и молекул) составляет предмет изучения молекулярной физики. Начиная изучение молекулярной физики и термодинамики, необходимо донести до учащихся следующие положения: 1. Для ответа на очень многие вопросы достаточно знать не поведение отдельных молекул, а только макроскопические параметры, характеризующие состояние всей системы. Такими параметрами являются, например, объем системы, ее масса, полная энергия. Если система находится в состоянии равновесия, то она характеризуется еще и такими параметрами, как давление и температура. Значения макроскопических параметров определяются не поведением отдельных молекул, а средним результатом, к которому приводит их совокупное движение, то есть средними значениями микроскопических параметров. 2. Задача молекулярно-кинетической теории состоит в том, чтобы установить связь макроскопических параметров системы со средними значениями микроскопических величин и дать способ вычисления этих средних значений на основе законов движения отдельных частиц. Такой подход справедлив для газовых систем. Так, например, для одного моля идеального газа молекулярно-кинетическая теория устанавливает связь между произведением двух макроскопических параметров - давления Р и молярного объема -
где 3. Исторически сложился и другой подход к изучению систем, состоящих из большого числа частиц, в которых установление связей между различными макроскопическими параметрами производится опытным путем. Например, для одного моля идеального газа из опыта устанавливается следующая связь между тремя макроскопическими параметрами - давлением, молярным объемом и термодинамической температурой газа:
где R - газовая постоянная. Такой эмпирический подход характерен для термодинамики. В рамках термодинамики не раскрывается глубокий физический смысл макроскопических параметров системы, то есть их связь со средними значениями микроскопических параметров. Однако, благодаря именно этому обстоятельству, основные законы термодинамики, установленные на опыте, отличаются большой общностью и применимы ко всем макроскопическим системам независимо от особенностей их внутренней структуры. 4. Наиболее полные представления о свойствах систем большого числа частиц дает совместное использование термодинамики и статистической механики. Например, сравнение формул (1) и (2) дает возможность установить физический смысл макроскопического параметра - термодинамической температуры Т:
а также получить удобное выражение для давления идеального газа
Таким образом, давление идеального газа определяется средним числом частиц в единице объема n и термодинамической температурой. Содержание раздела "Молекулярная физика" Экспериментальные факты: наблюдение броуновского движения, сжимаемости газов, смачивания на границе жидкости с твердым телом, диффузии, теплопроводности и других явлений. Основные понятия: молекула, моль, теплота, давление, объем, температура, внутренняя энергия, тепловое равновесие, газ, жидкость, твердое тело, тепловые машины, цикл Карно, энтропия, фазовые превращения. Законы и уравнения: уравнение состояния идеального газа; закон о распределении молекул газа по скоростям (распределение Максвелла); первый и второй закон термодинамики, гипотеза о равнораспределении энергии по степеням свободы, неравенство Клаузиуса, принцип возрастания энтропии. Тема 1. Основы молекулярно-кинетической теории 1. Все вещества состоят из мельчайших частиц, называемых молекулами. В настоящее время мы знаем, что молекулы не являются мельчайшими неделимыми частицами материи, а состоят из еще более мелких материальных частиц - атомов, которые, в свою очередь, состоят из протонов, электронов. Однако классическая молекулярно-кинетическая теория, которой мы будем следовать, не касается вопроса о строении атомов, рассматривая их упрощенно как твердые частички сферической формы. Из химии нам известно, что молекулы бывают одноатомные и многоатомные, так что в дальнейшем мы будем использовать понятие более общее - молекула, как мельчайшая частица вещества. Учащиеся должны усвоить такие понятия как относительная молекулярная (или атомная) масса вещества Мотн; молярная масса вещества М, число Авогадро NA и связь между ними. 2. Между молекулами вещества одновременно действуют силы взаимного притяжения и силы взаимного отталкивания. Эти силы обусловлены действием электрически заряженных частиц, - электронов и ядер, входящих в состав молекулы. Эти силы являются короткодействующими. При этом силы отталкивания убывают с увеличением расстояния между молекулами быстрее, чем силы притяжения. Только при этом условии молекулы могут находиться в устойчивом равновесии на некотором определенном равновесном расстоянии друг от друга (на котором силы притяжения равны силам отталкивания). Если равновесное расстояние
3. Молекулы находятся в состоянии непрерывного движения. Интенсивность хаотического теплового движения молекул определяется температурой. Если привести в контакт тела с различной температурой, то тела приходят в состояние теплового равновесия, при котором температура тел будет одинакова. При изменении температуры тела изменяются и другие его физические характеристики (например, объем). По количественному изменению этих характеристик можно судить об изменении температуры тела и установить единицы температуры и температурную шкалу. Тело, по изменению какой-либо физической характеристики которого можно определить равновесную температуру (при его контакте с другим телом), называется термометром. Пример. Простейшим и наиболее распространенным термометром является жидкостный (ртутный или спиртовой), равновесная температура которого при тепловом контакте с другим телом определяется по высоте столбика жидкости, находящейся в капиллярной стеклянной трубке с расширением на нижнем конце; с изменением равновесной температуры изменяется объем, и, следовательно, и высота столбика жидкости. Наиболее распространенной температурной шкалой является шкала Цельсия, за основные точки которой приняты положения верхних уровней столбика жидкости, когда термометр находится в тепловом контакте:
Расстояния между этими уровнями разделены на 100 равных частей; 0,01 этого расстояния принята за один градус температурной шкалы Цельсия (1oС), что соответствует также одному Кельвину (1 К). Чем тепловое движение атомов в твердых телах отличается от теплового движения атомов и молекул в газах и жидкостях? В газах расстояние между молекулами в среднем во много раз больше размеров самих молекул. Молекулы с огромными скоростями - сотни метров в секунду - движутся в пространстве. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга в разные стороны, подобно биллиардным шарам. Слабые силы притяжения не способны удержать их друг возле друга. Скорости молекул хаотически распределены по величине и направлению. Строение жидкости существенно отличается от строения газа. В жидкости молекулы постоянно находятся в непосредственной близости друг к другу, но в состоянии непрерывного хаотического движения. По этой причине они не могут передвигаться так свободно, как молекулы газа. Каждая "топчется" все время почти на одном месте в окружении одних и тех же соседей (около положения равновесия) и только понемногу перемещается по объему, занятому жидкостью. Чем больше вязкость жидкости, тем это перемещение происходит медленнее. Но даже в такой "подвижной" жидкости, как вода, молекула сместится на расстояние 3·10-7мм за то время, которое нужно газовой молекуле для пробега в 7·10-5мм. Совсем решительно расправляются силы взаимодействия между молекулами с их тепловым движением в твердых телах. В твердом веществе молекулы практически все время находятся в неизменном положении (положении равновесия). Тепловое движение сказывается только в том, что молекулы (атомы) непрерывно колеблются около положений равновесия с очень малой амплитудой. Отсутствие систематических перемещений молекул и есть причина того, что мы называем твердостью.   Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...  ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...  Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...  ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
и средним значением 
микроскопического параметра Е - кинетической энергии хаотического теплового движения одной молекулы:
,
- постоянная Авогадро.
,
, 
- постоянная Больцмана,
, 
.
- теплота подводится к системе,
- теплота отводится от системы,
- система совершает работу,
- работа над системой совершается внешними силами,
- внутренняя энергия системы увеличивается,
- внутренняя энергия системы уменьшается.
, A и U.
, соответствующая более высокой температуре, лежит выше, следовательно, и упругость насыщенного пара выше. Таким образом, каждой температуре соответствует определенное давление насыщенного пара.
Участок 
короче участка СВ и разница в объемах газообразной и жидкой фаз меньше. Если температуру газа, находящегося под поршнем увеличить настолько, что длина горизонтального участка станет равна нулю, то газ при увеличении давления не переходит в жидкость. Эта температура Т К называется критической. Если газ нагрет до температуры выше критической, то никаким увеличением давления его нельзя перевести в жидкость. Для каждого вещества критическая температура имеет вполне определенное значение.
между молекулами составляет около 3· 10-8 см (средний порядок диаметра молекул), то при 
преобладают силы отталкивания, а при 
преобладают силы притяжения. На расстоянии 
межмолекулярные силы практически перестают действовать.Учащимся рекомендуется нарисовать в своих тетрадях рис.1 и нанести по оси r приведенные численные данные, выбрав удобный равномерный масштаб.