§ 1. תנועה תרמית. טמפרטורה בעולם סביבנו מתרחשות תופעות פיזיקליות שונות הקשורות לחימום וקירור של גופים. אנו יודעים שכאשר מחממים מים קרים, הם נעשים תחילה חמימים ואחר כך חמים. במילים כמו "קר", "חם" ו"חם", אנו מצביעים על דרגת חימום שונה של גופים, או, כפי שאומרים בפיזיקה, על טמפרטורה שונה של גופים. טמפרטורת המים החמים גבוהה מטמפרטורת המים הקרים. טמפרטורת האוויר בקיץ גבוהה יותר מאשר בחורף.דוגמאות לתופעות תרמיות:
א - קרח נמס; ב - הקפאת מים טמפרטורת הגוף נמדדת בעזרת מדחום ומבוטאת במעלות צלזיוס (°C).אתה כבר יודע שהדיפוזיה בטמפרטורה גבוהה יותר מהירה יותר. זה אומר שמהירות התנועה של מולקולות וטמפרטורה קשורות. כשהטמפרטורה עולה, מהירות התנועה של מולקולות עולה, כשהיא יורדת היא יורדת. לכן, טמפרטורת הגוף תלויה במהירות התנועה של מולקולות.מים חמים מורכבים מאותן מולקולות כמו מים קרים. ההבדל ביניהם טמון רק במהירות התנועה של מולקולות.תופעות הקשורות בחימום או קירור של גופים, עם שינוי בטמפרטורה, נקראות תרמיות. תופעות כאלה כוללות, למשל, חימום וקירור אוויר, המסת קרח, המסת מתכות וכו'. המולקולות או האטומים המרכיבים את הגופים נמצאים בתנועה אקראית רציפה. מספרם בגופים סביבנו גדול מאוד. אז, בנפח השווה ל-1 cm3 של מים, יש בערך 3.34 1022 מולקולות. כל מולקולה נעה לאורך מסלול מורכב מאוד. זאת בשל העובדה שחלקיקי גז הנעים במהירויות גבוהות בכיוונים שונים, למשל, מתנגשים זה בזה ובדפנות הכלי. כתוצאה מכך, הם משנים את מהירותם וממשיכים לנוע שוב. איור 1 מציג את המסלולים של חלקיקים מיקרוסקופיים של צבע מומסים במים.אורז. 1. מסלול התנועה של מיקרו-חלקיקי צבע המומסים במים מכיוון שהטמפרטורה שלו קשורה למהירות התנועה של מולקולות הגוף, התנועה האקראית של חלקיקים נקראת תנועה תרמית. בנוזלים, מולקולות יכולות לנוע, להסתובב ולנוע זו ביחס לזו. במוצקים, מולקולות ואטומים רוטטים סביב עמדות ממוצעות מסוימות.כל מולקולות הגוף משתתפות בתנועה תרמית, לכן, עם שינוי באופי התנועה התרמית, גם מצב הגוף ותכונותיו משתנים. לכן, כאשר הטמפרטורה עולה, הקרח מתחיל להמיס והופך לנוזל. אם מורידים את הטמפרטורה של למשל כספית אז היא הופכת מנוזל לגוף מוצק דגם סריג גביש קרח טמפרטורת הגוף קשורה קשר הדוק לאנרגיה הקינטית הממוצעת של מולקולות. ככל שטמפרטורת הגוף גבוהה יותר, כך גדלה האנרגיה הקינטית הממוצעת של המולקולות שלו. ככל שהטמפרטורה של הגוף יורדת, האנרגיה הקינטית הממוצעת של המולקולות שלו יורדת.

תנועה תרמית

כל חומר מורכב מהחלקיקים הקטנים ביותר - מולקולות. מולקולההוא החלקיק הקטן ביותר של חומר נתון ששומר על כל התכונות הכימיות שלו. מולקולות ממוקמות באופן דיסקרטי בחלל, כלומר במרחקים מסוימים זו מזו, ונמצאות במצב של רציפות תנועה לא יציבה (כאוטית). .

מכיוון שגופים מורכבים ממספר רב של מולקולות והתנועה של מולקולות היא אקראית, אי אפשר לומר בדיוק כמה השפעות מולקולה זו או אחרת תחווה מאחרות. לכן, הם אומרים שמיקום המולקולה, המהירות שלה בכל רגע של זמן היא אקראית. עם זאת, אין זה אומר שתנועת מולקולות אינה מצייתת לחוקים מסוימים. בפרט, למרות שהמהירויות של המולקולות בנקודת זמן מסוימת שונות, לרובן יש מהירויות קרובות לערך מוגדר כלשהו. בדרך כלל, כאשר מדברים על מהירות התנועה של מולקולות, הם מתכוונים מהירות ממוצעת (v$cp).

אי אפשר להבחין בכיוון מסוים שבו כל המולקולות נעות. התנועה של מולקולות לעולם לא נפסקת. אנחנו יכולים לומר שזה רציף. תנועה כאוטית מתמשכת כזו של אטומים ומולקולות נקראת -. שם זה נקבע על ידי העובדה שמהירות התנועה של מולקולות תלויה בטמפרטורה של הגוף. ככל שמהירות התנועה הממוצעת של מולקולות הגוף גבוהה יותר, כך הטמפרטורה שלו גבוהה יותר. לעומת זאת, ככל שהטמפרטורה של הגוף גבוהה יותר, כך המהירות הממוצעת של המולקולות גדולה יותר.

התנועה של מולקולות נוזלים התגלתה על ידי התבוננות בתנועה בראונית - תנועה של חלקיקים מוצקים קטנים מאוד התלויים בה. כל חלקיק מבצע קפיצות ברציפות לכיוונים שרירותיים, ומתאר את המסלול בצורה של קו שבור. ניתן להסביר התנהגות זו של חלקיקים על ידי הנחה שהם חווים השפעות של מולקולות נוזל בו זמנית מצדדים שונים. ההבדל במספר ההשפעות הללו מכיוונים מנוגדים מוביל לתנועת החלקיק, שכן המסה שלו תואמת את המסות של המולקולות עצמן. תנועתם של חלקיקים כאלה התגלתה לראשונה בשנת 1827 על ידי הבוטנאי האנגלי בראון, תוך התבוננות בחלקיקי אבקה במים תחת מיקרוסקופ, ולכן היא נקראה - תנועה בראונית.

 תֵאוֹרִיָה:אטומים ומולקולות נמצאים בתנועה תרמית מתמשכת, נעים באקראי, משנים כל הזמן כיוון ומודול מהירות עקב התנגשויות.

ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך מהירות המולקולות גבוהה יותר. ככל שהטמפרטורה יורדת, מהירות המולקולות יורדת. יש טמפרטורה, הנקראת "אפס מוחלט" - הטמפרטורה (-273 מעלות צלזיוס) שבה נעצרת התנועה התרמית של מולקולות. אבל "אפס מוחלט" אינו בר השגה.
תנועה בראונית היא תנועה אקראית של חלקיקים מיקרוסקופיים של חומר מוצק הנראים תלויים בנוזל או בגז, הנגרמת על ידי תנועה תרמית של חלקיקי נוזל או גז. תופעה זו נצפתה לראשונה בשנת 1827 על ידי רוברט בראון. הוא חקר את אבקת הצמחים, שהייתה בסביבה המימית. בראון שם לב שהאבקה עוברת כל הזמן לאורך זמן, וככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך קצב מעבר האבקה מהיר יותר. הוא הציע שתנועת האבקה נובעת מכך שמולקולות מים פוגעות באבקה וגורמות לו לנוע.

דיפוזיה הוא תהליך של חדירה הדדית של מולקולות של חומר אחד לתוך הרווחים בין המולקולות של חומר אחר.

דוגמה לתנועה בראונית היא
1) תנועה אקראית של אבקה בטיפת מים
2) תנועה אקראית של גמדים מתחת לפנס
3) פירוק מוצקים בנוזלים
4) חדירת חומרי הזנה מהאדמה לשורשי הצמחים
פִּתָרוֹן:מההגדרה של תנועה בראונית, ברור שהתשובה הנכונה היא 1. אבקה זזה באקראי בשל העובדה שמולקולות מים פוגעות בו. תנועה לא יציבה של מידג'ים מתחת למנורה אינה מתאימה, מכיוון שהגמדים עצמם בוחרים את כיוון התנועה, שתי התשובות האחרונות הן דוגמאות של דיפוזיה.
תשובה: 1.

מטלת אוגה בפיזיקה (אני אפתור את הבחינה):איזה מהמשפטים הבאים נכון?
א מולקולות או אטומים בחומר נמצאים בתנועה תרמית מתמשכת, ואחד הטיעונים בעד זה הוא תופעת הדיפוזיה.
ב.מולקולות או אטומים בחומר נמצאים בתנועה תרמית מתמשכת, וההוכחה לכך היא תופעת ההסעה.
1) רק א
2) רק ב
3) גם א' וגם ב'
4) לא א' ולא ב'
פִּתָרוֹן:דיפוזיה הוא תהליך של חדירה הדדית של מולקולות של חומר אחד לתוך הרווחים בין המולקולות של חומר אחר. האמירה הראשונה נכונה, האמנה היא העברת אנרגיה פנימית עם שכבות של נוזל או גז, מסתבר שהמשפט השני אינו נכון.
תשובה: 1.

מטלת Oge בפיזיקה (fipi): 2) כדור עופרת מחומם בלהבת נר. כיצד נפח הכדור ומהירות התנועה הממוצעת של המולקולות שלו משתנה במהלך תהליך החימום?
קבע התאמה בין כמויות פיזיקליות לבין השינויים האפשריים שלהן.
עבור כל ערך, קבע את האופי המתאים של השינוי:
1) עולה
2) יורד
3) לא משתנה
כתוב בטבלה את המספרים הנבחרים עבור כל כמות פיזית. ניתן לחזור על מספרים בתשובה.
פתרון (תודה למילנה): 2) 1. נפח הכדור יגדל עקב העובדה שהמולקולות יתחילו לנוע מהר יותר.
2. מהירות המולקולות בחימום תגדל.
תשובה: 11.

המשימה של גרסת ההדגמה של OGE 2019:אחת ההוראות של התיאוריה המולקולרית-קינטית של מבנה החומר היא ש"חלקיקי החומר (מולקולות, אטומים, יונים) נמצאים בתנועה כאוטית מתמשכת". מה משמעות המילים "תנועה מתמשכת"?
1) חלקיקים תמיד נעים בכיוון מסוים.
2) תנועת חלקיקי החומר אינה מצייתת לשום חוק.
3) החלקיקים כולם נעים יחד בכיוון זה או אחר.
4) התנועה של מולקולות לעולם לא נפסקת.
פִּתָרוֹן:מולקולות נעות, עקב התנגשויות, מהירות המולקולות משתנה כל הזמן, ולכן איננו יכולים לחשב את המהירות והכיוון של כל מולקולה, אך אנו יכולים לחשב את המהירות הריבועית הממוצעת של המולקולות, והיא קשורה לטמפרטורה, כמו הטמפרטורה יורדת, מהירות המולקולות יורדת. מחושב שהטמפרטורה שבה תיעצר תנועת המולקולות היא -273 מעלות צלזיוס (הטמפרטורה הנמוכה ביותר האפשרית בטבע). אבל זה לא בר השגה. כך שהמולקולות לא מפסיקות לנוע.

שיעור זה דן במושג של תנועה תרמית וכמות פיזיקלית כמו טמפרטורה.

לתופעות תרמיות בחיי האדם יש חשיבות רבה. אנו נתקלים בהם גם בתחזית מזג האוויר וגם בזמן הרתחה של מים רגילים. תופעות תרמיות קשורות לתהליכים כמו יצירת חומרים חדשים, התכת מתכות, שרפת דלק, יצירת סוגי דלק חדשים למכוניות ולמטוסים וכו'.

טמפרטורה היא אחד המושגים החשובים ביותר הקשורים לתופעות תרמיות, שכן לעתים קרובות הטמפרטורה היא המאפיין החשוב ביותר של מהלך התהליכים התרמיים.

הַגדָרָה.תופעות תרמיות- אלו הן תופעות הקשורות לחימום או קירור של גופים, כמו גם לשינוי במצב הצבירה שלהם (איור 1).

אורז. 1. המסת קרח, חימום מים ואיוד

כל התופעות התרמיות קשורות טֶמפֶּרָטוּרָה.

כל הגופים מאופיינים במצבם שיווי משקל תרמי. המאפיין העיקרי של שיווי משקל תרמי הוא הטמפרטורה.

הַגדָרָה.טֶמפֶּרָטוּרָההוא מדד ל"חום" של הגוף.

מכיוון שהטמפרטורה היא גודל פיזיקלי, ניתן וצריך למדוד אותה. מכשיר המשמש למדידת טמפרטורה נקרא מד חום(מיוונית. תרמו- "נעים", מטראו- "אני מודד") (איור 2).

אורז. 2. מדחום

מד החום הראשון (או ליתר דיוק, האנלוגי שלו) הומצא על ידי גלילאו גליליי (איור 3).

אורז. 3. גלילאו גליליי (1564-1642)

המצאת גלילאו, אותה הציג בפני תלמידיו בהרצאות באוניברסיטה בסוף המאה ה-16 (1597), נקראה תרמוסקופ. פעולתו של כל מדחום מבוססת על העיקרון הבא: התכונות הפיזיקליות של החומר משתנות עם הטמפרטורה.

הניסיון של גלילאומורכב מהדברים הבאים: הוא לקח בקבוק עם גבעול ארוך ומילא אותו במים. אחר כך הוא לקח כוס מים והפך את הבקבוקון והניח אותו בכוס. חלק מהמים כמובן נשפך החוצה, אך כתוצאה מכך נותרה רמה מסוימת של מים ברגל. אם עכשיו הבקבוק (המכיל אוויר) מחומם, אז מפלס המים יירד, ואם הוא יתקרר, אז, להיפך, הוא יעלה. הסיבה לכך היא שבחימום חומרים (בפרט אוויר) נוטים להתרחב, ובקירור הם מצטמצמים (בגלל זה מסילות נעשות לא רציפות, והחוטים בין הקטבים לפעמים צונחים מעט).

אורז. 4. ניסיון של גלילאו

רעיון זה היווה את הבסיס לתרמוסקופ הראשון (איור 5), שאיפשר להעריך את השינוי בטמפרטורה (אי אפשר למדוד במדויק את הטמפרטורה עם תרמוסקופ כזה, שכן קריאותיו יהיו תלויות מאוד בלחץ האטמוספרי).

אורז. 5. עותק של התרמוסקופ של גלילאו

במקביל, הוצג מה שנקרא סולם התארים. עצם המילה תוֹאַרבלטינית פירושו "צעד".

עד היום שרדו שלושה סולמות עיקריים.

1. צֶלסִיוּס

הסולם הנפוץ ביותר, המוכר לכולם מילדות, הוא סולם צלזיוס.

אנדרס צלסיוס (איור 6) - אסטרונום שוודי, שהציע את סולם הטמפרטורה הבא: - נקודת רתיחה של מים; - נקודת הקפאה של מים. בימינו כולנו רגילים לסולם צלזיוס הפוך.

אורז. 6 אנדרס צלזיוס (1701-1744)

הערה:צלזיוס עצמו אמר שבחירה כזו בקנה מידה נגרמת מעובדה פשוטה: מצד שני, לא תהיה טמפרטורה שלילית בחורף.

2. סולם פרנהייט

באנגליה, ארה"ב, צרפת, אמריקה הלטינית וכמה מדינות אחרות, סולם פרנהייט פופולרי.

גבריאל פרנהייט (איור 7) הוא חוקר גרמני, מהנדס שיישם לראשונה קנה מידה משלו לייצור זכוכית. סולם פרנהייט דק יותר: מימד סולם פרנהייט קטן מדרגת סולם צלזיוס.

אורז. 7 גבריאל פרנהייט (1686-1736)

3. סולם Réaumur

הסולם הטכני הומצא על ידי החוקר הצרפתי R.A. Réaumur (איור 8). לפי סולם זה הוא תואם את נקודת הקיפאון של המים, אך Réaumur בחר בטמפרטורה של 80 מעלות כנקודת הרתיחה של המים.

אורז. 8. רנה אנטואן ראומור (1683-1757)

בפיזיקה, מה שנקרא קנה מידה מוחלט - סולם קלווין(איור 8). מעלה אחת צלזיוס שווה ל-1 מעלה קלווין, אבל הטמפרטורה מתאימה בערך (איור 9).

אורז. 9. ויליאם תומסון (לורד קלווין) (1824-1907)

אורז. 10. מאזני טמפרטורה

נזכיר שכאשר טמפרטורת הגוף משתנה, ממדיו הליניאריים משתנים (בחימום הגוף מתרחב, כאשר מתקרר הוא מצטמצם). זה קשור להתנהגות המולקולות. כאשר מחומם, מהירות התנועה של חלקיקים עולה, בהתאמה, הם מתחילים ליצור אינטראקציה לעתים קרובות יותר והנפח גדל (איור 11).

אורז. 11. שינוי מידות ליניאריות

מכאן נוכל להסיק שטמפרטורה קשורה לתנועה של חלקיקים המרכיבים גופים (זה חל על גופים מוצקים, נוזליים וגזים).

תנועת החלקיקים בגזים (איור 12) היא אקראית (שכן מולקולות ואטומים בגזים כמעט אינם מקיימים אינטראקציה).

אורז. 12. תנועה של חלקיקים בגזים

תנועת החלקיקים בנוזלים (איור 13) היא "קפיצה", כלומר, המולקולות מנהלות "אורח חיים יושבני", אך מסוגלות "לקפוץ" ממקום למקום. זה קובע את נזילות הנוזלים.

אורז. 13. תנועה של חלקיקים בנוזלים

תנועת החלקיקים במוצקים (איור 14) נקראת תנודה.

אורז. 14. תנועה של חלקיקים במוצקים

לפיכך, כל החלקיקים נמצאים בתנועה מתמשכת. תנועה זו של חלקיקים נקראת תנועה תרמית(תנועה אקראית, כאוטית). תנועה זו לעולם לא נפסקת (כל עוד יש לגוף טמפרטורה). נוכחותה של תנועה תרמית אושרה בשנת 1827 על ידי הבוטנאי האנגלי רוברט בראון (איור 15), שעל שמו נקראת תנועה זו. תנועה חומה.

אורז. 15. רוברט בראון (1773-1858)

נכון להיום, ידוע שהטמפרטורה הנמוכה ביותר שניתן להגיע אליה היא בערך . בטמפרטורה זו נעצרת תנועת החלקיקים (עם זאת, התנועה בתוך החלקיקים עצמם לא נפסקת).

ניסיונו של גלילאו תואר קודם לכן, ולסיכום, הבה נבחן ניסיון נוסף - ניסיונו של המדען הצרפתי גיום אמונטון (איור 15), אשר ב-1702 המציא את מה שנקרא. מדחום גז. עם שינויים קלים, מדחום זה שרד עד היום.

אורז. 15. גיום אמונטון (1663-1705)

חווית אמונטון

אורז. 16. ניסיון של אמונטון

קח בקבוקון עם מים ותקע אותו עם פקק עם צינור דק. אם עכשיו מחממים את המים, אז בגלל התרחבות המים, מפלסם בצינור יעלה. לפי רמת עליית המים בצינור, ניתן להסיק מסקנה לגבי השינוי בטמפרטורה. יתרון מדחום אמונטוןהוא שזה לא תלוי בלחץ האטמוספרי.

בשיעור זה, שקלנו כמות פיזית חשובה כמו טֶמפֶּרָטוּרָה. למדנו את שיטות המדידה שלו, מאפייניו ותכונותיו. בשיעור הבא נחקור את הרעיון אנרגיה פנימית.

בִּיבּלִיוֹגְרָפִיָה

1. Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / אד. Orlova V.A., Roizena I.I. פיזיקה 8. - M.: Mnemosyne.
2. פרישקין א.ו. פיזיקה 8. - M.: Bustard, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. פיזיקה 8. - מ.: הארה.

1. פורטל האינטרנט "class-fizika.narod.ru" ()
2. פורטל האינטרנט "school.xvatit.com" ()
3. פורטל האינטרנט "ponimai.su" ()

שיעורי בית

1. מס' 1-4 (סעיף 1). פרישקין א.ו. פיזיקה 8. - M.: Bustard, 2010.

2. למה לא ניתן לכייל את התרמוסקופ של גלילאו?

3. מסמר ברזל מחומם על הכיריים:

כיצד השתנתה המהירות של מולקולות ברזל?

כיצד תשתנה מהירות התנועה של מולקולות אם הציפורן תוריד למים קרים?

איך זה משנה את מהירות מולקולות המים?

כיצד משתנה נפח הציפורן במהלך הניסויים הללו?

4. הבלון הועבר מהחדר לכפור:

כיצד ישתנה נפח הכדור?

כיצד תשתנה מהירות התנועה של מולקולות האוויר בתוך הבלון?

כיצד תשתנה מהירות המולקולות בתוך הכדור אם יחזירו אותו לחדר ובנוסף יוכנסו לסוללה?

IV Yakovlev | חומרים על פיזיקה | MathUs.ru

פיזיקה מולקולרית ותרמודינמיקה

מדריך זה מוקדש לחלק השני ¾פיסיקה מולקולרית. תרמודינמיקה¿ של מקודד USE בפיזיקה. זה מכסה את הנושאים הבאים.

תנועה תרמית של אטומים ומולקולות של חומר. תנועה בראונית. ריכוך. עדות ניסויית לתיאוריה האטומיסטית. אינטראקציה של חלקיקי חומר.

מודלים של מבנה גזים, נוזלים ומוצקים.

דגם גז אידיאלי. קשר בין לחץ ואנרגיה קינטית ממוצעת של תנועה תרמית של מולקולות גז אידיאליות. טמפרטורה מוחלטת. חיבור של טמפרטורת הגז עם האנרגיה הקינטית הממוצעת של חלקיקיו. משוואה p = nkT. משוואת קלפיירון של מנדלייב.

איזו-תהליכים: תהליכים איזותרמיים, איזוחוריים, איזובריים, אדיאבטים.

זוגות רוויים ובלתי רוויים. לחות אוויר.

שינויים במצבי החומר המצטברים: אידוי ועיבוי, רתיחה נוזלית, התכה והתגבשות. שינוי אנרגיה במעברי פאזה.

אנרגיה פנימית. איזון תרמי. העברת חום. כמות חום. קיבולת החום הסגולית של חומר. משוואת איזון חום.

עבודה בתרמודינמיקה. החוק הראשון של התרמודינמיקה.

עקרונות הפעולה של מכונות תרמיות. יעילות מנוע חום. החוק השני של התרמודינמיקה. בעיות של אנרגיה והגנת הסביבה.

המדריך מכיל גם חומר נוסף שאינו כלול במקודד USE (אך כלול בתכנית הלימודים של בית הספר!). חומר זה מאפשר לך להבין טוב יותר את הנושאים המכוסים.

1.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3 נוזלים. . . . . . 10

	נוסחאות בסיסיות של פיזיקה מולקולרית
	טֶמפֶּרָטוּרָה
		מערכת תרמודינמית. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		שיווי משקל תרמי. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		סולם טמפרטורה. טמפרטורה מוחלטת . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	משוואת גז אידיאלית של מצב
		אנרגיה קינטית ממוצעת של חלקיקי גז. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2 המשוואה הבסיסית של MKT של גז אידיאלי. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.3 אנרגיית החלקיקים וטמפרטורת הגז. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6.1 תהליך תרמודינמי. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.2 תהליך איזותרמי. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.3 גרפי תהליכים איזותרמיים. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

6.4 תהליך איזוברי. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6.5 עלילות של התהליך האיזוברי. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

	תהליך איזוחורי. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	עלילות תהליך איזוחורי. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 אדים רוויים

7.1 אידוי ועיבוי

7.2 איזון דינמי. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.3 תכונות קיטור רווי. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

8.1 אנרגיה פנימית של גז אידיאלי מונוטומי. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

8.2 פונקציית סטטוס. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.3 שינוי באנרגיה הפנימית: ביצוע עבודה. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.4 שינוי באנרגיה הפנימית: העברת חום . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.5 מוליכות תרמית. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

10 מעברי שלבים

10.1 התכה והתגבשות. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

10.2 תרשים התכה. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

10.3 חום ספציפי של היתוך. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

10.4 תרשים התגבשות. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

10.5 אידוי ועיבוי. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

10.6 רתיחה . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

10.7 לוח זמנים להרתחה . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

10.8 עקומת עיבוי. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11 החוק הראשון של התרמודינמיקה

11.1 עבודתו של גז בתהליך איזובארי. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

11.2 עבודת גז בתהליך שרירותי. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.3 עבודה על גז. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.4 החוק הראשון של התרמודינמיקה. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

11.5 יישום החוק הראשון של התרמודינמיקה על איזו-תהליכים. . . . . . . . . . . . . 46

11.6 תהליך אדיאבטי. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.1 מנועי חום. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

12.2 מכונות קירור. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

13.1 אי הפיכות של תהליכים בטבע. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

13.2 פוסטולציות של קלאוזיוס וקלווין. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1 הוראות בסיסיותתיאוריה קינטית מולקולרית

הפיזיקאי האמריקאי הגדול ריצ'רד פיינמן, מחבר הקורס המפורסם ¾Feynman Lectures on Physics¿, מחזיק במילים נפלאות:

אם כתוצאה מאיזו קטסטרופה גלובלית, כל הידע המדעי המצטבר יושמד ורק ביטוי אחד יעבור לדורות הבאים של יצורים חיים, אז איזו אמירה, המורכבת ממספר המילים הקטן ביותר, תביא הכי הרבה מֵידָע? אני מאמין שזו השערה אטומית (אפשר לקרוא לזה לא השערה, אלא עובדה, אבל זה לא משנה כלום): כל הגופים מורכבים מאטומים של גופים קטנים שנמצאים בתנועה מתמדת, מושכים למרחק קצר, אבל להדוף אם אחד מהם לוחץ חזק יותר על השני. במשפט האחד הזה. . . מכיל כמות מדהימה של מידע על העולם, אתה רק צריך להשקיע בו קצת דמיון וקצת מחשבה.

מילים אלו מכילות את תמצית התיאוריה המולקולרית-קינטית (MKT) של מבנה החומר. כלומר, ההוראות העיקריות של ה-MKT הן שלוש ההצהרות הבאות.

1. כל חומר מורכב מהחלקיקים הקטנים ביותר של מולקולות ואטומים. הם ממוקמים באופן דיסקרטי בחלל, כלומר במרחקים מסוימים זה מזה.

2. אטומים או מולקולות של חומר נמצאים במצב של תנועה אקראית 1, שלעולם אינו מסתיים.

3. אטומים או מולקולות של חומר מתקשרים זה עם זה על ידי כוחות משיכה ודחייה, התלויים במרחקים בין החלקיקים.

הוראות אלה הן הכללה של תצפיות רבות ועובדות ניסיוניות. הבה נסתכל מקרוב על הוראות אלה וניתן את ההצדקה הניסויית שלהן.

1.1 אטומים ומולקולות

ניקח פיסת נייר ונתחיל לחלק אותה לחלקים קטנים יותר ויותר. האם נקבל פיסות נייר בכל שלב, או שמשהו חדש יופיע בשלב כלשהו?

העמדה הראשונה של ה-MKT אומרת לנו שהחומר אינו ניתן לחלוקה אינסופית. במוקדם או במאוחר נגיע ל"גבול האחרון" של החלקיקים הקטנים ביותר של חומר נתון. חלקיקים אלו הם אטומים ומולקולות. אפשר גם לחלק אותם לחלקים, אבל אז החומר המקורי יפסיק להתקיים.

אטום הוא החלקיק הקטן ביותר של יסוד כימי נתון ששומר על כל התכונות הכימיות שלו. אין כל כך הרבה יסודות כימיים; כולם מסוכמים בטבלה המחזורית.

מולקולה היא החלקיק הקטן ביותר של חומר נתון (שאינו יסוד כימי) ששומר על כל התכונות הכימיות שלו. מולקולה מורכבת משני אטומים או יותר של יסוד כימי אחד או יותר.

לדוגמה, H2O היא מולקולת מים המורכבת משני אטומי מימן ואטום חמצן אחד. על ידי חלוקתו לאטומים, לא נתמודד יותר עם חומר שנקרא ¾מים¿. יתרה מכך, על ידי חלוקת אטומי H ו-O לחלקים המרכיבים שלהם, אנו מקבלים קבוצה של פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים, ובכך מאבדים את המידע שבהתחלה זה היה מימן וחמצן.

1 תנועה זו נקראת תנועה תרמית.

גודלו של אטום או מולקולה (המורכבת ממספר קטן של אטומים) הוא כ-10 8 ס"מ. זהו ערך כה קטן שלא ניתן לראות את האטום בשום מיקרוסקופ אופטי.

אטומים ומולקולות נקראים, בקיצור, פשוט חלקיקי חומר. מהו בדיוק חלקיק, אטום או מולקולה בכל מקרה ספציפי, לא קשה לקבוע. אם אנחנו מדברים על יסוד כימי, אז אטום יהיה חלקיק; אם נחשב חומר מורכב, אז החלקיק שלו הוא מולקולה המורכבת מכמה אטומים.

יתרה מכך, ההצעה הראשונה של ה-MKT קובעת שחלקיקי חומר אינם ממלאים חלל ברציפות. החלקיקים ממוקמים באופן דיסקרטי, כלומר, כאילו בנקודות נפרדות. בין החלקיקים יש פערים שגודלם יכול להשתנות בגבולות מסוימים.

תופעת ההתרחבות התרמית של הגופים מעידה בעד העמדה הראשונה של ה-MKT. כלומר, בחימום, המרחקים בין חלקיקי החומר גדלים, וממדי הגוף גדלים. בקירור, להיפך, המרחקים בין החלקיקים יורדים, וכתוצאה מכך הגוף מתכווץ.

דיפוזיה, החדירה ההדדית של חומרים מגע זה לתוך זה, היא גם אישור בולט לעמדה הראשונה של ה-MKT.

לדוגמה, באיור. 1 מציג2 את תהליך הדיפוזיה בנוזל. חלקיקי המומס מונחים בכוס מים וממוקמים תחילה בחלק השמאלי העליון של הכוס. עם הזמן, חלקיקים עוברים (נגיד, מתפזרים) מאזור בריכוז גבוה לאזור בריכוז נמוך. בסופו של דבר, ריכוז החלקיקים הופך זהה בכל מקום, החלקיקים מפוזרים באופן שווה בכל נפח הנוזל.

אורז. 1. דיפוזיה בנוזל

כיצד להסביר דיפוזיה מנקודת המבט של התיאוריה המולקולרית-קינטית? פשוט מאוד: חלקיקים של חומר אחד חודרים לתוך הרווחים בין חלקיקי חומר אחר. הפיזור הולך מהר יותר, ככל שהפערים הללו גדולים יותר; לכן, גזים מתערבבים זה עם זה בקלות רבה יותר (שבהם המרחקים בין החלקיקים גדולים בהרבה מגודלם של החלקיקים עצמם).

1.2 תנועה תרמית של אטומים ומולקולות

זכור שוב את הניסוח של ההצעה השנייה של ה-MKT: חלקיקי החומר מבצעים תנועה אקראית (נקראת גם תנועה תרמית), שאינה מפסיקה לעולם.

אישור ניסיוני של המיקום השני של ה-MKT הוא שוב תופעת הדיפוזיה, מכיוון שחדירה הדדית של חלקיקים אפשרית רק עם תנועתם המתמשכת!

2 תמונה מאת en.wikipedia.org.

אבל ההוכחה הבולטת ביותר לתנועה הכאוטית הנצחית של חלקיקי החומר היא התנועה הבראונית. זהו שמה של התנועה האקראית המתמשכת של חלקיקים בראוניים של חלקיקי אבק או גרגירים (10 5 - 104 ס"מ בגודל) התלויים בנוזל או בגז.

תנועה בראונית קיבלה את שמה לכבודו של הבוטנאי הסקוטי רוברט בראון, שראה דרך מיקרוסקופ את הריקוד המתמשך של חלקיקי אבקה התלויים במים. כהוכחה לכך שהתנועה הזו נמשכת לנצח, בראון מצא חתיכת קוורץ עם חלל מלא במים. למרות העובדה שהמים הגיעו לשם לפני מיליוני שנים רבות, החצבים שהגיעו לשם המשיכו את תנועתם, שלא הייתה שונה ממה שנצפה בניסויים אחרים.

הסיבה לתנועה בראונית היא שחלקיק מרחף חווה השפעות לא מפוצות ממולקולות נוזליות (גז), ובשל התנועה הכאוטית של מולקולות, גודל וכיוון הפגיעה הנובעת לחלוטין בלתי צפויים. לכן, חלקיק בראוני מתאר מסלולי זיגזג מורכבים (איור 2)3.

אורז. 2. תנועה בראונית

גודלם של חלקיקים בראוניים הוא פי 1000-10000 מגודל אטום. מצד אחד, חלקיק בראוני קטן מספיק ועדיין "מרגיש" שמספר שונה של מולקולות פוגעות בו בכיוונים שונים; הבדל זה במספר ההשפעות מוביל לתזוזות ניכרות של החלקיק הבראוני. מצד שני, חלקיקים בראוניים גדולים מספיק כדי לראותם במיקרוסקופ.

אגב, תנועה בראונית יכולה להיחשב גם כהוכחה לעצם קיומן של מולקולות, כלומר, היא יכולה לשמש גם ביסוס ניסיוני לעמדה הראשונה של ה-MKT.

1.3 אינטראקציה של חלקיקי חומר

העמדה השלישית של ה-MKT מדברת על אינטראקציה של חלקיקי חומר: אטומים או מולקולות מתקשרים זה עם זה על ידי כוחות משיכה ודחייה, התלויים במרחקים בין החלקיקים: ככל שהמרחקים גדלים, כוחות המשיכה מתחילים לעלות לנצח, עם ירידה בכוח הדחייה.

תוקפו של המיקום השלישי של ה-MKT מעיד על ידי הכוחות האלסטיים הנובעים מעיוותים של גופים. כאשר גוף נמתח, המרחקים בין חלקיקיו גדלים, וכוחות המשיכה של חלקיקים זה לזה מתחילים לגבור. כאשר גוף נדחס, המרחקים בין החלקיקים יורדים, וכתוצאה מכך, כוחות הדחייה שולטים. בשני המקרים, הכוח האלסטי מופנה לכיוון המנוגד לעיוות.

3 תמונה מהאתר nv-magadan.narod.ru.

אישור נוסף לקיומם של כוחות של אינטראקציה בין-מולקולרית הוא נוכחותם של שלושה מצבים מצטברים של חומר.

IN בגזים, המולקולות מופרדות זו מזו על ידי מרחקים העולים משמעותית על ממדי המולקולות עצמן (באוויר בתנאים רגילים, בכפי 1000). במרחקים כאלה, כוחות האינטראקציה בין מולקולות נעדרים כמעט, ולכן גזים תופסים את כל הנפח המסופק להם ונדחסים בקלות.

IN בנוזלים, המרווחים בין מולקולות דומים לגודל המולקולות. כוחות המשיכה המולקולרית מוחשיים מאוד ומבטיחים שימור נפח על ידי נוזלים. אבל הכוחות האלה אינם חזקים מספיק כדי שהנוזלים ישמרו על צורתם, ונוזלים, כמו גזים, מקבלים צורה של כלי.

IN במוצקים, כוחות המשיכה בין חלקיקים חזקים מאוד: מוצקים שומרים לא רק על נפח, אלא גם על צורה.

המעבר של חומר ממצב צבירה אחד לאחר הוא תוצאה של שינוי בגודל כוחות האינטראקציה בין חלקיקי החומר. החלקיקים עצמם נשארים ללא שינוי.