§ 1. Šiluminis judėjimas. temperatūra Mus supančiame pasaulyje vyksta įvairūs fizikiniai reiškiniai, kurie yra susiję su kūnų šildymu ir aušinimu. Žinome, kad kai šildomas šaltas vanduo, jis pirmiausia tampa šiltas, o paskui karštas. Tokiais žodžiais kaip „šaltas“, „šiltas“ ir „karštas“ nurodome skirtingą kūnų įkaitimo laipsnį arba, kaip sakoma fizikoje, skirtingą kūnų temperatūrą. Karšto vandens temperatūra yra aukštesnė už šalto vandens temperatūrą. Oro temperatūra vasarą aukštesnė nei žiemą.Šilumos reiškinių pavyzdžiai:
a - tirpstantis ledas; b - vandens užšalimas Kūno temperatūra matuojama termometru ir išreiškiama Celsijaus laipsniais (°C). Jau žinote, kad difuzija aukštesnėje temperatūroje yra greitesnė. Tai reiškia, kad molekulių judėjimo greitis ir temperatūra yra susiję. Kylant temperatūrai molekulių judėjimo greitis didėja, mažėjant – mažėja. Todėl kūno temperatūra priklauso nuo molekulių judėjimo greičio.Šiltas vanduo sudarytas iš tų pačių molekulių kaip ir šaltas vanduo. Skirtumas tarp jų slypi tik molekulių judėjimo greičiu.. Reiškiniai, susiję su kūnų kaitinimu ar vėsinimu, keičiantis temperatūrai, vadinami terminiais. Tokie reiškiniai apima, pavyzdžiui, oro šildymą ir vėsinimą, ledo tirpimą, metalų tirpimą ir tt Metalo tirpimas Molekulės arba atomai, sudarantys kūnus, nuolat juda atsitiktinai. Jų skaičius aplinkiniuose kūnuose yra labai didelis. Taigi 1 cm3 vandens tūryje yra apie 3,34 1022 molekulės. Kiekviena molekulė juda labai sudėtinga trajektorija. Taip yra dėl to, kad, pavyzdžiui, dideliu greičiu įvairiomis kryptimis judančios dujų dalelės susiduria tarpusavyje ir su indo sienelėmis. Dėl to jie keičia greitį ir vėl juda. 1 paveiksle pavaizduotos vandenyje ištirpusių dažų mikroskopinių dalelių trajektorijos. Ryžiai. 1. Vandenyje ištirpusių dažų mikrodalelių judėjimo trajektorija Kadangi jo temperatūra yra susijusi su kūno molekulių judėjimo greičiu, atsitiktinis dalelių judėjimas vadinamas terminis judėjimas.
Skysčiuose molekulės gali svyruoti, suktis ir judėti viena kitos atžvilgiu. Kietose medžiagose molekulės ir atomai vibruoja aplink tam tikras vidutines padėtis.Šiluminiame judėjime dalyvauja visos kūno molekulės, todėl, keičiantis šiluminio judėjimo pobūdžiui, keičiasi ir kūno būsena bei savybės. Taigi, kai temperatūra pakyla, ledas pradeda tirpti, virsdamas skysčiu. Jei sumažinsite, pavyzdžiui, gyvsidabrio temperatūrą, tada jis iš skysčio virsta kietu kūnu. Ledo kristalinės gardelės modelis Kūno temperatūra yra glaudžiai susijusi su vidutine molekulių kinetine energija. Kuo aukštesnė kūno temperatūra, tuo didesnė jo molekulių vidutinė kinetinė energija. Mažėjant kūno temperatūrai, mažėja jo molekulių vidutinė kinetinė energija.
terminis judėjimas
Bet kuri medžiaga susideda iš mažiausių dalelių – molekulių. Molekulė yra mažiausia tam tikros medžiagos dalelė, išlaikanti visas savo chemines savybes. Molekulės erdvėje išsidėsčiusios diskretiškai, ty tam tikrais atstumais viena nuo kitos, ir yra ištisinės būsenos. nepastovus (chaotiškas) judėjimas .
Kadangi kūnai susideda iš daugybės molekulių, o molekulių judėjimas yra atsitiktinis, neįmanoma tiksliai pasakyti, kiek smūgių ta ar kita molekulė patirs iš kitų. Todėl jie sako, kad molekulės padėtis, jos greitis kiekvienu laiko momentu yra atsitiktinis. Tačiau tai nereiškia, kad molekulių judėjimas nepaklūsta tam tikriems dėsniams. Visų pirma, nors molekulių greičiai tam tikru momentu skiriasi, daugumos jų greičiai artimi tam tikrai apibrėžtai vertei. Paprastai, kalbėdami apie molekulių judėjimo greitį, jie turi omenyje Vidutinis greitis (v$cp).
Neįmanoma išskirti kokios nors konkrečios krypties, kuria juda visos molekulės. Molekulių judėjimas niekada nesustoja. Galime sakyti, kad tai tęsiasi. Toks nuolatinis chaotiškas atomų ir molekulių judėjimas vadinamas -. Šį pavadinimą lemia tai, kad molekulių judėjimo greitis priklauso nuo kūno temperatūros. Kuo didesnis vidutinis kūno molekulių judėjimo greitis, tuo aukštesnė jo temperatūra. Ir atvirkščiai, kuo aukštesnė kūno temperatūra, tuo didesnis vidutinis molekulių greitis.
Skysčių molekulių judėjimas buvo aptiktas stebint Brauno judėjimą – jame pakibusių labai mažų kietųjų dalelių judėjimą. Kiekviena dalelė nuolat šokinėja savavališkomis kryptimis, apibūdindama trajektoriją trūkinės linijos pavidalu. Tokį dalelių elgesį galima paaiškinti darant prielaidą, kad jos vienu metu patiria skysčių molekulių poveikį iš skirtingų pusių. Šių smūgių iš priešingų krypčių skaičiaus skirtumas lemia dalelės judėjimą, nes jos masė yra proporcinga pačių molekulių masėms. Pirmą kartą tokių dalelių judėjimą 1827 metais atrado anglų botanikas Brownas, mikroskopu stebėdamas vandenyje esančias žiedadulkių daleles, todėl jis buvo pavadintas - Brauno judesys.
Teorija: Atomai ir molekulės yra nuolatiniame šiluminiame judėjime, juda atsitiktinai, nuolat keičia kryptį ir greičio modulį dėl susidūrimų.
Kuo aukštesnė temperatūra, tuo didesnis molekulių greitis. Mažėjant temperatūrai, mažėja molekulių greitis. Yra temperatūra, kuri vadinama „absoliučiu nuliu“ – temperatūra (-273 °C), kuriai esant sustoja terminis molekulių judėjimas. Tačiau „absoliutus nulis“ nepasiekiamas.
Brauno judėjimas yra atsitiktinis mikroskopinių kietos medžiagos dalelių, matomų skystyje ar dujose, judėjimas, kurį sukelia skysčio ar dujų dalelių terminis judėjimas. Pirmą kartą šį reiškinį 1827 m. pastebėjo Robertas Brownas. Jis tyrinėjo augalų žiedadulkes, kurios buvo vandens aplinkoje. Brownas pastebėjo, kad žiedadulkės visą laiką keičiasi, ir kuo aukštesnė temperatūra, tuo greitesnis žiedadulkių pasislinkimas. Jis teigė, kad žiedadulkės juda dėl to, kad vandens molekulės atsitrenkia į žiedadulkes ir priverčia jas judėti. 
Difuzija – vienos medžiagos molekulių tarpusavio prasiskverbimo į tarpus tarp kitos medžiagos molekulių procesas. 
Brauno judėjimo pavyzdys yra
1) atsitiktinis žiedadulkių judėjimas vandens laše
2) atsitiktinis midijų judėjimas po žibintu
3) kietųjų medžiagų tirpimas skysčiuose
4) maistinių medžiagų prasiskverbimas iš dirvožemio į augalų šaknis
Sprendimas: iš Brauno judėjimo apibrėžimo aišku, kad teisingas atsakymas yra 1. Žiedadulkės juda atsitiktinai dėl to, kad į jas atsitrenkia vandens molekulės. Nereguliarus dygliuočių judėjimas po lempa netinka, nes dygliakiai patys pasirenka judėjimo kryptį, paskutiniai du atsakymai yra difuzijos pavyzdžiai.
Atsakymas: 1.
Oge užduotis iš fizikos (spręsiu egzaminą): Kuris iš šių teiginių yra teisingas?
A. Medžiagoje esančios molekulės arba atomai yra nuolatiniame šiluminiame judėjime, o vienas iš argumentų tam yra difuzijos reiškinys.
B. Medžiagoje esančios molekulės arba atomai yra nuolatiniame šiluminiame judėjime, o to įrodymas yra konvekcijos reiškinys.
1) tik A
2) tik B
3) ir A, ir B
4) nei A, nei B
Sprendimas: Difuzija – vienos medžiagos molekulių tarpusavio prasiskverbimo į tarpus tarp kitos medžiagos molekulių procesas. Pirmasis teiginys yra teisingas, Konvencija yra vidinės energijos perdavimas skysčio ar dujų sluoksniais, pasirodo, kad antrasis teiginys nėra teisingas.
Atsakymas: 1.
Oge užduotis fizikoje (fipi): 2) Žvakės liepsnoje kaitinamas švino rutulys. Kaip kaitinimo metu kinta rutulio tūris ir jo molekulių vidutinis judėjimo greitis?
Nustatykite fizikinių dydžių ir galimų jų pokyčių atitiktį.
Kiekvienai vertei nustatykite atitinkamą pakeitimo pobūdį:
1) didėja
2) mažėja
3) nesikeičia
Lentelėje įrašykite kiekvieno fizinio dydžio pasirinktus skaičius. Skaičiai atsakyme gali kartotis.
Sprendimas (ačiū Milenai): 2) 1. Rutulio tūris padidės dėl to, kad molekulės pradės greičiau judėti.
2. Molekulių greitis kaitinant padidės.
Atsakymas: 11.
OGE 2019 demonstracinės versijos užduotis: Viena iš molekulinės-kinetinės medžiagos sandaros teorijos nuostatų yra ta, kad „medžiagos dalelės (molekulės, atomai, jonai) yra nuolatiniame chaotiškame judėjime“. Ką reiškia žodžiai „nuolatinis judėjimas“?
1) Dalelės visada juda tam tikra kryptimi.
2) Medžiagos dalelių judėjimas nepaklūsta jokiems dėsniams.
3) Visos dalelės kartu juda viena ar kita kryptimi.
4) Molekulių judėjimas niekada nesustoja.
Sprendimas: Molekulės juda, dėl susidūrimų molekulių greitis nuolat kinta, todėl negalime apskaičiuoti kiekvienos molekulės greičio ir krypties, bet galime apskaičiuoti molekulių vidutinį kvadratinį greitį, ir tai susiję su temperatūra, nes mažėja temperatūra, mažėja molekulių greitis. Apskaičiuota, kad temperatūra, kuriai esant sustos molekulių judėjimas, yra -273 °C (žemiausia įmanoma temperatūra gamtoje). Bet tai nepasiekiama. todėl molekulės niekada nenustoja judėti.
Šioje pamokoje aptariama terminio judėjimo sąvoka ir toks fizikinis dydis kaip temperatūra.
Šiluminiai reiškiniai žmogaus gyvenime turi didelę reikšmę. Su jais susiduriame ir per orų prognozes, ir verdant eiliniam vandeniui. Šiluminiai reiškiniai siejami su tokiais procesais kaip naujų medžiagų kūrimas, metalų lydymasis, kuro deginimas, naujų degalų rūšių automobiliams ir lėktuvams sukūrimas ir kt.
Temperatūra yra viena iš svarbiausių sąvokų, susijusių su šiluminiais reiškiniais, nes dažnai būtent temperatūra yra svarbiausia šiluminių procesų eigos charakteristika.
Apibrėžimas.šiluminiai reiškiniai- tai reiškiniai, susiję su kūnų įkaitimu ar atšalimu, taip pat su jų agregacijos būsenos pasikeitimu (1 pav.).
Ryžiai. 1. Ledo tirpimas, vandens kaitinimas ir garinimas
Visi šiluminiai reiškiniai yra susiję su temperatūros.
Visiems kūnams būdinga jų būklė šiluminė pusiausvyra. Pagrindinė šiluminės pusiausvyros charakteristika yra temperatūra.
Apibrėžimas.Temperatūra yra kūno „šilumos“ matas.
Kadangi temperatūra yra fizinis dydis, ją galima ir reikia matuoti. Temperatūrai matuoti naudojamas prietaisas vadinamas termometras(iš graikų kalbos. termo- "šiltas", metroo- „Aš matuoju“ (2 pav.).
Ryžiai. 2. Termometras
Pirmąjį termometrą (tiksliau, jo analogą) išrado Galilėjus Galilėjus (3 pav.).
Ryžiai. 3. Galilėjus Galilėjus (1564–1642)
Galilėjaus išradimas, kurį jis pristatė savo studentams per paskaitas universitete XVI amžiaus pabaigoje (1597 m.), buvo vadinamas termoskopas. Bet kurio termometro veikimas grindžiamas šiuo principu: fizikinės medžiagos savybės keičiasi priklausomai nuo temperatūros.
Galileo patirtis susideda iš šių dalykų: jis paėmė kolbą ilgu koteliu ir pripylė vandens. Tada jis paėmė stiklinę vandens ir apvertė kolbą aukštyn kojomis ir įdėjo į stiklinę. Dalis vandens, žinoma, išsiliejo, bet dėl to tam tikras vandens lygis liko kojoje. Jei dabar kolba (kuriame yra oras) yra šildoma, vandens lygis nukris, o jei jis atšaldomas, tada, priešingai, jis pakils. Taip yra dėl to, kad kaitinant medžiagos (ypač oras) linkusios plėstis, o vėsdamos siaurėja (todėl bėgiai daromi nenutrūkstamais, o laidai tarp polių kartais šiek tiek nuslūgsta).
Ryžiai. 4. Galileo patirtis
Ši idėja sudarė pagrindą pirmajam termoskopui (5 pav.), kuris leido įvertinti temperatūros pokytį (su tokiu termoskopu neįmanoma tiksliai išmatuoti temperatūros, nes jo rodmenys labai priklausys nuo atmosferos slėgio).
Ryžiai. 5. Galilėjaus termoskopo kopija
Kartu buvo įvesta vadinamoji laipsnių skalė. Pats žodis laipsnį lotyniškai reiškia „žingsnis“.
Iki šiol išliko trys pagrindinės svarstyklės.
1. Celsijaus
Plačiausiai naudojama, visiems žinoma nuo vaikystės, yra Celsijaus skalė.
Andersas Celsius (6 pav.) – Švedų astronomas, pasiūlęs tokią temperatūros skalę: - vandens virimo temperatūra; - vandens užšalimo temperatūra. Šiais laikais visi esame pripratę prie apverstos Celsijaus skalės.
Ryžiai. 6 Andresas Celsius (1701–1744)
Pastaba: Pats Celsius teigė, kad tokį svarstyklių pasirinkimą lėmė paprastas faktas: kita vertus, žiemą neigiamos temperatūros nebūtų.
2. Farenheito skalė
Anglijoje, JAV, Prancūzijoje, Lotynų Amerikoje ir kai kuriose kitose šalyse Farenheito skalė yra populiari.
Gabrielis Farenheitas (7 pav.) – vokiečių tyrinėtojas, inžinierius, pirmasis stiklo gamybai pritaikęs savo skalę. Farenheito skalė yra plonesnė: Farenheito skalės matmuo yra mažesnis už Celsijaus skalės laipsnį.
Ryžiai. 7 Gabrielis Farenheitas (1686–1736)
3. Réaumur skalė
Techninę skalę išrado prancūzų tyrinėtojas R.A. Réaumur (8 pav.). Pagal šią skalę jis atitinka vandens užšalimo temperatūrą, tačiau Réaumur vandens virimo temperatūra pasirinko 80 laipsnių temperatūrą.
Ryžiai. 8. René Antoine'as Réaumuras (1683-1757)
Fizikoje vadinamasis absoliuti skalė - Kelvino skalė(8 pav.). 1 laipsnis Celsijaus yra lygus 1 laipsniui Kelvino, bet temperatūra in atitinka maždaug (9 pav.).
Ryžiai. 9. Williamas Tomsonas (lordas Kelvinas) (1824–1907)
Ryžiai. 10. Temperatūros svarstyklės
Prisiminkite, kad keičiantis kūno temperatūrai, keičiasi jo linijiniai matmenys (kaitinant kūnas plečiasi, vėsdamas – siaurėja). Tai susiję su molekulių elgesiu. Kaitinant, atitinkamai didėja dalelių judėjimo greitis, jos pradeda dažniau sąveikauti ir didėja tūris (11 pav.).
Ryžiai. 11. Linijinių matmenų keitimas
Iš to galime daryti išvadą, kad temperatūra yra susijusi su dalelių, sudarančių kūnus, judėjimu (tai taikoma kietiems, skystiems ir dujiniams kūnams).
Dalelių judėjimas dujose (12 pav.) yra atsitiktinis (kadangi molekulės ir atomai dujose praktiškai nesąveikauja).
Ryžiai. 12. Dalelių judėjimas dujose
Dalelių judėjimas skysčiuose (13 pav.) yra „šokinėjimas“, tai yra, molekulės veda „sėdimą gyvenimo būdą“, tačiau sugeba „šokinėti“ iš vienos vietos į kitą. Tai lemia skysčių sklandumą.
Ryžiai. 13. Dalelių judėjimas skysčiuose
Dalelių judėjimas kietose medžiagose (14 pav.) vadinamas svyruojančiu.
Ryžiai. 14. Dalelių judėjimas kietose medžiagose
Taigi visos dalelės nuolat juda. Šis dalelių judėjimas vadinamas terminis judėjimas(atsitiktinis, chaotiškas judėjimas). Šis judėjimas niekada nesiliauja (tol, kol kūnas turi temperatūrą). Šiluminio judėjimo buvimą 1827 metais patvirtino anglų botanikas Robertas Brownas (15 pav.), kurio vardu šis judėjimas vadinamas. Browno judesys.
Ryžiai. 15. Robertas Brownas (1773–1858)
Iki šiol žinoma, kad žemiausia temperatūra, kurią galima pasiekti, yra maždaug . Būtent tokioje temperatūroje dalelių judėjimas sustoja (tačiau judėjimas pačių dalelių viduje nesustoja).
Galilėjaus patirtis buvo aprašyta anksčiau, o pabaigai panagrinėkime kitą patirtį – prancūzų mokslininko Guillaume'o Amontono (15 pav.), kuris 1702 metais išrado vadinamąjį. dujų termometras. Su nedideliais pakeitimais šis termometras išliko iki šių dienų.
Ryžiai. 15. Guillaume'as Amontonas (1663-1705)
Amontono patirtis
Ryžiai. 16. Amontono patirtis
Paimkite kolbą su vandeniu ir užkimškite kamščiu plonu vamzdeliu. Jei dabar šildysite vandenį, tada dėl vandens išsiplėtimo jo lygis vamzdyje padidės. Pagal vandens pakilimo lygį vamzdyje galima daryti išvadą apie temperatūros pokytį. Privalumas Amonton termometras yra tai, kad jis nepriklauso nuo atmosferos slėgio.
Šioje pamokoje mes svarstėme tokį svarbų fizinį dydį kaip temperatūros. Ištyrėme jo matavimo metodus, charakteristikas ir savybes. Kitoje pamokoje mes išnagrinėsime koncepciją vidinė energija.
Bibliografija
- Gendenšteinas L.E., Kaidalovas A.B., Koževnikovas V.B. / Red. Orlova V.A., Roizena I.I. Fizika 8. - M.: Mnemosyne.
- Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Bustard, 2010 m.
- Fadeeva A.A., Zasovas A.V., Kiselevas D.F. Fizika 8. - M.: Švietimas.
- Interneto portalas "class-fizika.narod.ru" ()
- Interneto portalas "school.xvatit.com" ()
- Interneto portalas "ponimai.su" ()
Namų darbai
1. Nr.1-4 (1 dalis). Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Bustard, 2010 m.
2. Kodėl negalima sukalibruoti Galileo termoskopo?
3. Ant viryklės kaitinama geležinė vinis:
Kaip pasikeitė geležies molekulių greitis?
Kaip pasikeis molekulių judėjimo greitis, jei nagas bus nuleistas į šaltą vandenį?
Kaip tai keičia vandens molekulių greitį?
Kaip šių eksperimentų metu keičiasi nago apimtis?
4. Balionas buvo perkeltas iš kambario į šalną:
Kaip pasikeis kamuoliuko tūris?
Kaip pasikeis oro molekulių judėjimo greitis baliono viduje?
Kaip pasikeis rutulio viduje esančių molekulių greitis, jei jis bus grąžintas į kambarį ir papildomai įdėtas į bateriją?
IV Jakovlevas | Fizikos medžiagos | MathUs.ru
Molekulinė fizika ir termodinamika
Šis vadovas skirtas antrajam skyriui „Molekulinė fizika“. USE kodifikatoriaus termodinamika fizikoje. Jis apima šias temas.
Atomų ir medžiagos molekulių terminis judėjimas. Brauno judesys. Difuzija. Eksperimentiniai atomistinės teorijos įrodymai. Medžiagos dalelių sąveika.
Dujų, skysčių ir kietųjų kūnų sandaros modeliai.
Idealus dujų modelis. Slėgio ir idealių dujų molekulių šiluminio judėjimo vidutinės kinetinės energijos ryšys. absoliuti temperatūra. Dujų temperatūros ryšys su vidutine jų dalelių kinetine energija. Lygtis p = nkT . Mendelejevo Klapeirono lygtis.
Izoprocesai: izoterminiai, izochoriniai, izobariniai, adiabatiniai procesai.
Sočiosios ir nesočiosios poros. Oro drėgmė.
Medžiagos agreguotų būsenų pokyčiai: garavimas ir kondensacija, skysčio virimas, lydymasis ir kristalizacija. Energijos pokytis fazių virsmuose.
Vidinė energija. Terminis balansas. Šilumos perdavimas. Šilumos kiekis. Medžiagos savitoji šiluminė talpa. Šilumos balanso lygtis.
Darbas termodinamikos srityje. Pirmasis termodinamikos dėsnis.
Šiluminių mašinų veikimo principai. šiluminio variklio efektyvumą. Antrasis termodinamikos dėsnis. Energetikos ir aplinkos apsaugos problemos.
Vadove taip pat yra papildomos medžiagos, kuri nėra įtraukta į USE kodifikatorių (bet įtraukta į mokyklos programą!). Ši medžiaga leidžia geriau suprasti nagrinėjamas temas.
1.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Skysčiai . . . . . . 10
Pagrindinės molekulinės fizikos formulės | |||
Temperatūra | |||
Termodinaminė sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
Šiluminė pusiausvyra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
temperatūros skalė. Absoliuti temperatūra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
Idealiųjų dujų būsenos lygtis | |||
Vidutinė dujų dalelių kinetinė energija. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
5.2 Pagrindinė idealių dujų MKT lygtis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5.3 Dalelių energija ir dujų temperatūra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6.1 Termodinaminis procesas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
6.2 Izoterminis procesas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
6.3 Izoterminių procesų grafikai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6.4 Izobarinis procesas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6.5 Izobarinio proceso siužetai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Izochorinis procesas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
Izochoriniai proceso brėžiniai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
7 Sotieji garai | ||
7.1 Garavimas ir kondensacija
7.2 dinaminis balansas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7.3 Sočiųjų garų savybės. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
8.1 Monatominių idealių dujų vidinė energija. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
8.2 Būsenos funkcija. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
8.3 Vidinės energijos pokytis: darbas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
8.4 Vidinės energijos pokytis: šilumos perdavimas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
8.5 Šilumos laidumas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
10 Fazių perėjimai |
10.1 Lydymasis ir kristalizacija. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
10.2 Lydymosi diagrama. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
10.3 Savitoji lydymosi šiluma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
10.4 Kristalizacijos diagrama. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
10.5 Garavimas ir kondensacija. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
10.6 Virimas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
10.7 Virimo grafikas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
10.8 Kondensacijos kreivė. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
11 Pirmasis termodinamikos dėsnis |
11.1 Dujų darbas izobariniame procese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
11.2 Dujų darbas savavališkai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
11.3 Darbas su dujomis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
11.4 Pirmasis termodinamikos dėsnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
11.5 Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas izoprocesams. . . . . . . . . . . . . 46
11.6 adiabatinis procesas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
12.1 Šilumos varikliai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
12.2 Šaldymo mašinos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
13.1 Gamtoje vykstančių procesų negrįžtamumas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
13.2 Klausijaus ir Kelvino postulatai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1 Pagrindiniai klausimai molekulinė kinetinė teorija
Puikus amerikiečių fizikas Richardas Feynmanas, garsaus kurso „Feynman Lectures on Physics“ autorius, turi nuostabių žodžių:
Jei dėl kokios nors pasaulinės katastrofos būtų sunaikintos visos sukauptos mokslo žinios ir tik viena frazė perduotų būsimoms gyvų būtybių kartoms, koks teiginys, sudarytas iš mažiausio žodžių skaičiaus, duotų daugiausiai informacija? Manau, kad tai yra atominė hipotezė (galite tai vadinti ne hipoteze, o faktu, bet tai nieko nekeičia): visi kūnai susideda iš mažų kūnų atomų, kurie nuolat juda, traukia nedideliu atstumu, bet atstumti, jei vienas iš jų stipriau spaudžia kitą. Šiame viename sakinyje. . . yra neįtikėtinai daug informacijos apie pasaulį, tereikia įdėti šiek tiek vaizduotės ir šiek tiek pagalvoti.
Šiuose žodžiuose yra medžiagos struktūros molekulinės-kinetinės teorijos (MKT) esmė. Būtent, pagrindinės MKT nuostatos yra šie trys teiginiai.
1. Bet kuri medžiaga susideda iš mažiausių molekulių ir atomų dalelių. Jie yra diskretiškai erdvėje, tai yra tam tikrais atstumais vienas nuo kito.
2. Medžiagos atomai arba molekulės yra atsitiktinio judėjimo būsenoje 1, kuris niekada nesibaigia.
3. Medžiagos atomai arba molekulės sąveikauja tarpusavyje traukos ir atstūmimo jėgomis, kurios priklauso nuo atstumų tarp dalelių.
Šios nuostatos yra daugelio stebėjimų ir eksperimentinių faktų apibendrinimas. Pažvelkime į šias nuostatas atidžiau ir pateiksime jų eksperimentinį pagrindimą.
1.1 Atomai ir molekulės
Paimkime popieriaus lapą ir pradėkime jį dalyti į vis mažesnes dalis. Ar kiekviename žingsnyje gausime popierėlius, ar kažkuriame etape atsiras kažkas naujo?
Pirmoji MKT pozicija mums sako, kad materija nėra be galo dalijama. Anksčiau ar vėliau pasieksime tam tikros medžiagos mažiausių dalelių „paskutinę ribą“. Šios dalelės yra atomai ir molekulės. Jie taip pat gali būti suskirstyti į dalis, bet tada pradinė medžiaga nustos egzistuoti.
Atomas yra mažiausia tam tikro cheminio elemento dalelė, kuri išlaiko visas savo chemines savybes. Cheminių elementų nėra tiek daug, jie visi apibendrinti periodinėje lentelėje.
Molekulė yra mažiausia tam tikros medžiagos dalelė (ne cheminis elementas), kuri išlaiko visas savo chemines savybes. Molekulė sudaryta iš dviejų ar daugiau vieno ar daugiau cheminių elementų atomų.
Pavyzdžiui, H2O yra vandens molekulė, sudaryta iš dviejų vandenilio atomų ir vieno deguonies atomo. Padalinę jį į atomus, mes nebesusitvarkysime su medžiaga, vadinama ¾vandeniu¿. Be to, padaliję H ir O atomus į jų sudedamąsias dalis, gauname protonų, neutronų ir elektronų rinkinį ir taip prarandame informaciją, kad iš pradžių tai buvo vandenilis ir deguonis.
1 Šis judėjimas vadinamas terminiu judėjimu.
Atomo arba molekulės (sudaryto iš nedidelio atomų skaičiaus) dydis yra apie 10 8 cm. Tai tokia maža reikšmė, kad atomo nematyti jokiu optiniu mikroskopu.
Atomai ir molekulės trumpai vadinamos tiesiog medžiagos dalelėmis. Kas tiksliai yra dalelė, atomas ar molekulė kiekvienu konkrečiu atveju, nesunku nustatyti. Jei kalbame apie cheminį elementą, tai atomas bus dalelė; jei nagrinėjama sudėtinga medžiaga, tai jos dalelė yra molekulė, susidedanti iš kelių atomų.
Be to, pirmasis MKT teiginys teigia, kad medžiagos dalelės neužpildo erdvės nuolat. Dalelės išsidėsčiusios diskretiškai, tai yra, tarsi atskiruose taškuose. Tarp dalelių yra tarpai, kurių dydis tam tikrose ribose gali skirtis.
Kūnų šiluminio plėtimosi fenomenas liudija pirmąją MKT poziciją. Būtent kaitinant didėja atstumai tarp medžiagos dalelių, didėja kūno matmenys. Atvėsus, priešingai, atstumai tarp dalelių mažėja, dėl to kūnas susitraukia.
Difuzija, abipusis besiliečiančių medžiagų skverbimasis viena į kitą, taip pat yra ryškus pirmosios MKT pozicijos patvirtinimas.
Pavyzdžiui, pav. 1 parodytas2 difuzijos skystyje procesas. Ištirpusios medžiagos dalelės dedamos į stiklinę vandens ir pirmiausia yra viršutinėje kairėje stiklo dalyje. Laikui bėgant dalelės juda (tarkim, difuzuoja) iš didelės koncentracijos srities į mažos koncentracijos sritį. Galų gale dalelių koncentracija visur tampa vienoda, dalelės tolygiai pasiskirsto visame skysčio tūryje.
Ryžiai. 1. Difuzija skystyje
Kaip paaiškinti difuziją molekulinės-kinetinės teorijos požiūriu? Labai paprastai: vienos medžiagos dalelės prasiskverbia į tarpus tarp kitos medžiagos dalelių. Difuzija vyksta tuo greičiau, tuo didesni šie tarpai, todėl dujos lengviausiai susimaišo viena su kita (kuriose atstumai tarp dalelių yra daug didesni nei pačių dalelių dydžiai).
1.2 Terminis atomų ir molekulių judėjimas
Dar kartą prisiminkime antrojo MKT teiginio formuluotę: materijos dalelės atlieka atsitiktinį judėjimą (taip pat vadinamą terminiu judesiu), kuris niekada nesiliauja.
Eksperimentinis antrosios MKT padėties patvirtinimas vėlgi yra difuzijos reiškinys, nes dalelių tarpusavio prasiskverbimas įmanomas tik joms nuolat judant!
2 Vaizdas iš en.wikipedia.org.
Tačiau ryškiausias amžino chaotiško materijos dalelių judėjimo įrodymas yra Brauno judėjimas. Taip vadinamas nuolatinis atsitiktinis Brauno dalelių iš dulkių dalelių arba grūdelių (10 5–104 cm dydžio), pakibusių skystyje ar dujose, judėjimas.
Brauno judėjimas gavo savo pavadinimą škotų botaniko Roberto Browno garbei, kuris pro mikroskopą matė nenutrūkstamą vandenyje pakibusių žiedadulkių dalelių šokį. Kaip įrodymą, kad šis judėjimas trunka amžinai, Brownas rado kvarco gabalėlį su ertme, užpildyta vandeniu. Nepaisant to, kad vanduo ten pateko prieš daugybę milijonų metų, ten patekusios smėlis tęsė judėjimą, kuris niekuo nesiskyrė nuo kitų eksperimentų.
Brauno judėjimo priežastis yra ta, kad suspenduota dalelė patiria nekompensuojamą skysčio (dujų) molekulių poveikį, o dėl chaotiško molekulių judėjimo susidariusio smūgio dydis ir kryptis yra visiškai nenuspėjami. Todėl Brauno dalelė apibūdina sudėtingas zigzago trajektorijas (2 pav.)3.
Ryžiai. 2. Brauno judesys
Brauno dalelių dydis yra 1000–10 000 kartų didesnis už atomo dydį. Viena vertus, Brauno dalelė yra pakankamai maža ir vis tiek „jaučia“, kad skirtingas molekulių skaičius į ją patenka skirtingomis kryptimis; šis smūgių skaičiaus skirtumas lemia pastebimus Brauno dalelės poslinkius. Kita vertus, Brauno dalelės yra pakankamai didelės, kad jas būtų galima pamatyti mikroskopu.
Beje, Brauno judėjimas gali būti laikomas ir paties molekulių egzistavimo fakto įrodymu, t.y., gali pasitarnauti ir kaip eksperimentinis pirmosios MKT pozicijos pagrindimas.
1.3 Medžiagos dalelių sąveika
Trečioje MKT pozicijoje kalbama apie medžiagos dalelių sąveiką: atomai ar molekulės tarpusavyje sąveikauja traukos ir atstūmimo jėgomis, kurios priklauso nuo atstumų tarp dalelių: didėjant atstumams, pradeda veikti traukos jėgos. vyrauja, sumažėjus atstūmimo jėgai.
MKT trečiosios padėties pagrįstumą liudija tamprumo jėgos, atsirandančios dėl kūnų deformacijų. Ištempus kūną, atstumai tarp jo dalelių didėja, ima vyrauti dalelių viena kitos traukos jėgos. Suspaudus kūną, atstumai tarp dalelių mažėja, todėl vyrauja atstumiančios jėgos. Abiem atvejais tamprumo jėga nukreipiama priešinga deformacijai kryptimi.
3 Vaizdas iš svetainės nv-magadan.narod.ru.
Kitas tarpmolekulinės sąveikos jėgų egzistavimo patvirtinimas yra trijų agreguotų materijos būsenų buvimas.
IN Dujose molekules viena nuo kitos skiria atstumai, gerokai viršijantys pačių molekulių matmenis (oro sąlygomis normaliomis sąlygomis apie 1000 kartų). Tokiais atstumais molekulių sąveikos jėgų praktiškai nėra, todėl dujos užima visą joms teikiamą tūrį ir yra lengvai suspaudžiamos.
IN Skysčiuose tarpai tarp molekulių yra panašūs į molekulių dydį. Molekulinės traukos jėgos yra labai apčiuopiamos ir užtikrina skysčių tūrio išsaugojimą. Tačiau šios jėgos nėra pakankamai stiprios, kad skysčiai išlaikytų savo formą, o skysčiai, kaip ir dujos, įgauna indo formą.
IN Kietosiose dalelėse traukos jėgos tarp dalelių yra labai stiprios: kietosios medžiagos išlaiko ne tik tūrį, bet ir formą.
Medžiagos perėjimas iš vienos agregacijos būsenos į kitą yra medžiagos dalelių sąveikos jėgų dydžio pasikeitimo rezultatas. Pačios dalelės lieka nepakitusios.