§ 1. Ruch termiczny. temperatura W otaczającym nas świecie zachodzą różne zjawiska fizyczne, które są związane z nagrzewaniem i ochładzaniem ciał. Wiemy, że po podgrzaniu zimnej wody najpierw staje się ciepła, a następnie gorąca. Takimi słowami jak „zimno”, „ciepło” i „gorąco” wskazujemy na różny stopień nagrzania ciał lub, jak to mówią w fizyce, na różną temperaturę ciał. Temperatura ciepłej wody jest wyższa niż temperatura zimnej wody. Temperatura powietrza latem jest wyższa niż zimą. Przykłady zjawisk termicznych:
a - topniejący lód; b - zamarzanie wody Temperaturę ciała mierzy się termometrem i wyraża w stopniach Celsjusza (°C). Wiesz już, że dyfuzja w wyższej temperaturze jest szybsza. Oznacza to, że prędkość ruchu cząsteczek i temperatura są ze sobą powiązane. Gdy temperatura wzrasta, prędkość ruchu cząsteczek wzrasta, gdy maleje, maleje. Dlatego temperatura ciała zależy od prędkości ruchu cząsteczek. Ciepła woda składa się z tych samych cząsteczek co zimna woda. Różnica między nimi polega jedynie na szybkości ruchu cząsteczek.Zjawiska związane z nagrzewaniem lub ochładzaniem ciał, wraz ze zmianą temperatury, nazywane są termicznymi. Takie zjawiska obejmują np. nagrzewanie i ochładzanie powietrza, topnienie lodu, topienie metali itp. Topienie metalu Cząsteczki lub atomy, z których składają się ciała, znajdują się w ciągłym losowym ruchu. Ich liczba w otaczających nas ciałach jest bardzo duża. Tak więc w objętości równej 1 cm3 wody znajduje się około 3,34 1022 cząsteczek. Każda cząsteczka porusza się po bardzo złożonej trajektorii. Wynika to z faktu, że na przykład cząstki gazu poruszające się z dużymi prędkościami w różnych kierunkach zderzają się ze sobą i ze ścianami naczynia. W rezultacie zmieniają prędkość i ponownie kontynuują ruch. Rysunek 1 przedstawia trajektorie mikroskopijnych cząstek farby rozpuszczonej w wodzie. Ryż. 1. Trajektoria ruchu mikrocząstek farby rozpuszczonej w wodzie Ponieważ jego temperatura jest związana z prędkością ruchu cząsteczek ciała, nazywamy losowy ruch cząstek ruch termiczny. W cieczach cząsteczki mogą oscylować, obracać się i przemieszczać względem siebie. W ciałach stałych cząsteczki i atomy wibrują wokół pewnych średnich pozycji.Wszystkie cząsteczki ciała uczestniczą w ruchu termicznym, dlatego wraz ze zmianą charakteru ruchu termicznego zmienia się również stan ciała i jego właściwości. Tak więc, gdy temperatura wzrasta, lód zaczyna się topić, zamieniając się w ciecz. Jeśli obniżysz temperaturę np. rtęci, to zmieni się ona z cieczy w ciało stałe Model sieci kryształów lodu Temperatura ciała jest ściśle związana ze średnią energią kinetyczną cząsteczek. Im wyższa temperatura ciała, tym większa średnia energia kinetyczna jego cząsteczek. Wraz ze spadkiem temperatury ciała maleje średnia energia kinetyczna jego cząsteczek.

ruch termiczny

Każda substancja składa się z najmniejszych cząstek - cząsteczek. Cząsteczka to najmniejsza cząsteczka danej substancji, która zachowuje wszystkie swoje właściwości chemiczne. Cząsteczki są rozmieszczone dyskretnie w przestrzeni, tj. w pewnych odległościach od siebie i znajdują się w stanie ciągłego nieregularny (chaotyczny) ruch .

Ponieważ ciała składają się z dużej liczby cząsteczek, a ruch cząsteczek jest przypadkowy, nie można dokładnie powiedzieć, ile uderzeń ta lub inna cząsteczka odczuje od innych. Dlatego mówią, że położenie cząsteczki, jej prędkość w każdym momencie czasu jest przypadkowa. Nie oznacza to jednak, że ruch cząsteczek nie podlega pewnym prawom. W szczególności, chociaż prędkości cząsteczek w pewnym momencie są różne, większość z nich ma prędkości bliskie pewnej określonej wartości. Zwykle, mówiąc o prędkości ruchu cząsteczek, mają na myśli Średnia prędkość (v$cp).

Nie można wyróżnić żadnego konkretnego kierunku, w którym poruszają się wszystkie cząsteczki. Ruch cząsteczek nigdy się nie zatrzymuje. Można powiedzieć, że jest ciągły. Taki ciągły chaotyczny ruch atomów i cząsteczek nazywa się -. Nazwę tę określa fakt, że prędkość ruchu cząsteczek zależy od temperatury ciała. Im większa średnia prędkość ruchu cząsteczek ciała, tym wyższa jest jego temperatura. I odwrotnie, im wyższa temperatura ciała, tym większa średnia prędkość cząsteczek.

Ruch cząsteczek cieczy odkryto obserwując ruchy Browna - ruch zawieszonych w niej bardzo małych cząstek stałych. Każda cząstka nieustannie wykonuje skoki w dowolnych kierunkach, opisując trajektorię w postaci linii przerywanej. Takie zachowanie cząstek można wytłumaczyć zakładając, że doświadczają one zderzeń cząsteczek cieczy jednocześnie z różnych stron. Różnica w liczbie tych zderzeń z przeciwnych kierunków prowadzi do ruchu cząstki, ponieważ jej masa jest współmierna do mas samych cząsteczek. Ruch takich cząstek po raz pierwszy odkrył w 1827 roku angielski botanik Brown, obserwując cząsteczki pyłku w wodzie pod mikroskopem, dlatego nazwano go - ruchy Browna.

 Teoria: Atomy i cząsteczki są w ciągłym ruchu termicznym, poruszają się losowo, stale zmieniają kierunek i moduł prędkości w wyniku zderzeń.

Im wyższa temperatura, tym większa prędkość cząsteczek. Wraz ze spadkiem temperatury prędkość cząsteczek maleje. Istnieje temperatura, która nazywa się „zero absolutne” - temperatura (-273 ° C), w której zatrzymuje się ruch termiczny cząsteczek. Ale „zero absolutne” jest nieosiągalne.
Ruchy Browna to przypadkowy ruch mikroskopijnych cząstek materii stałej widocznych zawieszonych w cieczy lub gazie, spowodowany ruchem termicznym cząstek cieczy lub gazu. Zjawisko to po raz pierwszy zaobserwował w 1827 roku Robert Brown. Badał pyłki roślin, które znajdowały się w środowisku wodnym. Brown zauważył, że pyłek cały czas się przesuwa w czasie, a im wyższa temperatura, tym szybsze tempo przesuwania się pyłku. Zasugerował, że ruch pyłku wynika z faktu, że cząsteczki wody uderzają w pyłek i wprawiają go w ruch.

Dyfuzja to proces wzajemnego przenikania się cząsteczek jednej substancji w szczeliny między cząsteczkami innej substancji.

Przykładem ruchów Browna jest
1) przypadkowy ruch pyłku w kropli wody
2) przypadkowy ruch muszek pod latarnią
3) rozpuszczanie ciał stałych w cieczach
4) przenikanie składników pokarmowych z gleby do korzeni roślin
Rozwiązanie: z definicji ruchów Browna wynika, że ​​prawidłowa odpowiedź to 1. Pyłek porusza się losowo, ponieważ uderzają w niego cząsteczki wody. Nieregularny ruch muszek pod lampą nie jest odpowiedni, ponieważ same muszki wybierają kierunek ruchu, dwie ostatnie odpowiedzi są przykładami dyfuzji.
Odpowiedź: 1.

Zadanie Oge z fizyki (rozwiążę egzamin): Które z poniższych stwierdzeń jest (są) poprawne?
A. Cząsteczki lub atomy w substancji znajdują się w ciągłym ruchu termicznym, a jednym z argumentów przemawiających za tym jest zjawisko dyfuzji.
B. Cząsteczki lub atomy w materii znajdują się w ciągłym ruchu termicznym, czego dowodem jest zjawisko konwekcji.
1) tylko A
2) tylko b
3) zarówno A, jak i B
4) ani A, ani B
Rozwiązanie: Dyfuzja to proces wzajemnego przenikania się cząsteczek jednej substancji w szczeliny między cząsteczkami innej substancji. Pierwsze stwierdzenie jest prawdziwe, Konwencja polega na przekazywaniu energii wewnętrznej warstwami cieczy lub gazu, okazuje się, że drugie stwierdzenie nie jest prawdziwe.
Odpowiedź: 1.

Zadanie Oge z fizyki (fipi): 2) Ołowianą kulkę ogrzewa się w płomieniu świecy. Jak zmienia się objętość kuli i średnia prędkość ruchu jej cząsteczek podczas procesu ogrzewania?
Ustal zgodność między wielkościami fizycznymi a ich możliwymi zmianami.
Dla każdej wartości określ odpowiedni charakter zmiany:
1) wzrasta
2) maleje
3) nie zmienia się
Wpisz do tabeli wybrane liczby dla każdej wielkości fizycznej. Liczby w odpowiedzi mogą się powtarzać.
Rozwiązanie (dzięki Milenie): 2) 1. Objętość piłki zwiększy się, ponieważ cząsteczki zaczną się poruszać szybciej.
2. Prędkość cząsteczek po podgrzaniu wzrośnie.
Odpowiedź: 11.

Zadanie wersji demonstracyjnej OGE 2019: Jednym z postanowień molekularno-kinetycznej teorii budowy materii jest to, że „cząstki materii (cząsteczki, atomy, jony) znajdują się w ciągłym chaotycznym ruchu”. Co oznaczają słowa „ruch ciągły”?
1) Cząsteczki zawsze poruszają się w określonym kierunku.
2) Ruch cząstek materii nie podlega żadnym prawom.
3) Wszystkie cząstki poruszają się razem w jednym lub drugim kierunku.
4) Ruch cząsteczek nigdy się nie zatrzymuje.
Rozwiązanie: Cząsteczki się poruszają, z powodu kolizji prędkość cząsteczek stale się zmienia, więc nie możemy obliczyć prędkości i kierunku każdej cząsteczki, ale możemy obliczyć pierwiastek średniej kwadratowej prędkości cząsteczek i jest ona związana z temperaturą, jak temperatura spada, prędkość cząsteczek maleje. Obliczono, że temperatura, w której ruch molekuł ustanie, wynosi -273°C (najniższa możliwa temperatura w przyrodzie). Ale to nie jest osiągalne. więc cząsteczki nigdy nie przestają się poruszać.

Ta lekcja omawia pojęcie ruchu termicznego i takiej wielkości fizycznej jak temperatura.

Zjawiska termiczne w życiu człowieka mają ogromne znaczenie. Spotykamy je zarówno podczas prognozy pogody, jak i podczas gotowania zwykłej wody. Zjawiska termiczne są związane z takimi procesami, jak tworzenie nowych materiałów, topienie metali, spalanie paliwa, tworzenie nowych rodzajów paliw do samochodów i samolotów itp.

Temperatura jest jednym z najważniejszych pojęć związanych ze zjawiskami termicznymi, ponieważ często to właśnie temperatura jest najważniejszą cechą przebiegu procesów termicznych.

Definicja.zjawiska termiczne- są to zjawiska związane z nagrzewaniem lub ochładzaniem ciał, a także ze zmianą ich stanu skupienia (ryc. 1).

Ryż. 1. Topnienie lodu, podgrzewanie i parowanie wody

Wszystkie zjawiska termiczne są z tym związane temperatura.

Wszystkie ciała charakteryzują się stanem ich Równowaga termiczna. Główną cechą równowagi termicznej jest temperatura.

Definicja.Temperatura jest miarą „ciepła” ciała.

Ponieważ temperatura jest wielkością fizyczną, może i powinna być mierzona. Nazywa się przyrząd służący do pomiaru temperatury termometr(z gr. termo- "ciepły", metr- „mierzę”) (ryc. 2).

Ryż. 2. Termometr

Pierwszy termometr (a raczej jego analog) został wynaleziony przez Galileo Galilei (ryc. 3).

Ryż. 3. Galileo Galilei (1564-1642)

Wynalazek Galileusza, który przedstawił swoim studentom na wykładach na uniwersytecie pod koniec XVI wieku (1597), został nazwany termoskop. Działanie dowolnego termometru opiera się na następującej zasadzie: właściwości fizyczne materii zmieniają się wraz z temperaturą.

Doświadczenie Galileusza składał się z następujących rzeczy: wziął kolbę z długą nóżką i napełnił ją wodą. Następnie wziął szklankę wody i obrócił kolbę do góry dnem, umieszczając ją w szklance. Część wody oczywiście się wylała, ale w rezultacie pewien poziom wody pozostał w nodze. Jeśli teraz kolba (która zawiera powietrze) zostanie podgrzana, wówczas poziom wody spadnie, a jeśli zostanie schłodzony, to wręcz przeciwnie, wzrośnie. Wynika to z faktu, że po podgrzaniu substancje (w szczególności powietrze) mają tendencję do rozszerzania się, a po ochłodzeniu zwężają się (dlatego szyny są nieciągłe, a druty między biegunami czasami trochę zwisają).

Ryż. 4. Doświadczenie Galileusza

Pomysł ten stał się podstawą pierwszego termoskopu (ryc. 5), który umożliwił ocenę zmiany temperatury (nie da się dokładnie zmierzyć temperatury takim termoskopem, ponieważ jego odczyty będą silnie uzależnione od ciśnienia atmosferycznego).

Ryż. 5. Kopia termoskopu Galileusza

W tym samym czasie wprowadzono tzw. skalę stopni. Samo słowo stopień po łacinie oznacza „krok”.

Do dziś zachowały się trzy główne łuski.

1. Celsjusz

Najczęściej stosowaną skalą, znaną wszystkim od dzieciństwa, jest skala Celsjusza.

Anders Celsjusza (ryc. 6) - szwedzki astronom, który zaproponował następującą skalę temperatur: - temperatura wrzenia wody; - punkt zamarzania wody. W dzisiejszych czasach wszyscy jesteśmy przyzwyczajeni do odwróconej skali Celsjusza.

Ryż. 6 Andres Celsjusza (1701-1744)

Notatka: Sam Celsjusza powiedział, że taki wybór skali podyktowany był prostym faktem: z drugiej strony zimą nie byłoby ujemnych temperatur.

2. Skala Fahrenheita

W Anglii, USA, Francji, Ameryce Łacińskiej i niektórych innych krajach popularna jest skala Fahrenheita.

Gabriel Fahrenheit (ryc. 7) to niemiecki badacz, inżynier, który jako pierwszy zastosował własną skalę do produkcji szkła. Skala Fahrenheita jest cieńsza: wymiar skali Fahrenheita jest mniejszy niż stopień skali Celsjusza.

Ryż. 7 Gabriel Fahrenheit (1686-1736)

3. Skala Réaumura

Skala techniczna została wynaleziona przez francuskiego badacza R.A. Réaumur (ryc. 8). Według tej skali odpowiada to temperaturze zamarzania wody, ale Réaumur wybrał temperaturę 80 stopni jako temperaturę wrzenia wody.

Ryż. 8. René Antoine Réaumur (1683-1757)

W fizyce tzw skala absolutna - Skala Kelvina(Rys. 8). 1 stopień Celsjusza jest równy 1 stopniowi Kelvina, ale temperatura odpowiada w przybliżeniu (ryc. 9).

Ryż. 9. William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907)

Ryż. 10. Skale temperatury

Przypomnijmy, że wraz ze zmianą temperatury ciała zmieniają się jego wymiary liniowe (po podgrzaniu ciało rozszerza się, po schłodzeniu zwęża). Ma to związek z zachowaniem cząsteczek. Po podgrzaniu odpowiednio zwiększa się prędkość ruchu cząstek, zaczynają one częściej oddziaływać, a objętość wzrasta (ryc. 11).

Ryż. 11. Zmiana wymiarów liniowych

Z tego możemy wywnioskować, że temperatura jest związana z ruchem cząstek tworzących ciała (dotyczy to ciał stałych, ciekłych i gazowych).

Ruch cząstek w gazach (ryc. 12) jest przypadkowy (ponieważ cząsteczki i atomy w gazach praktycznie nie oddziałują).

Ryż. 12. Ruch cząstek w gazach

Ruch cząstek w cieczach (ryc. 13) jest „skokowy”, to znaczy cząsteczki prowadzą „siedzący tryb życia”, ale są w stanie „skakać” z miejsca na miejsce. Decyduje o płynności cieczy.

Ryż. 13. Ruch cząstek w cieczach

Ruch cząstek w ciałach stałych (ryc. 14) nazywany jest ruchem oscylacyjnym.

Ryż. 14. Ruch cząstek w ciałach stałych

Zatem wszystkie cząstki są w ciągłym ruchu. Ten ruch cząstek nazywa się ruch termiczny(losowy, chaotyczny ruch). Ten ruch nigdy się nie kończy (dopóki ciało ma temperaturę). Obecność ruchu termicznego potwierdził w 1827 r. angielski botanik Robert Brown (ryc. 15), od którego to ruchu nazwano ruchy Browna.

Ryż. 15.Robert Brown (1773-1858)

Do tej pory wiadomo, że najniższa temperatura, jaką można osiągnąć, wynosi ok. W tej temperaturze ruch cząstek zatrzymuje się (jednak ruch wewnątrz samych cząstek nie zatrzymuje się).

Doświadczenie Galileusza zostało opisane wcześniej, a na zakończenie rozważmy inne doświadczenie - doświadczenie francuskiego naukowca Guillaume Amontona (ryc. 15), który w 1702 r. wynalazł tzw. termometr gazowy. Z niewielkimi zmianami termometr ten przetrwał do dziś.

Ryż. 15. Guillaume Amonton (1663-1705)

Doświadczenie Amontona

Ryż. 16. Doświadczenie Amontona

Weź kolbę z wodą i zatkaj ją korkiem z cienką rurką. Jeśli teraz podgrzejesz wodę, to w wyniku rozszerzania się wody jej poziom w rurze wzrośnie. Na podstawie poziomu wzrostu wody w rurze można wyciągnąć wniosek o zmianie temperatury. Korzyść Termometr Amontona jest to, że nie zależy od ciśnienia atmosferycznego.

W tej lekcji rozważaliśmy tak ważną wielkość fizyczną jak temperatura. Zbadaliśmy metody jego pomiaru, charakterystykę i właściwości. W następnej lekcji przyjrzymy się tej koncepcji energia wewnętrzna.

Bibliografia

1. Gendenstein LE, Kaidalov AB, Kozhevnikov V.B. / wyd. Orłowa V.A., Roizena II. Fizyka 8. - M.: Mnemosyne.
2. Peryszkin A.V. Fizyka 8. - M.: Drop, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizyka 8. - M.: Oświecenie.

1. Portal internetowy „class-fizika.narod.ru” ()
2. Portal internetowy "school.xvatit.com" ()
3. Portal internetowy „ponimai.su” ()

Praca domowa

1. Nr 1-4 (ust. 1). Peryszkin A.V. Fizyka 8. - M.: Drop, 2010.

2. Dlaczego nie można skalibrować termoskopu Galileo?

3. Żelazny gwóźdź nagrzany na piecu:

Jak zmieniła się prędkość cząsteczek żelaza?

Jak zmieni się prędkość ruchu cząsteczek, jeśli gwóźdź zostanie zanurzony w zimnej wodzie?

Jak to zmienia prędkość cząsteczek wody?

Jak zmienia się objętość paznokcia podczas tych eksperymentów?

4. Balon został przeniesiony z pokoju na mróz:

Jak zmieni się objętość piłki?

Jak zmieni się prędkość ruchu cząsteczek powietrza wewnątrz balonu?

Jak zmieni się prędkość cząsteczek wewnątrz kuli, jeśli zostanie ona zwrócona do pokoju i dodatkowo włożona do baterii?

IV Jakowlew | Materiały z fizyki | MathUs.ru

Fizyka molekularna i termodynamika

Niniejsza instrukcja jest poświęcona rozdziałowi drugiemu ¾Fizyka molekularna. Termodynamika kodyfikatora USE w fizyce. Obejmuje następujące tematy.

Ruch termiczny atomów i cząsteczek materii. ruchy Browna. Dyfuzja. Eksperymentalne dowody teorii atomistycznej. Oddziaływanie cząstek materii.

Modele budowy gazów, cieczy i ciał stałych.

Model gazu doskonałego. Zależność między ciśnieniem a średnią energią kinetyczną ruchu termicznego cząsteczek gazu doskonałego. temperatura absolutna. Związek temperatury gazu ze średnią energią kinetyczną jego cząstek. Równanie p = nkT . Równanie Clapeyrona Mendelejewa.

Izoprocesy: procesy izotermiczne, izochoryczne, izobaryczne, adiabatyczne.

Pary nasycone i nienasycone. Wilgotność powietrza.

Zmiany zagregowanych stanów skupienia materii: parowanie i kondensacja, wrzenie cieczy, topnienie i krystalizacja. Zmiana energii w przemianach fazowych.

Energia wewnętrzna. Bilans termiczny. Przenikanie ciepła. Ilość ciepła. Ciepło właściwe substancji. Równanie bilansu cieplnego.

Praca w termodynamice. Pierwsza zasada termodynamiki.

Zasady działania maszyn cieplnych. sprawność silnika cieplnego. Druga zasada termodynamiki. Problemy energetyki i ochrony środowiska.

Podręcznik zawiera również dodatkowe materiały, które nie są zawarte w kodyfikatorze USE (ale są zawarte w szkolnym programie nauczania!). Ten materiał pozwala lepiej zrozumieć poruszane tematy.

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

2.3 Płyny . . . . . . 10

	Podstawowe wzory fizyki molekularnej
	Temperatura
		Układ termodynamiczny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Równowaga termiczna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		skala temperatury. Temperatura absolutna . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Równanie stanu gazu doskonałego
		Średnia energia kinetyczna cząstek gazu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2 Podstawowe równanie MKT gazu doskonałego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.3 Energia cząstek i temperatura gazu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6.1 Proces termodynamiczny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.2 Proces izotermiczny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.3 Wykresy procesów izotermicznych. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

6.4 Proces izobaryczny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6.5 Wykresy procesu izobarycznego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

	Proces izochoryczny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Wykresy procesów izochorycznych. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 Para nasycona

7.1 Parowanie i kondensacja

7.2 równowaga dynamiczna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.3 Właściwości pary nasyconej. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

8.1 Energia wewnętrzna jednoatomowego gazu doskonałego. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

8.2 Funkcja statusu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.3 Zmiana energii wewnętrznej: wykonywanie pracy. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.4 Zmiana energii wewnętrznej: wymiana ciepła . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.5 Przewodność cieplna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

10 Przemiany fazowe

10.1 Topienie i krystalizacja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

10.2 Wykres topnienia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

10.3 Ciepło właściwe topnienia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

10.4 Wykres krystalizacji. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

10.5 Parowanie i kondensacja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

10.6 Wrzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

10.7 Harmonogram gotowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

10.8 Krzywa kondensacji. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11 Pierwsza zasada termodynamiki

11.1 Praca gazu w procesie izobarycznym. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

11.2 Praca gazowa w dowolnym procesie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.3 Praca wykonana nad gazem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.4 Pierwsza zasada termodynamiki. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

11.5 Zastosowanie pierwszej zasady termodynamiki do izoprocesów. . . . . . . . . . . . . 46

11.6 proces adiabatyczny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.1 Silniki cieplne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

12.2 Maszyny chłodnicze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

13.1 Nieodwracalność procesów w przyrodzie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

13.2 Postulaty Clausiusa i Kelvina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1 Podstawowe przepisy teoria kinetyki molekularnej

Wielki amerykański fizyk Richard Feynman, autor słynnego kursu „Wykłady Feynmana z fizyki”, posiada wspaniałe słowa:

Jeśli w wyniku jakiejś globalnej katastrofy cała zgromadzona wiedza naukowa uległaby zniszczeniu i tylko jedno zdanie przeszłoby do przyszłych pokoleń istot żywych, to jaka wypowiedź, złożona z jak najmniejszej liczby słów, przyniosłaby najwięcej Informacja? Uważam, że jest to hipoteza atomowa (można to nazwać nie hipotezą, ale faktem, ale to niczego nie zmienia): wszystkie ciała składają się z atomów małych ciał, które są w ciągłym ruchu, przyciągają się na niewielką odległość, ale odpychają się, jeśli jeden z nich mocniej naciska na drugiego. W tym jednym zdaniu. . . zawiera niesamowitą ilość informacji o świecie, wystarczy włożyć w to trochę wyobraźni i trochę myślenia.

W tych słowach zawarta jest istota molekularno-kinetycznej teorii (MKT) budowy materii. Mianowicie głównymi postanowieniami MKT są następujące trzy stwierdzenia.

1. Każda substancja składa się z najmniejszych cząstek cząsteczek i atomów. Znajdują się one dyskretnie w przestrzeni, to znaczy w pewnych odległościach od siebie.

2. Atomy lub cząsteczki materii znajdują się w stanie losowego ruchu 1, który nigdy się nie kończy.

3. Atomy lub cząsteczki substancji oddziałują ze sobą siłami przyciągania i odpychania, które zależą od odległości między cząsteczkami.

Przepisy te są uogólnieniem licznych obserwacji i faktów eksperymentalnych. Przyjrzyjmy się bliżej tym przepisom i podajmy ich eksperymentalne uzasadnienie.

1.1 Atomy i cząsteczki

Weźmy kartkę papieru i zacznijmy dzielić ją na coraz mniejsze części. Czy na każdym etapie będziemy dostawać kawałki papieru, czy na którymś etapie pojawi się coś nowego?

Pierwsza pozycja MKT mówi nam, że materia nie jest podzielna w nieskończoność. Prędzej czy później dotrzemy do „ostatniej granicy” najmniejszych cząstek danej substancji. Te cząstki to atomy i cząsteczki. Można je również podzielić na części, ale wtedy pierwotna substancja przestanie istnieć.

Atom to najmniejsza cząsteczka danego pierwiastka chemicznego, która zachowuje wszystkie swoje właściwości chemiczne. Nie ma tak wielu pierwiastków chemicznych; wszystkie są podsumowane w układzie okresowym.

Cząsteczka to najmniejsza cząsteczka danej substancji (nie będąca pierwiastkiem chemicznym), która zachowuje wszystkie swoje właściwości chemiczne. Cząsteczka składa się z dwóch lub więcej atomów jednego lub więcej pierwiastków chemicznych.

Na przykład H2O to cząsteczka wody złożona z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Dzieląc ją na atomy, nie będziemy już mieli do czynienia z substancją zwaną ¾wodą. Ponadto, dzieląc atomy H i O na ich części składowe, otrzymujemy zestaw protonów, neutronów i elektronów, a tym samym tracimy informację, że na początku był to wodór i tlen.

1 Ten ruch nazywa się ruchem termicznym.

Rozmiar atomu lub cząsteczki (składającej się z niewielkiej liczby atomów) wynosi około 10 8 cm, jest to tak mała wartość, że atomu nie można zobaczyć pod żadnym mikroskopem optycznym.

Atomy i cząsteczki nazywane są w skrócie po prostu cząsteczkami materii. Czym dokładnie jest cząstka, atom lub cząsteczka w każdym konkretnym przypadku, nie jest trudno ustalić. Jeśli mówimy o pierwiastku chemicznym, atom będzie cząstką; jeśli weźmie się pod uwagę złożoną substancję, to jej cząsteczka jest cząsteczką składającą się z kilku atomów.

Co więcej, pierwsza propozycja MKT stwierdza, że ​​cząstki materii nie wypełniają przestrzeni w sposób ciągły. Cząstki są rozmieszczone dyskretnie, to znaczy jakby w oddzielnych punktach. Pomiędzy cząstkami znajdują się szczeliny, których wielkość może zmieniać się w pewnych granicach.

Zjawisko rozszerzalności cieplnej ciał świadczy na korzyść pierwszej pozycji MKT. Mianowicie po podgrzaniu zwiększają się odległości między cząsteczkami substancji, a wymiary ciała rosną. Przeciwnie, podczas chłodzenia zmniejszają się odległości między cząsteczkami, w wyniku czego ciało się kurczy.

Dyfuzja, czyli wzajemne przenikanie się stykających się ze sobą substancji, jest również uderzającym potwierdzeniem pierwszej pozycji MKT.

Na przykład na ryc. 1 pokazuje2 proces dyfuzji w cieczy. Cząsteczki substancji rozpuszczonej są umieszczane w szklance wody i znajdują się najpierw w lewej górnej części szklanki. Z biegiem czasu cząstki przemieszczają się (powiedzmy dyfundują) z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niskim stężeniu. Ostatecznie stężenie cząstek staje się wszędzie takie samo; cząstki są równomiernie rozmieszczone w całej objętości cieczy.

Ryż. 1. Dyfuzja w cieczy

Jak wyjaśnić dyfuzję z punktu widzenia teorii molekularno-kinetycznej? Bardzo prosto: cząsteczki jednej substancji wnikają w szczeliny między cząsteczkami innej substancji. Dyfuzja przebiega tym szybciej, im większe są te szczeliny, dlatego gazy najłatwiej mieszają się ze sobą (w których odległości między cząstkami są znacznie większe niż rozmiary samych cząstek).

1.2 Ruch termiczny atomów i cząsteczek

Przypomnijmy raz jeszcze sformułowanie drugiego twierdzenia MKT: cząstki materii wykonują ruch losowy (zwany też ruchem termicznym), który nigdy się nie zatrzymuje.

Eksperymentalnym potwierdzeniem drugiej pozycji MKT jest ponownie zjawisko dyfuzji, ponieważ wzajemne przenikanie się cząstek jest możliwe tylko przy ich ciągłym ruchu!

2 Zdjęcie z en.wikipedia.org.

Jednak najbardziej uderzającym dowodem wiecznego chaotycznego ruchu cząstek materii są ruchy Browna. Tak nazywa się ciągły losowy ruch cząstek Browna cząstek pyłu lub ziaren (o wielkości 10 5 - 104 cm) zawieszonych w cieczy lub gazie.

Ruchy Browna otrzymały swoją nazwę na cześć szkockiego botanika Roberta Browna, który obserwował przez mikroskop ciągły taniec cząstek pyłku zawieszonych w wodzie. Jako dowód na to, że ten ruch trwa wieczność, Brown znalazł kawałek kwarcu z wnęką wypełnioną wodą. Pomimo faktu, że woda dostała się tam wiele milionów lat temu, pyłki, które się tam dostały, kontynuowały swój ruch, który nie różnił się od tego, co zaobserwowano w innych eksperymentach.

Powodem ruchu Browna jest to, że zawieszona cząstka doświadcza nieskompensowanych uderzeń cząsteczek cieczy (gazu), a ze względu na chaotyczny ruch cząsteczek, wielkość i kierunek wynikającego z tego uderzenia są absolutnie nieprzewidywalne. Dlatego cząstka Browna opisuje złożone zygzakowate trajektorie (rys. 2)3.

Ryż. 2. Ruchy Browna

Rozmiar cząstek Browna jest 1000-10000 razy większy od atomu. Z jednej strony cząsteczka Browna jest wystarczająco mała i nadal „czuje”, że inna liczba cząsteczek uderza w nią w różnych kierunkach; ta różnica w liczbie uderzeń prowadzi do zauważalnych przemieszczeń cząstki Browna. Z drugiej strony cząstki Browna są wystarczająco duże, aby można je było zobaczyć pod mikroskopem.

Nawiasem mówiąc, ruchy Browna można również uznać za dowód na sam fakt istnienia cząsteczek, tj. mogą również służyć jako eksperymentalne uzasadnienie pierwszej pozycji MKT.

1.3 Oddziaływanie cząstek materii

Trzecia pozycja MKT mówi o oddziaływaniu cząstek substancji: atomy lub cząsteczki oddziałują ze sobą siłami przyciągania i odpychania, które zależą od odległości między cząstkami: wraz ze wzrostem odległości siły przyciągania zaczynają przeważają, przy spadku siły odpychania.

O słuszności trzeciej pozycji MKT świadczą siły sprężystości powstające w wyniku odkształceń ciał. Kiedy ciało jest rozciągane, odległości między jego cząsteczkami rosną i zaczynają dominować siły przyciągania cząstek do siebie. Kiedy ciało jest ściskane, odległości między cząsteczkami zmniejszają się, w wyniku czego przeważają siły odpychające. W obu przypadkach siła sprężystości skierowana jest w kierunku przeciwnym do odkształcenia.

3 Zdjęcie ze strony nv-magadan.narod.ru.

Kolejnym potwierdzeniem istnienia sił oddziaływania międzycząsteczkowego jest obecność trzech skupisk materii.

W W gazach cząsteczki oddalone są od siebie na odległości znacznie przekraczające wymiary samych cząsteczek (w powietrzu w normalnych warunkach około 1000 razy). Przy takich odległościach siły oddziaływania między cząsteczkami są praktycznie nieobecne, dlatego gazy zajmują całą dostarczoną im objętość i łatwo ulegają sprężaniu.

W W cieczach odstępy między cząsteczkami są porównywalne z wielkością cząsteczek. Siły przyciągania molekularnego są bardzo namacalne i zapewniają zachowanie objętości przez ciecze. Jednak siły te nie są wystarczająco silne, aby ciecze zachowały swój kształt, a ciecze, podobnie jak gazy, przybierają postać naczynia.

W W ciałach stałych siły przyciągania między cząstkami są bardzo silne: ciała stałe zachowują nie tylko objętość, ale także kształt.

Przejście substancji z jednego stanu skupienia do drugiego jest wynikiem zmiany wielkości sił oddziaływania między cząstkami substancji. Same cząsteczki pozostają niezmienione.