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 stanu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Kluczowe punkty 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.

Atomy i cząsteczki, z których składają się różne substancje, znajdują się w stanie ciągłego ruchu termicznego.

Pierwszą cechą ruchu termicznego jest jego przypadkowość; żaden kierunek ruchu molekularnego nie różni się od innych kierunków. Wyjaśnijmy to: jeśli śledzimy ruch jednej cząsteczki, to z czasem, w wyniku zderzeń z innymi cząsteczkami, wielkość prędkości i kierunku ruchu tej cząsteczki zmienia się całkowicie losowo; ponadto, jeśli w pewnym momencie ustalimy prędkości ruchu wszystkich cząsteczek, to w kierunku okazuje się, że prędkości te są równomiernie rozrzucone w przestrzeni, a pod względem wielkości mają szeroką gamę wartości.

Drugą cechą ruchu termicznego jest istnienie wymiany energii między cząsteczkami, a także między różnymi rodzajami ruchu; energię ruchu postępowego cząsteczek można przekształcić w energię ich ruchu obrotowego lub wibracyjnego i odwrotnie.

Wymiana energii między cząsteczkami, a także między różnymi rodzajami ich ruchu termicznego, zachodzi w wyniku interakcji cząsteczek (zderzeń między nimi). Na dużych odległościach siły oddziaływania między cząsteczkami są bardzo małe i można je pominąć; na małych odległościach siły te mają zauważalny efekt. W gazach cząsteczki spędzają większość czasu w stosunkowo dużych odległościach od siebie; tylko przez bardzo krótkie okresy czasu, będąc wystarczająco blisko siebie, oddziałują na siebie, zmieniając prędkość swoich ruchów i wymieniając energie. Takie krótkotrwałe oddziaływania cząsteczek nazywane są zderzeniami. Istnieją dwa rodzaje zderzeń między cząsteczkami:

1) zderzenia lub zderzenia pierwszego rodzaju, w wyniku których zmieniają się tylko prędkości i energie kinetyczne zderzających się cząstek; skład lub struktura samych cząsteczek nie ulega zmianie;

2) zderzenia lub zderzenia drugiego rodzaju, w wyniku których zachodzą zmiany w cząsteczkach, na przykład zmienia się ich skład lub względny układ atomów w tych cząsteczkach. Podczas tych zderzeń część energii kinetycznej cząsteczek jest zużywana na wykonanie pracy przeciwko siłom działającym wewnątrz cząsteczek. W niektórych przypadkach wręcz przeciwnie, pewna ilość energii może zostać uwolniona z powodu spadku wewnętrznej energii potencjalnej cząsteczek.

W dalszej części będziemy mieli na myśli tylko zderzenia pierwszego rodzaju, które zachodzą między cząsteczkami gazu. Wymiana energii podczas ruchów termicznych w ciałach stałych i płynnych jest procesem bardziej złożonym i jest rozważana w specjalnych działach fizyki. Zderzenia drugiego rodzaju służą do wyjaśnienia przewodnictwa elektrycznego gazów i cieczy oraz promieniowania cieplnego ciał.

Aby opisać każdy rodzaj ruchu termicznego cząsteczek (translacyjny, obrotowy lub wibracyjny), konieczne jest określenie szeregu wielkości. Na przykład dla ruchu translacyjnego cząsteczki konieczna jest znajomość wielkości i kierunku jej prędkości. W tym celu wystarczy wskazać trzy wielkości: wartość prędkości i dwa kąty oraz między kierunkiem prędkości a płaszczyznami współrzędnych lub trzy rzuty prędkości na osie współrzędnych: (ryc. 11.1, a) . Zauważ, że te trzy wielkości są niezależne: dla danych kątów i mogą mieć dowolne wartości i odwrotnie, dla danego, na przykład kąta, wartości i mogą być dowolne. Podobnie ustawienie określonej wartości nie nakłada żadnych ograniczeń na wartości w odwrotnej kolejności. Tak więc, aby opisać ruch postępowy cząsteczki w przestrzeni, konieczne jest ustalenie trzech niezależnych od siebie wielkości: oraz lub Energia ruchu postępowego cząsteczki będzie się składać z trzech niezależnych składowych:

Aby opisać ruch obrotowy cząsteczki wokół jej osi, konieczne jest wskazanie wielkości i kierunku prędkości kątowej obrotu, tj. ponownie trzy wielkości niezależne od siebie: i c lub (ryc. II. 1, b ). Energia ruchu obrotowego cząsteczki będzie również składać się z trzech niezależnych składowych:

gdzie są momenty bezwładności cząsteczki wokół trzech wzajemnie prostopadłych osi współrzędnych. Dla cząsteczki jednoatomowej wszystkie te momenty bezwładności są bardzo małe, więc energia jej ruchu obrotowego jest pomijana. Dla cząsteczki dwuatomowej (ryc. II.1, c) energia ruchu obrotowego wokół osi przechodzącej przez środki atomów jest pomijana, dlatego np.

Aby opisać ruch wibracyjny atomów w cząsteczce, należy najpierw podzielić ten ruch na proste drgania, które zachodzą wzdłuż określonych kierunków. Wygodnie jest rozłożyć oscylację złożoną na proste oscylacje prostoliniowe występujące w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach. Oscylacje te są od siebie niezależne, to znaczy częstotliwość i amplituda oscylacji w jednym z tych kierunków może odpowiadać dowolnej częstotliwości i amplitudzie oscylacji w innych kierunkach. Jeśli każda z tych prostoliniowych oscylacji jest harmoniczna, to można ją opisać za pomocą wzoru

Tak więc, aby opisać pojedyncze prostoliniowe drgania atomów, konieczne jest wyznaczenie dwóch wielkości: częstotliwości drgań ω i amplitudy drgań.Te dwie wielkości są również od siebie niezależne: przy danej częstotliwości amplituda drgań nie jest ograniczona przez dowolnych warunkach i vice versa. W konsekwencji, aby opisać złożony ruch wibracyjny cząsteczki wokół punktu (tj. jej położenia równowagi), konieczne jest ustalenie sześciu niezależnych od siebie wielkości: trzech częstotliwości i amplitud drgań w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach.

Niezależne od siebie wielkości określające stan danego układu fizycznego nazywane są stopniami swobody tego układu. Podczas badania ruchu termicznego w ciałach (w celu obliczenia energii tego ruchu) określa się liczbę stopni swobody każdej cząsteczki tego ciała. W tym przypadku liczone są tylko te stopnie swobody, pomiędzy którymi zachodzi wymiana energii. Jednoatomowa cząsteczka gazu ma trzy stopnie swobody ruchu translacyjnego; cząsteczka dwuatomowa ma trzy stopnie swobody ruchu postępowego i dwa stopnie swobody ruchu obrotowego (trzeci stopień swobody, odpowiadający obrotowi wokół osi przechodzącej przez środki atomów, nie jest brany pod uwagę). Cząsteczki zawierające trzy

atom i więcej, mają trzy translacyjne i trzy obrotowe stopnie swobody. Jeśli w wymianie energii uczestniczy również ruch oscylacyjny, wówczas dla każdego niezależnego prostoliniowego drgania dodawane są dwa stopnie swobody.

Rozpatrując oddzielnie ruch postępowy, obrotowy i wibracyjny cząsteczek, można znaleźć średnią energię przypadającą na każdy stopień swobody tego rodzaju ruchu. Rozważmy najpierw ruch translacyjny cząsteczek: załóżmy, że cząsteczka ma energię kinetyczną (masę cząsteczki). Suma jest energią ruchu translacyjnego wszystkich cząsteczek. Dzieląc przez stopnie swobody, otrzymujemy średnią energię przypadającą na jeden stopień swobody ruchu translacyjnego cząsteczek:

Możliwe jest również obliczenie średnich energii przypadających na jeden stopień swobody ruchów obrotowych i oscylacyjnych. Jeśli każda cząsteczka ma translacyjne stopnie swobody, obrotowe stopnie swobody i wibracyjne stopnie swobody, to całkowita energia ruchu termicznego wszystkich cząsteczek będzie równa

§ 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 tylko na szybkości ruchu cząsteczek.Zjawiska związane z ogrzewaniem lub chłodzeniem ciał, 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 cząsteczki 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.

Wszystkie cząsteczki dowolnej substancji poruszają się w sposób ciągły i losowy (chaotyczny).

Ruch cząsteczek w różnych ciałach odbywa się na różne sposoby.
Cząsteczki gazu losowo poruszają się z dużymi prędkościami (setki m/s) w całej objętości gazu. Zderzając się, odbijają się od siebie, zmieniając wielkość i kierunek prędkości.
Cząsteczki cieczy oscylują wokół pozycji równowagi (ponieważ znajdują się prawie blisko siebie) i stosunkowo rzadko przeskakują z jednej pozycji równowagi do drugiej. Ruch cząsteczek w cieczach jest mniej swobodny niż w gazach, ale bardziej swobodny niż w ciałach stałych.
W ciałach stałych cząsteczki oscylują wokół położenia równowagi.
Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta prędkość cząstek, dlatego chaotyczny ruch cząstek jest zwykle nazywany termicznym.

RUCH BROWNIA

Dowód ruchu termicznego cząsteczek.
Ruchy Browna zostały odkryte przez angielskiego botanika Roberta Browna (1773-1858).

Jeśli najmniejsze ziarna substancji zostaną rozpylone na powierzchnię cieczy,
będą się poruszać.

Te cząstki Browna poruszają się pod wpływem uderzeń cząsteczek cieczy. Ponieważ Ponieważ ruch termiczny cząsteczek jest ruchem ciągłym i losowym, prędkość ruchu cząstek Browna będzie losowo zmieniać wielkość i kierunek.
Ruchy Browna są wieczne i nigdy się nie zatrzymują.

SPÓJRZ NA PÓŁKĘ!

DOMOWE PRACA LABORATORYJNA

1. Weź trzy szklanki. Wlej wrzącą wodę do pierwszej, ciepłą wodę do drugiej i zimną wodę do trzeciej.
Do każdej szklanki wsyp szczyptę granulowanej herbaty. Co zauważyłeś?

2. Weź pustą plastikową butelkę, po jej schłodzeniu opuść szyjkę do szklanki wody i chwyć butelkę dłońmi, ale nie naciskaj. Obserwuj przez kilka minut.

3. Na szyjkę tej samej, ale ponownie schłodzonej butelki, włóż odwrócony korek nasączony wodą i również chwyć go ciepłymi dłońmi. Obserwuj przez kilka minut.

4. Wlej wodę do płytkiego naczynia na wysokość 1 - 1,5 cm, umieść w nim szklankę odwróconą do góry dnem i podgrzaną gorącą wodą. Obserwuj przez kilka minut.

Czekam na raport z wyjaśnieniem tego, co widziałem. Kto jest pierwszy?

TEMPERATURA

Wartość charakteryzująca stan termiczny ciała lub inaczej miara „ogrzania” ciała.
Im wyższa temperatura ciała, tym więcej energii mają średnio jego atomy i cząsteczki.

Przyrządy służące do pomiaru temperatury nazywane są termometrami.

Zasada pomiaru temperatury.

Temperatura nie jest mierzona bezpośrednio! Zmierzona wartość zależy od temperatury!
W nowoczesnych termometrach cieczowych jest to objętość alkoholu lub rtęci (w termoskopie Galileusza objętość gazu). Termometr sam mierzy temperaturę! A jeśli chcemy zmierzyć termometrem temperaturę jakiegoś innego ciała, musimy odczekać jakiś czas, aż temperatury ciała i termometru się zrównają, tj. między termometrem a ciałem zapanuje równowaga termiczna.
To jest prawo równowagi termicznej:
dla dowolnej grupy izolowanych ciał po pewnym czasie temperatury stają się takie same,
te. następuje równowaga termiczna

...

MIEJ DOMOWE DOŚWIADCZENIA

Weź trzy miski z wodą: jedną z bardzo gorącą wodą, drugą z umiarkowanie ciepłą wodą, a trzecią z bardzo zimną wodą. Teraz na krótko opuść lewą rękę do miski z gorącą wodą, a prawą do zimnej wody. Po kilku minutach wyjmij ręce z ciepłej i zimnej wody i opuść je do miski z ciepłą wodą. Teraz zapytaj każdą rękę, co „mówi” ci o temperaturze wody?

TERMOMETR - zrób to sam

Weź małą szklaną fiolkę (w aptekach sprzedają na przykład brylantową zieleń w takich fiolkach), korek (najlepiej gumowy) i cienką przezroczystą rurkę (możesz wziąć pusty przezroczysty pręt z długopisu).
Zrób dziurę w korku i zamknij fiolkę. Weź kroplę zabarwionej wody do rurki i włóż pręt do korka. Dobrze uszczelnij szczelinę między korkiem a prętem.
Termometr jest gotowy.
Teraz należy go skalibrować, tj. zrobić skalę.
Oczywiste jest, że gdy powietrze w bańce zostanie podgrzane, rozszerzy się, a kropla płynu uniesie się w górę rurki. Twoim zadaniem jest zaznaczenie na pręcie lub dołączonej do niego tekturce podziałów odpowiadających różnym temperaturom.
Do ukończenia szkoły możesz wziąć kolejny gotowy termometr i obniżyć oba termometry do szklanki ciepłej wody. Odczyty termometru muszą się zgadzać. Dlatego jeśli gotowy termometr pokazuje temperaturę np. 40 stopni, możesz bezpiecznie zaznaczyć 40 na trzpieniu swojego termometru w miejscu, w którym znajduje się kropla płynu. Woda w szklance ostygnie i będziesz mógł w ten sposób zaznaczyć skalę pomiarową.
Możesz zrobić termometr, całkowicie wypełniając go płynem.

A jest to możliwe w inny sposób:

Zrób dziurę w nakrętce plastikowej butelki i włóż cienką plastikową rurkę.
Częściowo napełnij butelkę wodą i przymocuj ją do ściany. Zaznacz skalę temperatury na wolnym końcu rurki. Wagę można skalibrować za pomocą konwencjonalnego termometru pokojowego.
Kiedy zmienia się temperatura w pomieszczeniu, woda rozszerza się lub kurczy, a poziom wody w rurce również „pełza” po skali.

I możesz zobaczyć, jak działa termometr!
Chwyć butelkę w dłonie i podgrzej ją.
Co się stało z poziomem wody w rurce?

SKALA TEMPERATUR

Skala Celsjusza – wprowadzona przez szwedzkiego fizyka A. Celsjusza w 1742 roku. Oznaczenie: C. Na skali znajdują się zarówno temperatury dodatnie, jak i ujemne. Punkty odniesienia: 0C - temperatura topnienia lodu, 100C - temperatura wrzenia wody.

Skala Fahrenheita została wprowadzona przez holenderskiego dmuchacza szkła Fahrenheita w 1724 roku. Oznaczenie: F. Na skali znajdują się zarówno temperatury dodatnie, jak i ujemne. Punkty odniesienia: 32F to temperatura topnienia lodu, 212F to temperatura wrzenia wody.

Skala Réaumura została wprowadzona przez francuskiego fizyka Réaumura w 1726 roku. Oznaczenie: R. Na skali znajdują się zarówno temperatury dodatnie, jak i ujemne. Punkty odniesienia: 0R - temperatura topnienia lodu, 80R - temperatura wrzenia wody.

Skala Kelvina została wprowadzona przez angielskiego fizyka Thomsona (Lorda Kelvina) w 1848 roku. Oznaczenie: K. Na skali są tylko temperatury dodatnie. Punkty odniesienia: 0K - zero absolutne, 273K - temperatura topnienia lodu. T = t + 273

TERMOSKOP

Pierwsze urządzenie do określania temperatury zostało wynalezione przez Galileusza w 1592 roku. Mała szklana butelka została przylutowana do cienkiej rurki z otwartym końcem.

Balon ogrzewano ręcznie, a koniec rurki zanurzano w naczyniu z wodą. Balon ochłodzono do temperatury otoczenia i poziom wody w rurce wzrósł. Te. zmieniając objętość gazu w naczyniu, można było ocenić zmianę temperatury. Nie było tu jeszcze skali numerycznej, więc taki instrument nazwano termoskopem. Skala pomiarowa pojawiła się dopiero po 150 latach!

CZY WIESZ

Najwyższa temperatura na Ziemi zarejestrowana w Libii w 1922 roku wynosi +57,80C;
najniższa zarejestrowana temperatura na Ziemi to -89,20C;
nad głową osoby temperatura jest wyższa od temperatury otoczenia o 1 - 1,50С; średnia temperatura zwierząt: konie - 380C, owce - 400C, kury - 410C,
temperatura w środku Ziemi - 200000С;
temperatura na powierzchni Słońca - 6000 K, w centrum - 20 milionów stopni.

Jaka jest temperatura wnętrza Ziemi?
Wcześniej przyjmowano różne hipotetyczne założenia i wykonywano obliczenia, zgodnie z którymi temperatura na głębokości 15 km wynosiła 100...400°C. Teraz supergłęboka studnia Kola,
który przekroczył granicę 12 km, udzielił dokładnej odpowiedzi na postawione pytanie. Początkowo (do 3 km) temperatura wzrastała o 1° na każde 100 m penetracji, następnie wzrost ten wynosił 2,5° na każde nowe 100 m. Na głębokości 10 km temperatura wnętrza Ziemi okazała się 180°C!
Nauka i życie

Pod koniec XVIII wieku liczba wynalezionych skal temperatur osiągnęła dwa tuziny.

Włoscy polarnicy, po wyprawie na Antarktydę, stanęli przed niesamowitą tajemnicą. W pobliżu Zatoki Ingle odkryli lodowy wąwóz, w którym nieustannie wieją superszybkie i bardzo zimne wiatry. Strumień powietrza o temperaturze minus 90 stopni pędzi z prędkością 200 km na godzinę. Nic dziwnego, że ten wąwóz został nazwany „bramami piekieł” - nikt nie może tam przebywać bez narażenia życia dłużej niż minutę: wiatr niesie cząsteczki lodu z taką siłą, że natychmiast rozdziera ubrania na strzępy.

Mamy rozbić sobie głowy?

Trudne zadania

1. Jak zmierzyć temperaturę ciała mrówki konwencjonalnym termometrem?

2. Istnieją termometry wykorzystujące wodę. Dlaczego takie termometry do wody są niewygodne do pomiaru temperatur bliskich temperaturze zamarzania wody?

Czekam na odpowiedź (na lekcji lub mailowo)!

WIESZ TO?

W rzeczywistości szwedzki astronom i fizyk Celsjusza zaproponował skalę, w której punkt wrzenia wody oznaczano liczbą 0, a temperaturę topnienia lodu liczbą 100! „Ale zimą nie będzie liczb ujemnych!” Celsjusza lubił mówić. Ale wtedy szala się „odwróciła”.

· Temperatura -40 stopni Celsjusza jest dokładnie równa temperaturze -40 stopni Fahrenheita. Jest to jedyna temperatura, w której te dwie skale zbiegają się.

Kiedyś w fizycznych laboratoriach do pomiaru temperatury używano tak zwanego termometru wagowego. Składał się z wydrążonej platynowej kulki wypełnionej rtęcią, która miała kapilarny otwór. Zmianę temperatury oceniano na podstawie ilości rtęci wypływającej z otworu.

Okazuje się, że jest płaski termometr. Jest to „kawałek papieru”, który umieszcza się na czole pacjenta. W wysokich temperaturach „papier” staje się czerwony.

Nasze zmysły, zwykle niezawodne, mogą zawieść w określeniu temperatury, np. zdarza się, że jedną rękę zanurza się w gorącej wodzie, a drugą w zimnej. Jeśli po pewnym czasie obie ręce zanurzymy w ciepłej wodzie, to ręka, która była wcześniej w gorącej wodzie, będzie zimna, a ręka, która była w zimnej wodzie, będzie gorąca!

Pojęcie temperatury nie ma zastosowania do pojedynczej cząsteczki. O temperaturze można mówić tylko wtedy, gdy istnieje wystarczająco duży zbiór cząstek.

Fizycy najczęściej mierzą temperaturę w skali Kelvina: 0 stopni Celsjusza = 273 stopnie Kelvina!

Najwyższa temperatura.

Otrzymano ją w centrum wybuchu bomby termojądrowej - około 300...400 milionów °C. Maksymalna temperatura osiągnięta podczas kontrolowanej reakcji termojądrowej w laboratorium TOKAMAK do badań syntezy jądrowej w Princeton Plasma Physics Laboratory w USA w czerwcu 1986 roku wynosi 200 milionów °C.

Najniższa temperatura.

Zero bezwzględne w skali Kelvina (0 K) odpowiada -273,15° Celsjusza lub -459,67° Fahrenheita. Najniższą temperaturę, 2,10–9 K (dwie miliardowe stopnia) powyżej zera absolutnego, osiągnięto w dwustopniowym kriostacie do rozmagnesowania jądrowego w Laboratorium Niskich Temperatur Politechniki Helsińskiej w Finlandii przez grupę naukowców pod kierunkiem profesora Olli Lounasmaa (ur. 1930 r.), o czym ogłoszono w październiku 1989 r.

Najmniejszy termometr w historii.

Dr Frederick Sachs, biofizyk z Uniwersytetu Stanowego Nowego Jorku w Buffalo, USA, zaprojektował mikrotermometr do pomiaru temperatury poszczególnych żywych komórek. Średnica końcówki termometru wynosi 1 mikron, tj. 1/50 średnicy ludzkiego włosa.