Тепловое движение с точки зрения мкт

Молекулы имеют чрезвычайно малые размеры. Простые одноатомные молекулы имеют размер порядка . Сложные многоатомные молекулы могут иметь размеры в сотни и тысячи раз больше.

Беспорядочное хаотическое движение молекул называется тепловым движением . Кинетическая энергия теплового движения растет с возрастанием температуры . При низких температурах средняя кинетическая энергия молекулы может оказаться меньше глубины потенциальной ямы . В этом случае молекулы конденсируются в жидкое или твердое вещество; при этом среднее расстояние между молекулами будет приблизительно равно . При повышении температуры средняя кинетическая энергия молекулы становится больше , молекулы разлетаются, и образуется газообразное вещество.

В твердых телах молекулы совершают беспорядочные колебания около фиксированных центров (положений равновесия). Эти центры могут быть расположены в пространстве нерегулярным образом ( аморфные тела ) или образовывать упорядоченные объемные структуры ( кристаллические тела ) (см. §3.6).

В жидкостях молекулы имеют значительно большую свободу для теплового движения. Они не привязаны к определенным центрам и могут перемещаться по всему объему. Этим объясняется текучесть жидкостей. Близко расположенные молекулы жидкости также могут образовывать упорядоченные структуры, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком в отличие от дальнего порядка , характерного для кристаллических тел.

В газах расстояния между молекулами обычно значительно больше их размеров. Силы взаимодействия между молекулами на таких больших расстояниях малы, и каждая молекула движется вдоль прямой линии до очередного столкновения с другой молекулой или со стенкой сосуда. Среднее расстояние между молекулами воздуха при нормальных условиях порядка , т. е. в десятки раз превышает размер молекул. Слабое взаимодействие между молекулами объясняет способность газов расширяться и заполнять весь объем сосуда. В пределе, когда взаимодействие стремится к нулю, мы приходим к представлению об идеальном газе .

В молекулярно-кинетической теории количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Единица количества вещества называется молем (моль).

Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц (молекул), сколько содержится атомов в углерода 12 C. Молекула углерода состоит из одного атома.

Таким образом, в одном моле любого вещества содержится одно и то же число частиц (молекул). Это число называется постоянной Авогадро :

Постоянная Авогадро – одна из важнейших постоянных в молекулярно-кинетической теории.

Количество вещества определяется как отношение числа частиц (молекул) вещества к постоянной Авогадро :

Массу одного моля вещества принято называть молярной массой . Молярная масса равна произведению массы одной молекулы данного вещества на постоянную Авогадро:

Молярная масса выражается в килограммах на моль (). Для веществ, молекулы которых состоят из одного атома, часто используется термин атомная масса .

За единицу массы атомов и молекул принимается массы атома изотопа углерода 12 C (с массовым числом ). Она называется атомной единицей массы ():

Эта величина почти совпадает с массой протона или нейтрона. Отношение массы атома или молекулы данного вещества к массы атома углерода 12 C называется относительной массой .

Молекулярная физика. Обоснования молекулярно-кинетической теории — броуновское движение, диффузия.

Диффузия, растворимость и броуновское движение могут быть объяснены только на основе представления о молекулярном строении веществ и являются убедительными обоснованиями пер­вого и второго положений молекулярно-кинетической теории.

Броуновское движение.

Броуновское движение (брауновское движение) — беспорядочное движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием ударов молекул окружающей среды.

Впервые такое движение исследовал и описал в 1827 г. английский ботаник Р. Браун при изуении под микроскопом взвешенной в воде цветочной пыльцы. Он обнаружил, что частички пыль­цы находятся в непрерывном беспорядочном движении, как бы исполняя дикий фантастический танец. Он писал: «Это движение, как я убежден, обусловлено не потоками жидкости, не постепен­ным ее испарением, а принадлежит самим частицам».

Наблюдаемые (броуновские) частицы размером

1 мкм и менее совершают неупорядоченные независимые движения, описывая слож­ные зигзагообразные траектории.

Подобный опыт можно проделать, пользуясь краской или тушью, предварительно растертой до таких мельчайших крупинок, которые видны лишь в микроскоп. Можно увидеть, что крупинки краски не­прерывно движутся. Самые мелкие из них беспорядочно перемещают­ся с одного места в другое, более крупные лишь беспорядочно колеб­лются.

Броуновское движение можно наблюдать и в газе. Например, в воздухе его совершают взвешенные там частицы пыли или дыма.

Броуновское движение никогда не прекращается! В капле воды (если не давать ей высохнуть) движение крупинок можно наблюдать в течение многих дней, месяцев, лет. Оно не прекращается ни ле­том, ни зимой, ни днем, ни ночью. В кусках кварца, пролежавших в земле тысячи лет, попадаются иногда капельки воды, замурованные в минерале. В этих капельках тоже наблюдали броуновское движение плавающих в воде частиц.

Интенсивность броуновского движения увеличивается с повыше­нием температуры, уменьшением вязкости среды, уменьшением размера частиц. Оно не зависит от химической природы частиц и време­ни наблюдения.

Броуновское движение служит доказательством существования еще более мелких частиц — молекул жидкости, невидимых даже в самые сильные оптические микроскопы.

Броуновское движение объясняется тем, что благодаря случайной неодинаковости количества ударов молекул жидкости о частицу с разных направлений возникает равнодействующая сила определенного направления. Поскольку подобные флуктуации (флуктуа­ция — случайное отклонение физической величины от ее среднего значения) очень кратковременны, то в следующий миг направление равнодействующей меняется и, следовательно, изменится направление перемещения частицы. Отсюда наблюдающаяся хаотичность броуновского движения, которая отражает хаотичность молекулярного движения.

Открытие броуновского движения имело большое значение для изучения строения вещества. Оно показало, что тела действительно состоят из отдельных частиц — молекул — и что молекулы находятся в непрерывном беспорядочном движении.

Полная теория броуновского движения была разработана Эйнштейном и Смолуховским в 1905-1906 гг. и экспериментально подтверждена Ж. Перреном. Выводы теории показали, что среднее значение квадрата смещения броуновской частицы за определенный промежуток времени про­порционально этому промежутку времени, температуре и постоянной Больцмана.

Эксперименты Ж. Перрена, в которых он определял положение одной определенной части­цы через каждые 30 с, подтвердили выводы теории. Перрен проводил также опыты по проверке зависимости концентрации молекул газа от высоты и барометрической формулы — зависимости атмосферного давления от высоты. Он предположил, что броуновские частицы, являясь своего рода большими молекулами, должны подчиняться тем же законам, что и молекулы атмосферы, а, следовательно, их концентрация с высотой должна падать. Его эксперименты полностью подтвердили теорию. Они позволили ему определить постоянную Авогадро, значение которой совпало с уже известным.

Таким образом, броуновское движение является самым ярким подтверждением теплового движения молекул — одного из положений молекулярно-кинетической теории.

Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называется диффузией.

Явление это объясняется свойством молекул находиться в беспрерывном движении.

Подтверждением движения молекул газа является всем известное распространение запаха какого-либо пахучего вещества, внесенного в комнату.

В жидкостях наблюдать взаимное проникновение одного вещества в другое можно, если в крепкий раствор медного купороса осторожно добавить воду. Вначале резкая граница между темно-голубым медным купоросом и бесцветной водой со временем исчезает. Механизм проникновения молекул следующий. Сначала вследствие движения отдельные молекулы воды и медного купороса, находящиеся около границы между ними, обмениваются местами. Молекулы медного купороса попадают в нижний слой воды, а молекулы воды — в верхний слой медного купороса. Граница между жидкостями из-за этого расплывается. Проникнув в слой «чужой» жидкости, молекулы начинают обмениваться местами с ее частицами, находящимся во все более глубоких слоях. Граница между жидкостями становится все более расплывчатой. Благодаря беспрерывно­му и беспорядочному движению молекул этот процесс, в конце концов, приводит к тому, что вся жидкость становится однородной.

В твердых телах также наблюдается диффузия. Так, в одном из опытов гладко отшлифованные пластины свинца и золота положили друг на друга и сжали грузом. Через пять лет золото и свинец проникли друг в друга на 1 мм.

Скорость диффузии зависит от агрегатного состояния вещества и температуры тела. В га­зах, где расстояние между молекулами очень велико по сравнению с их размерами и движение молекул хаотично, скорость диффузии наибольшая. В жидкостях она меньше, так как и расстояние между молекулами меньше, и движение молекул чуть более упорядочено. В твердых телах, где наблюдается строгий порядок в расположении атомов (или молекул), а сами они совершают лишь небольшие колебательные движения около своих мест, скорость диффузии наименьшая.

Скорость протекания диффузии увеличивается с ростом температуры.

Взаимодействие частиц вещества.

Третье положение MKT о взаимодействии молекул является очевидным. Достаточно вспомнить, сколько усилий требуется, чтобы сломать, скажем, деревянную палку.

Твердые тела и жидкости не распадаются на отдельные молекулы, несмотря на то, что их молекулы разделены промежутками и находятся в непрерывном беспорядочном движении.

Более того, твердое тело, например, трудно растянуть или сжать. Чем же объяснить, что молекулы в телах не только удерживаются друг около друга, но и в некоторых случаях промежутки между ними трудно увеличить?

Дело в том, что молекулы взаимодействуют друг с другом, и природа этого взаимодействия — электрическая. Молекула состоит из заряженных частиц — электронов и ядер. Заряженные частицы одной молекулы при соответствующих расстояниях взаимодействуют (притягиваются или отталкиваются) с заряженными частицами других молекул.

На расстояниях, превышающих 2-3 диаметра молекул, результирующая сила взаимодействия определяется силами притяжения. Вклад последних по мере уменьшения расстояния между молекулами сначала растет, затем убывает. Силы взаимодействия обращаются в нуль, когда расстоя­ние между молекулами становится равным сумме радиусов молекул.

Дальнейшее уменьшение расстояния приводит к перекрыванию электронных оболочек, что вызывает быстрое нарастание сил отталкивания.

Молекулярно-кинетическая теория

Молекулярная физика – это раздел физики, в котором законы механики применяются не к каждой отдельной частице вещества, а к их совокупности. При этом используются усреднённые физические величины.

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) – это теория, которая рассматривает строение вещества с точки зрения трёх основных положений.

Основные положения молекулярно-кинетической теории

1. Все вещества состоят из частиц (молекул, атомов);

Атом – наименьшая частица химического элемента, которая обладает его свойствами.

Молекула – наименьшая частица вещества, которая обладает его химическими свойствами.

В состав молекулы может входить различное число атомов. Так, молекулы углерода и инертных газов одноатомны, молекулы таких веществ, как водород и азот – двухатомны, воды – трехатомны и т.д. Молекулы наиболее сложных веществ – высших белков и нуклеиновых кислот – построены из сотни тысяч атомов. При этом атомы могут соединяться друг с другом не только в различных соотношениях, но и различным образом. Поэтому при сравнительно небольшом числе химических элементов число различных веществ очень велико.

Молекула определенного вещества имеет иные физические свойства нежели само вещество. Такие свойства, как температура плавления и кипения, механическая прочность и твердость, определяются прочностью связи между молекулами в данном веществе при данном его агрегатном состоянии . Поэтому применение подобных понятий к отдельной молекуле не имеет смысла.
Плотность – это свойство, которым отдельная молекула обладает и которое можно вычислить. Однако плотность молекулы всегда больше плотности вещества (даже в твердом состоянии), потому что в любом веществе между молекулами всегда имеется некоторое свободное пространство.
Электрическая проводимость, теплоемкость, определяются не свойствами молекул, а структурой веществ в целом. Эти свойства сильно изменяются при изменении агрегатного состояния вещества, тогда как молекулы при этом не претерпевают глубоких изменений. Таким образом, понятия о некоторых физических свойствах не применимы к отдельной молекуле, но сами эти свойства по своей величине различны для молекулы и вещества в целом.

Не во всех случаях частицы, образующие вещество, представляют собой молекулы. Многие вещества в твердом и жидком состоянии, например, большинство солей, имеют не молекулярную, а ионную структуру. Некоторые вещества имеют атомное строение. В веществах, имеющих ионное или атомное строение, носителем химических свойств являются не молекулы, а те комбинации ионов или атомов, которые образуют данное вещество.

Доказательства положения:

1. Фотографии поверхности физического тела, сделанные с помощью туннельного микроскопа (был создан в середине 80-х годов сотрудниками знаменитой компьютерной фирмы IBM (г. Цюрих) Г. Биннингом и Г. Рорером, удостоенными за его изобретение Нобелевской премии);

2. Закон постоянных отношений Джона Дальтона.

Первое убедительное, хотя и косвенное, доказательство существования атомов и молекул было получено английским химиком Д. Дальтоном (1766—1844). Дальтон объяснил закон постоянных отношений. Согласно этому закону при образовании любых химических соединений массы реагирующих веществ находятся в строго определенных отношениях. Так, например, при образовании воды из водорода и кислорода отношение масс прореагировавших газов водорода и кислорода всегда равно 1:8. Этот факт становится понятным лишь в том случае, если допустить, что при образовании мельчайшей частички воды — молекулы — некоторое определенное число атомов водорода соединяется с определенным числом атомов кислорода. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Поэтому отношение масс водорода и кислорода при образовании воды должно быть равно отношению удвоенной массы атома водорода к массе атома кислорода. Это отношение не может измениться ни при каких условиях.

2. Молекулы (атомы) вещества находятся в беспрерывном хаотическом (тепловом) движении;

Характер движения зависит от агрегатного состояния вещества, а скорость – от температуры.

Доказательства положения:

Явление диффузии, броуновское движение, осмос.

Диффузия – процесс проникновения молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вследствие теплового движения частиц этих веществ.

Осмос – односторонняя диффузия через полупроницаемую перегородку (мембрану), которая отделяет раствор от чистого растворителя или раствора меньшей концентрации.
Обусловлен стремлением системы к термодинамическому равновесию и выравнивания концентрации раствора с обеих сторон мембраны. Характеризуется осмотическим давлением, которое равно избыточному внешнему давлению, которое необходимо создать со стороны раствора, чтобы прекратить осмос. Играет важную роль физиологических процессах, используется при исследовании полимеров, биологических структур. Благодаря осмосу питательные вещества и вода из пищеварительного тракта проникают в организм и непосредственно в клетки живых существ, вода из почвы проникает в корни растений и т.д.

3. Молекулы (атомы) взаимодействуют между собой, между частицами действуют силы притяжения и отталкивания;

Эти силы действуют одновременно.

На определённом расстояния между молекулами (r) эти силы равны между собой. На расстояниях r r – притяжения.

Доказательства положения:

Существование жидкостей и твердых тел. Силами притяжения и отталкивания молекул объясняются упругость и прочность твердых тел.

Относительная молекулярная (атомная) масса химического элемента

Для определения масс отдельных атомов принята особая единица, которая равна 1/12 массы атома Карбона (углерода). Поскольку атомы одного и того же химического элемента отличаются массой (изотопы), поэтому в таблице Менделеева значения относительных молекулярных (атомных) масс нецелые.

Относительная молекулярная (атомная) масса химического элемента М_r – это число, которое показывает, во сколько раз средняя масса его молекулы m (атома) больше чем 1/12 массы атома Карбона m_0C, то есть

Количество вещества

Количество вещества (ν) определяется числом N структурных частиц (атомов, молекул или других частиц) в образце. [ν] = 1 моль.

Моль – это количество вещества, которое содержит столько же структурных частиц данного вещества, сколько атомов Карбона содержится в 12 г углерода.

N_А = 6,02·10 23 (моль -1 ) – постоянная Авогадро (количество атомов или молекул в 1 моле любого вещества).
Установлено, что в 12 г углерода содержится 6·10 23 атомов, таким образом, 1 моль води – это 6·10 23 молекул води, 1 моль Сульфура – это 6·10 23 атомов серы).

Согласно закону Авогадро 1 моль идеального газа занимает при нормальных условиях объём 22,4 л/моль.

Молярная масса

Молярная масса М вещества – это величина, которая равна отношению его массы m к соответствующему количеству вещества ν; или молярная масса вещества – это масса одного моля вещества. [М] = 1 г/моль. Тогда

Масса молекулы m вещества связана с его молярной массой соотношением

Масса тела можно выразить через массу одной молекулы и число молекул:

Числовое значение молярной массы вещества совпадает с числовым значением относительной молекулярной (атомной) массой элемента.

Пример, М(CuSO₄) = 64 + 32 + 4·16 = 160 г/моль; М_r (CuSO₄) = 160

Добавить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Молекулярная физика

Основные положения МКТ вещества. Диффузия. Броуновское движение. Постоянная Авогадро. Количество вещества.

Основные положения МКТ:

Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов («элементарных молекул»). Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Диффузия — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

Броуновское движение —беспорядочное движение микроскопических видимых, взвешенных в жидкости или газе частиц твердого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа. Броуновское движение никогда не прекращается. Броуновское движение связано с тепловым движением, но не следует смешивать эти понятия. Броуновское движение является следствием и свидетельством существования теплового движения.

Постоянная Авогадро — физическая величина, численно равная количеству специфицированных структурных единиц (атомов,молекул,ионов,электронов или любых других частиц) в 1 молевещества. Определяется как количество атомов в 12граммах(точно) чистогоизотопауглерода-12. Обозначается обычно как N_A, реже как L.

Значение числа Авогадро, рекомендованное CODATAв2010 году:

N_A = 6,022 141 29(27)·10 23 моль −1 .

В начале 2011 года опубликованы (но официально пока не приняты) ещё более точные измерения числа Авогадро: N_A = 6,022 140 78(18)·10 23 моль −1

Количество вещества — физическая величина, характеризующая количество однотипных структурных единиц, содержащихся ввеществе. Под структурными единицами понимаются любые частицы, из которых состоит вещество (атомы,молекулы,ионы,электроныили любые другие частицы).Единица измеренияколичества вещества вСИ—моль.

Взаимодействие молекул. Природа сил межмолекулярного взаимодействия. График зависимости их от расстояния.

Газы: расстояние между атомами или молекулами в среднем во много раз превышает размеры самих молекул. Газы легко сжимаются. Молекулы с огромными скоростями движутся в пространстве. Газы не сохраняют обьема и формы. Мнодественные удары молекул газа о стенки сосуда создают давление газа (молекулы стоят свободно).Жидкости: Молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу. Жидкости текучи, не сохраняют формы, но сохраняют обьем (молекулы стоят не очень плотно друг к другу).Твердые тела: Сохраняют и обьем и форму . Если соеденить центры положения равновесий атомов или ионов твердого тела, то получится правильная пространственная решетка называемая кристалической (молекулы стоят очень плотно друг к другу).

Природа сил межмолекулярного взаимодействия:

Межмолекулярное взаимодействиеимеет электростатическую природу. Предположение о его существовании было впервые использовано Я. Д. Ван-дер-Ваальсомв1873 годудля объяснения свойствреальных газов и жидкостей. В наиболее широком смысле под ним можно понимать такие взаимодействия между любыми частицами (молекулами, атомами, ионами), при которых не происходит образования химических, то есть ионных, ковалентных или металлических связей. Иными словами, эти взаимодействия существенно слабее ковалентных и не приводят к существенной перестройке электронного строения взаимодействующих частиц.

На больших расстояниях преобладают силы притяжения, которые могут иметь ориентационную, поляризационную (индукционную) и дисперсионную природу (см. подробнее в статьях ван-дер-ваальсово взаимодействиеидисперсионные силы). При усреднении по вращению частиц, происходящему вследствие теплового движения, потенциал межмолекулярных сил обратно пропорционален шестой степени расстояния, а ион-дипольных (как с постоянным, так и с наведенным диполем) — четвёртой степени. На малых расстояниях начинают преобладать силы отталкивания электронных оболочек частиц. Особым случаем является водородная связь — возникающее на малом расстоянии взаимодействие между атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом другой, когда эти атомы несут достаточно большой эффективный заряд.

График зависимости их от расстояния:

Идеальный газ. Основное уравнение МКТ идеального газа.

Идеальный газ — математическая модельгаза, в которой предполагается, что: 1)потенциальной энергиейвзаимодействиямолекулможно пренебречь по сравнению с ихкинетической энергией; 2) суммарный объем молекул газа пренебрежимо мал. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосудаабсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями. В расширенной модели идеального газа частицы, из которого он состоит, имеют также форму в виде упругих сферилиэллипсоидов, что позволяет учитывать энергию не только поступательного, но и вращательно-колебательного движения, а также не только центральные, но и нецентральные столкновения частиц и др.

Основное уравнение МКТ идеального газа:

Молекулярно-кинетическая теория (сокращённо МКТ) — теория, возникшая в XIX веке и рассматривающая строение вещества, в основном газов, с точки зрения трёх основных приближенно верных положений:

все тела состоят из частиц: атомов,молекулиионов;

частицы находятся в непрерывном хаотическомдвижении (тепловом);

частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений.

МКТ стала одной из самых успешных физических теорий и была подтверждена целым рядом опытных фактов. Основными доказательствами положений МКТ стали:

Изменение агрегатных состояний вещества

, где k являетсяпостоянной Больцмана(отношениеуниверсальной газовой постоянной R кчислу АвогадроNA), i — число степеней свободы молекул ( в большинстве задач про идеальные газы, где молекулы предполагаются сферами малого радиуса, физическим аналогом которых могут служить инертные газы), а T — абсолютная температура.

Основное уравнение МКТ связывает макроскопические параметры (давление,объём,температура) газовой системы с микроскопическими (масса молекул, средняя скорость их движения).

Молекулярно-кинетический смысл температуры. Энергия и скорость теплового движения молекул.

Молекулярно-кинетический смысл температуры:

Если два тела находятся в тепловом равновесии, то температуры этих тел одинаковы. А это означает, что результирующий поток энергии от одного тела к другому равен нулю. Это условие выполняется при равенстве средних значений кинетической энергии движения молекул контактирующих тел.

Энергия и скорость теплового движения молекул:

Все молекулы вещества находятся в беспрерывном хаотическом движении (перемещаются, колеблются около положения равновесия и т.д.). Молекулы, находясь в движении, обладают кинетическими энергиями. Сумма кинетических энергий движущихся молекул составляет часть внутренней энергии тела (потенциальную энергию взаимодействия молекул пока не рассматриваем). Так вот эта «внутренняя энергия» и называется энергией теплового движения. Ею и определяется температура тела. (Т.е. ТЕМПЕРАТУРА- является мерой средней кинетической энергии молекул тела.)

Движение молекул в разных телах происходит по-разному. Молекулы газов беспорядочно движутся с большими скоростями (сотни м/с) по всему объему газа. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга, изменяя величину и направление скоростей. Молекулы жидкости колеблются около равновесных положений ( т.к. расположены почти вплотную друг к другу) и сравнительно редко перескакивают из одного равновесного положения в другое. Движение молекул в жидкостях является менее свободным, чем в газах, но более свободным, чем в твердых телах. В твердых телах частицы колеблются около положения равновесия. С ростом температуры скорость частиц увеличивается, поэтому хаотическое движение частиц принято называть тепловым.

Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары.

Испарение и конденсация:

Парообразование— процесс превращения жидкости в пар.

Конденсация— процесс превращения пара в жидкость.

ИСПАРЕНИЕ— процесс парообразования с поверхности жидкости или твердого тела.

Заключается в вылетании частиц (молекул, атомов), которых превышает потенциальную энергию их связи с остальными частицами вещества. Скорость испарения зависит от:

1. площади поверхности жидкости,

2. температуры (увеличивается), хотя происходит при любой температуре и не требует постоянного притока тепла. Температура жидкости уменьшается.

3. движения молекул над поверхностью жидкости или газа,

4. рода вещества.

Насыщенные и ненасыщенные пары:

Насыщенный пар — пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом того же состава. Давление насыщенного пара зависит от температуры и рода жидкости и не зависит от объема.

Ненасыщенный пар — пар, не достигший динамического равновесия со своей жидкостью. При данной температуре давление ненасыщенного пара всегда меньше давления насыщенного пара. При наличии над поверхностью жидкости ненасыщенного пара процесс парообразования преобладает над процессом конденсации, и потому жидкости в сосуде с течением времени становится все меньше и меньше. Давление ненасыщенного пара зависит от температуры, объема и рода жидкости.

Кипение. Зависимость температуры кипения от давления.

Кипение — процесс парообразования в жидкости (переход вещества из жидкого в газообразное состояние), с возникновением границ разделения фаз. Температура кипения при атмосферном давлении приводится обычно как одна из основных физико-химических характеристик химически чистого вещества.

Кипение отличается от испарения, тем, что может происходить при определённой температуре и давлении. Кипение, как и испарение, является одним из способов парообразования.

Кипение является фазовым переходом первого рода. Кипение происходит гораздо более интенсивно, чем испарение с поверхности, из-за образования очагов парообразования, обусловленных как достигнутой температурой кипения, так и наличием примесей.

Зависимость температуры кипения от давления:

Температу́ра кипе́ния, точка кипения — температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением. Температура кипения соответствует температуре насыщенного пара над плоской поверхностью кипящей жидкости, так как сама жидкость всегда несколько перегрета относительно температуры кипения.

Согласно уравнению Клапейрона — Клаузиуса с ростом давления температура кипения увеличивается, а с уменьшением давления температура кипения соответственно уменьшается. Предельной температурой кипения является критическая температура вещества. Так температура кипения воды будет изменяться на Земле в зависимости от высоты

Влажность воздуха. Точка росы.

Влажность воздуха — это величина, характеризующая содержание водяных паров в атмосфере Земли — одна из наиболее существенных характеристик погоды и климата.

Влажность воздуха в земной атмосфере колеблется в широких пределах. Так, у земной поверхности содержание водяного пара в воздухе составляет в среднем от 0,2 % по объёму в высоких широтах до 2,5 % в тропиках. Упругость пара в полярных широтах зимой меньше 1 мбар (иногда лишь сотые доли мбар) и летом ниже 5 мбар; в тропиках же она возрастает до 30 мбар, а иногда и больше. В субтропических пустынях упругость пара понижена до 5—10 мбар.

Абсолютная влажность воздуха (f) — это количество водяного пара, фактически содержащегося в 1 м³ воздуха. Определяется как отношение массы содержащегося в воздухе водяного пара к объёму влажного воздуха.

Обычно используемая единица абсолютной влажности — грамм на метр кубический, г/м³

Относительная влажность воздуха (φ) — это отношение его текущей абсолютной влажности к максимальной абсолютной влажности при данной температуре. Она также определяется как отношение парциального давления водяного пара в газе к равновесному давлениюнасыщенного пара.

Температура точки росы газа (точка росы) — это значение температуры газа, ниже которой водяной пар, содержащийся в газе, охлаждаемом изобарически, становится насыщенным над плоской поверхностью воды.

Линейное тепловое расширение твердых тел. Коэффициент линейного расширения. Объемное тепловое расширение твердых тел. Связь между α и γ .

Линейное тепловое расширение твердых тел:

Тепловое расширение — изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры. Количественно тепловое расширение жидкостей и газов при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным коэффициентом теплового расширения). Для характеристики теплового расширения твёрдых тел дополнительно вводят коэффициент линейного теплового расширения.

Раздел физики изучающий данное свойство называется дилатометрией.

Тепловое расширение тел учитывается при конструировании всех установок, приборов и машин, работающих в переменных температурных условиях.

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером в соответствующем измерении при увеличении его температуры на расширяется на величину , равную:

,

где — так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.

Коэффициент линейного расширения:

Коэффициент теплового расширения — безразмерная величина, характеризующая относительное изменение объёма или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К при постоянном давлении.

Коэффициент линейного теплового расширения показывает относительное изменение длины тела при нагревании на температуру ΔT:

— относительное изменение линейного размера тела при нагревании его на dT градусов при постоянном давлении.

Объемное тепловое расширение твердых тел:

Cвязь между коэффициентами линейного и объемного расширения:

Пусть кубик со стороной l расширяется от нагревания. Его начальный объем равен V=l3. При нагревании на t каждая его сторона сделается равной l(1+at) и объем V’ = l3(l+at)3. Следовательно, Мы видели, что a— величина весьма малая. Так как, кроме того, мы рассматриваем только небольшие изменения температуры, то члены 3a2t и a3t2 малы по сравнению с 3a (например, при a=2,0•10-5 К-1 и t=100 К член 3a2t в 500 раз меньше 3a, a член a3t2 в 750 000 раз меньше 3a). Поэтому мы можем пренебречь членами 3a2t и a3t2 по сравнению с 3a и считать, что b=3a. Итак, коэффициент объемного расширения равен утроенному коэффициенту линейного расширения. Например, для железа он равен 3,6•10-5 К-1.

Термодинамическое равновесие. Термодинамические параметры системы. Температура. Шкала температур Кельвина. Абсолютный нуль.

Термодинамическое равновесие — состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды. В общем, эти величины не являются постоянными, они лишь флуктуируют (колеблются) возле своих средних значений. Если равновесной системе соответствует несколько состояний, в каждом из которых система может находиться неопределенно долго, то о системе говорят, что она находится в метастабильном равновесии. В состоянии равновесия в системе отсутствуют потоки материи или энергии, неравновесные потенциалы (или движущие силы), изменения количества присутствующих фаз.

Термодинамические параметры системы:

Термодинамические параметры — физ. величины, характеризующие равновесное состояние термодинамич. системы: темп-pa, объём, плотность, давление, намагниченность, электрич. поляризация и др. Различают экстенсивные П. с., пропорциональные объёму(или массе) системы ( внутренняя энергия U, энтропия S, энтальпия Н,Гельмголъцаэнергия, или свободная энергия F, Гиббса энергия G), и интенсивныеП. с., не зависящие от массы системы (темп-pa Т, давление Р,концептрация с, хим. потенциал ).В состоянии термодинамич. равновесия П. с. не зависят от времени и пространств. координат. В неравновесном состоянии П. с. могут зависеть от координат и времени.

Температура — скалярная физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Температура всех частей системы, находящейся в равновесии, одинакова. Если система не находится в равновесии, то между её частями, имеющими различную температуру, происходит теплопередача (переход энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым), приводящая к выравниванию температур в системе.

Температура определяет: распределение образующих систему частиц по уровням энергии (см. Статистика Максвелла — Больцмана) и распределение частиц по скоростям (см. Распределение Максвелла); степень ионизации вещества (см.Уравнение Саха); спектральную плотность излучения (см. Формула Планка); полную объёмную плотность излучения (см. Закон Стефана — Больцмана) и т. д. Температуру, входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют температурой возбуждения, в распределение Максвелла — кинетической температурой, в формулу Саха — ионизационной температурой, в закон Стефана — Больцмана — радиационной температурой. Поскольку для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, их называют просто температурой системы [1] .

Температура относится к интенсивным величинам, не зависящим от массы системы.

Шкала температур Кельвина:

Абсолютная шкала температур, не зависящая от свойств термометрического вещества (начало отсчета — абсолютный нуль температур, он же по шкале Цельсия равен 273,16 градусов).

Абсолютный нуль температуры — минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Абсолютный нуль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. В 1954 X Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой — тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °C, так что по шкале Цельсия, абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C.

Закон Бойля-Мариотта. Графическое изображение изотермического процесса.

Закон Бойля-Мариотта — один из основных газовых законов, открытый в 1662 году Робертом Бойлем и независимо переоткрытый Эдмом Мариоттом в 1676 году. Описывает поведение газа в изотермическом процессе. Закон является следствием уравнения Клапейрона.

Закон Бойля-Мариотта гласит:

При постоянной температуре и массе идеального газа произведение его давления и объёма постоянно.

В математической форме это утверждение записывается следующим образом

где — давление газа; — объём газа.

Важно уточнить, что в данном законе газ рассматривается, как идеальный. На самом деле, все газы в той или иной мере отличаются от идеального. Чем выше молярная масса газа, тем больше это отличие.

Закон Бойля-Мариотта, закон Шарля и закон Гей-Люссака, дополненные законом Авогадро, образуют уравнение состояния идеального газа.

Графическое изображение изотермического процесса:

Закон Гей-Люссака. Графическое изображение изохорного процесса.

Закон Гей-Люссака — закон пропорциональной зависимости объёма газа от абсолютной температуры при постоянном давлении, названный в честь французского физика и химика Жозефа Луи Гей-Люссака, впервые опубликовавшего его в 1802 году.

Изобарический закон, открытый Гей-Люссаком в 1802 году утверждает, что при постоянном давлении объём постоянной массы газа пропорционален абсолютной температуре. Математически закон выражается следующим образом:

где — объём газа, — температура.

Если известно состояние газа при неизменном давлении и двух разных температурах, закон может быть записан в следующей форме:

.

Графическое изображение изохорного процесса:

Закон Шарля. Графическое изображение изобарного процесса.

Закон Шарля или второй закон Гей-Люссака — один из основных газовых законов, описывающий соотношение давления и температуры для идеального газа. Экспериментальным путем зависимость давления газа от температуры при постоянном объёме установлена в 1787 году Шарлем и уточнена Гей-Люссаком в 1802 году.

Формулировка закона Шарля следующая:

Давление газа фиксированной массы и фиксированного объёма прямо пропорционально абсолютной температуре газа.

Проще говоря, если температура газа увеличивается, то и его давление тоже увеличивается, если при этом масса и объём газа остаются неизменными.Закон имеет особенно простой математический вид, если температура измеряется по абсолютной шкале, например, в градусах Кельвина. Математически закон записывают так:

P — давление газа,

T — температура газа (в градусах Кельвина),

Этот закон справедлив, поскольку температура является мерой средней кинетической энергии вещества. Если кинетическая энергия газа увеличивается, его частицы сталкиваются со стенками сосуда быстрее, тем самым создавая более высокое давление.

Для сравнения того же вещества при двух различных условиях, закон можно записать в виде:

Графическое изображение изобарного процесса:

Уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоянная. Плотность газа.

Уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоянная:

Уравнение состояния идеального газа (иногда уравнение Клапейрона или уравнение Менделеева — Клапейрона) — формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температуройидеального газа. Уравнение имеет вид:

,

— давление,

— молярный объём,

— универсальная газовая постоянная

— абсолютная температура,К.

Так как , где — количество вещества, а , где — масса, — молярная масса, уравнение состояния можно записать:

Эта форма записи носит имя уравнения (закона) Менделеева — Клапейрона.

Уравнение, выведенное Клапейроном содержало некую неуниверсальную газовую постоянную , значение которой необходимо было измерять для каждого газа:

Менделеев же обнаружил, что прямо пропорциональна , коэффициент пропорциональности он назвал универсальной газовой постоянной.

Понятие внутренней энергии в термодинамике. Способы изменения внутренней энергии. Работа газа в термодинамике.

Совершение работы и выделение энегргии при термодинамических процессах говорит о том, что термодинамические системы обладают запасом внутренней энергии. Существует два способа изменения внутренней энергии:

Совершение механической работы А’ внешними силами над системой или самой системой над внешними телами А(А=А’)

Теплообмен. Количество энергии, полученное или отданное телом при таком процессе, называется количеством теплоты и обозначается Q

Изменение внутренней энергии U может быть найдено по формуле

U=U₁ +U₂ , где

U_{2 и} U₁– внутренняя энергия в первом и во втором состояниях

Первое начало термодинамики. Применение 1-ого начала термодинамики к изопроцессам.

Первое начало термодинамаики:

Количество теплоты , сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на работу, совершаемую системой против внешних сил:

Q=U+A

Изменение внутренней энергии системы равно сумме сообщенного телу количества теплоты и работы, произведенной над системой внешними силами

U=Q+A

В качестве примера его применения рассмотрим процесс торможения бруска силами трения на горизонтальной поверхности- механическая энергия бруска не исчезает, а превращается во внутреннюю энергию системы «стоп-брусок», т.е трущие поверхности при этом нагреваются.

Первое начало термодинамики запрещает существование древней мечты человечества- вечного двигателя. невозможен вечный двигатель первого рода- устройство , которое может совершать полезную работу, превышающую затраченную.

Адиабатный процесс- термодинамический процесс в теплоизолированной системе Q=0.

Такой процесс происходит при хорошей теплоизоляции системы либо при малой длительности процесса, когда теплообмена практически не происходит. В применении к адиабатным процессам первое начало термодинамики принимает вид

A=-U

Согласно определению адиабатному процессу соответствует теплоемкость, равная 0 (С_А =0)

Принципиальная схема устройства тепловой машины. Максимальный КПД тепловых двигателей. Второе начало термодинамики.

Принципиальная схема устройства тепловой машины

Любая тепловая машина- из трех честей:

Рабочее тело Коэффициент полезного действия (КПД) _ᶯ тепловой машины определяется как отношение совершенной машинной работы А к количеству тепла Q₁ , полученному от нагревателя:

КПД цикла Карно

,где Т₁ – температура нагревателя, Т₂— температура холодильника

Второе начало термодинамики:

Невозможен такой циклический процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты, получаемой системой от внешней среды , в работу, без изменений в окружающей среде.

Строение жидкостей. Поверхностное натяжение. Коэффициент поверхностного натяжения. Методы определения коэффициента поверхностного натяжения.

Работа А по образованию S=1м2.поверхности жидкости при постоянной температуре называется поверхностным натяжением

ό=

поверхностное натяжение зависит от рожа жидкости, ее температуры, наличия примесей. С ростом температуры оно уменьшается или исчезает вовсе.

Явление смачивания и несмачивания. Краевой угол. Капиллярные явления. Капиллярность в быту, природе, технике.

Смачивание- явление межмолекулярного взаимодействия частиц твердого тела и жидкости на их границе, а жидкость называется смачивающей.

Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше, чем между молекулами самой жидкости , то прилегающие слои жидкости « отталкиваются «от его поверхности- явление несмачивания, а жидкость- несмачивающая.

Явление смачивания и несмачивания приводят к искривлению поверхности жидкости у стенок сосуда, так называевым краевым эффектом.

Количественной характеристикой эффектов служит краевой угол ɵ между плоскостью касательной к поверхности жидкости и поверхности твердого тела.

Подъем и опускание жидкости в капиллярах под действием сил поверхностного натяжения называется капиллярным явлением.

Капиллярные явления играют существенную роль в водоснабжении растений, в подъеме влаги в почве, в проникновении жидкости в пористые тела, в системе кровообращения легких.

Механические свойства твердых тел. Закон Гука. Модуль Юнга

Твердым телом в механике называется неизменимая система материальных точек, т.е. такая идеализированная система, при любых движениях которой взаимные расстояния между материальными точками системы остаются неизменными (материальные точки — достаточно малые макроскопические частицы).

Силы притяжения и отталкивания обуславливают механическую прочность твердых тел. т. е. их способность противодействовать изменению формы и объема. Растяжению тел препятствуют силы межатомного притяжения, а сжатию — силы отталкивания.

Недеформируемых тел в природе не существует.

Деформация — изменение формы или объема тела под действием внешних сил. Деформация может быть упругая или неупругая.

Упругая деформация — деформация, при которой после прекращения действия силы размеры и форма тела восстанавливаются.

а) Растяжение (тросы подъемных кранов, канатных дорог, буксирные тросы)

б) Сжатие (колонны, стены, фундаменты зданий).

2. Сдвиг (заклепки, болты, соед. металлические конструкции, процесс разрезания ножницами бумаги).

3. Кручение (завинчивание гаек, работа валов машин, сверление металлов и т.п.).

4. Изгиб (формально деформация растяжения и сжатия, различная в разных частях тела. Нейтральный слой — слой, не подвергающийся ни растяжению, ни сжатию, при изгибе.)

Деформацию растяжения и сжатия можно охарактеризоватьабсолютной деформацией ℓ, равной разности длин образца после растяжения ℓ и до него ℓ: ℓ = ℓ – ℓ

Отношение абсолютной деформации ℓ к первоначальной длине образцаℓ_o называют относительной деформацией:

Если деформация упругая, а относительная деформацияИз опыта: — закон Гука.Сила упругости прямо пропорциональна абсолютной деформации.

С учетом направления:

k — коэффициент жесткости (упругости). Зависит от материала, формы и размеров тела (Например, чем длиннее и тоньше пружина, тем ее жесткость меньше.)

Единицы коэффициента упругости в СИ: .

Движение под действием силы упругости.

— ускорение изменяется с координатой! Это неравнопеременноедвижение. Такое движение является колебательным.

Частные случаи силы упругости:

1. Сила реакции опоры — направлена всегда перпендикулярно поверхности.

2. Сила натяжения (нити, сцепки)

Физическая величина, равная отношению модуля силы упругости F_упр, возникающей при деформации, к площади сечения S образца, перпендикулярного вектору силы F. называется механическим напряжением: . За единицу механического напряжения в СИ принята единица паскаль (Па): 1 Па= 1Н/м 2 .

Отношение механического напряжения к относительному удлинению ,при малых упругих деформациях растяжения и сжатия, называетсямодулем упругости Е (модулем Юнга): .

Из выше написанной формулы видно, что модуль Юнга Е величина не зависящая от формы и размеров предмета, изготовленных из данного материала. [Е]=Па. Модуль Юнга показывает, какое надо создать механическое напряжение, чтобы деформировать тело в 2 раза (Если — на самом деле нереально).

Если обозначить ,

то получим F_упр =k|l| — закон Гука. Другая форма записи этого закона:  = E|| — механическое напряжение прямо пропорционально модулю относительной деформации.