Молекулярная физика. Тепловые явления

145. Молекулярная физика - раздел физики, изучающий строение и свойства вещества, исходя из молекулярно-кинетических представлений о его стро­ении.

146. Основные положения молекулярно-кинетической теории:

1) Все тела состоят из атомов, молекул и ионов, имеющих в свою очередь сложное строение.

2) Атомы, молекулы и ионы находятся в непрерывном хаотическом движении, называемом тепловым. Скорость этого движения зависит от температуры.

3) Между атомами и молекулами существуют силы взаимного притяжения и отталкивания.

147. Экспериментальным подтверждением справедливости первых двух положений являются диффузия, броуновское движение, растворимость и др. Подтверждением справедливости третьего положения служит явление возникновения сил упругости при деформации тел.

148. Диффузия - это явление самопроизвольного проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества, происходящее в результате теплового движения.

149. Броуновское движение - это движение мельчайших макроскопических тел (пылинок, цветочной пыльцы, частичек туши и т.д.) под действием ударов со стороны молекул жидкости или газа.

150. Диаметр молекул имеет порядок 10 -10 м, а масса - 10 -26 кг.

151. Количество вещества - величина, равная числу структурных элементов (атомов, молекул, ионов), составляющих систему.

где N - число частиц, N A - постоянная Авогадро, m – масса вещества, - молярная масса вещества. Единицей количества вещества является 1 моль.

152. 1 моль - это порция молекул, равная числу Авогадро. Более точное определение 1 моля: это порция молекул или других структурных единиц вещества, в которой содержится столько же молекул или других структурных единиц, сколько их содержится в 0,012 кг углерода.

153. Молярная масса - это масса одного моля данного вещества. Единицей молярной массы является кг/моль.

154. Относительная молекулярная масса – это величина численно равная отношению массы молекулы данного вещества к 1/12 массы изотопа атома углерода 6 С 12 . Измеряется в углеродных единицах (у. ед) или атомных единицах (а.е.м.)

155. Число N молекул в теле массой m можно подсчитать по формуле:

где - количество вещества, N А - число Авогадро, - молярная масса вещества, из которого состоит тело.

156. Идеальным называется газ, потенциальная энергия взаимодействия, между молекулами которого равна нулю.

157. Основное уравнение МКТ:

где n - число молекул в единице объёма (концентрация), m - масса молекулы,- средний квадрат скорости.

158. Другой вид основного уравнения МКТ

где p - давление, - средняя кинетическая энергия молекул.

159. Средняя квадратичная скорость молекул

где – молярная масса вещества, m 0 – масса молекулы, T – абсолютная температура.

160. Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы идеального газа

161. Зависимость давления газа от концентрации молекул и температуры:

162. Температура - величина, характеризующая состояние термодинамического (теплового) равновесия макроскопической системы.

163. Абсолютный нуль температуры - это предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объёме или объём идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении.

Можно сформулировать иначе: Абсолютный нуль температуры - это предельная температура, при которой прекращается поступательное движение молекул.

164. Абсолютная (термодинамическая) шкала - это шкала температур, в которой за начало отсчета принят абсолютный нуль. Единица температуры в этой шкале - кельвин (К), величина которого совпадает с градусом Цельсия. В шкале Цельсия абсолютный нуль равен -273,15С. Связь между абсолютной температурной шкалой и шкалой Цельсия выражается формулой

165. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона) :

где р - давление, V - объём, R=8,31 Дж/(мольК) - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура, - молярная масса газа. Или

где - плотность газа.

166. Уравнение Клапейрона или объединённый газовый закон:

167. Изотермическим называется процесс, протекающий при постоянной температуре. Если при этом масса газа не изменяется, то процесс подчиняется закону Бойля-Мариотта. Формулировка закона: Для данной массы газа произведение давления на объём при постоянной температуре есть величина постоянная.

168. Изобарным называется процесс, протекающий при постоянном давлении. Если масса газа не меняется, то процесс подчиняется закону Гей-Люссака : Для данной массы газа при постоянном давлении отношение объёма к абсолютной температуре есть величина постоянная.

169. Изохорным называется процесс, протекающий при постоянном объёме. Если масса газа постоянна, то процесс подчиняется закону Шарля : Для данной массы газа при постоянном объёме отношение давления к абсолютной температуре есть величина постоянная.

170. Давление смеси газов равно сумме парциальных давлений, созданных каждым газом.

Этот закон известен под названием "закон Дальтона" .

171. Термодинамика - это раздел физики, в котором рассматриваются тепловые явления с точки зрения происходящих в них преобразований энергии.

172. Внутренняя энергия - это сумма кинетической энергии хаотического движения молекул, потенциальной энергии их взаимодействия и внутримолекулярной энергии молекул, из которых состоит тело.

173. Внутреннюю энергию тел можно изменить двумя способами: теплообмен и совершение работы. Признаком изменения внутренней энергии тела является изменение его температуры и (или) агрегатного состояния.

174. Внутренняя энергия одноатомного, идеального газа определяется по формуле:

175. Изменение внутренней энергии одноатомного газа можно подсчитать по формуле:

где m - масса газа, - молярная масса газа.

176. Теплообмен бывает трёх видов: лучеиспускание, конвекция, теплопередача. Лучеиспускание - это теплообмен с помощью электромагнитных волн теплового диапазона. Конвекция - это теплообмен, осуществляемый при перемешивании жидкостей или газов, имеющих разную температуру, Теплопередача -это форма передачи энергии, при которой осуществляется непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися молекулами тел при их тепловом контакте.

177. Количество теплоты - это энергия, которую тело получает или отдаёт при теплообмене.

178. Теплоёмкость тела - это величина равная количеству теплоты, которое надо передать телу для изменения его температуры на 1 кельвин.

Теплоёмкость тела измеряется в Дж/К. Количество теплоты, которое надо сообщить телу с теплоёмкостью С вычисляется по формуле

179. Удельная теплоёмкость - это величина численно равная количеству теплоты, которую надо сообщить веществу массой 1 кг для изменения его температуры на 1 кельвин.

Удельная теплоёмкость измеряется в Дж/(кгК). Теплоёмкость тела связана с удельной теплоёмкостью вещества, из которого оно изготовлено, формулой

180. Закон сохранения энергии в тепловых процессах (первый закон термодинамики): количество теплоты, переданное телу, идёт на увеличение его внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил.

181. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам.

1) Изотермический (Т=const)

т.к.U=0, т.е. количество теплоты, переданное системе, идёт на совершение работы против внешних сил;

2) Изобарный (p=const)

т.е. количество теплоты, переданное системе, идёт на совершение работы против внешних сил и на изменение её внутренней энергии;

3) Изохорный (V=const)

т.е. количество теплоты, переданное системе, идёт на изменение её внутренней энергии.

4) Адиабатным называется процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой (Q=0). Закон сохранения энергии для него имеет вид:

т.е. работа против внешних сил совершается за счёт убыли внутренней энергии.

182. Работа расширения газа при постоянном давлении вычисляется по формуле:

где V 2 и V 1 - конечный и начальный объёмы газа, р - давление. Т.к.

где T 2 - температура газа в конечном состоянии, T 1 - температура газа в начальном состоянии, - молярная масса, R - универсальная газовая постоянная.

183. Тепловой двигатель (тепловая машина) - это устройство, совершающее работу за счёт уменьшения внутренней энергии рабочего тела.

184. Любая тепловая машина состоит из трёх частей: нагревателя, холодильника и рабочего тела.

185. Тепловой коэффициент полезного действия тепловой машины равен:

где Q 1 - количество теплоты, полученной от нагревателя, Q 2 - количество теплоты, отданной холодильнику, A ‑ механическая работа.

186. Формула Карно для идеальной тепловой машины:

где Т 1 - температура нагревателя, Т 2 - температура холодильника, - КПД.

187. Плавление - это процесс перехода вещества из твёрдого состояния в жидкое при температуре плавления.

188. Процесс превращения жидкости в твёрдое кристаллическое состояние называется кристаллизацией .

189. Удельная теплота плавления - это количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг твёрдого кристаллического вещества из твёрдого состояния в жидкое, при температуре плавления.

Удельная теплота плавления измеряется в Дж/кг.

190. Парообразование - это процесс перехода вещества из твёрдого или жидкого состояния в газообразное.

191. Испарение - это процесс парообразования, происходящий с открытой поверхности жидкости или твёрдого тела.

192. Сублимация (возгонка) – это переход твёрдого вещества в газообразное, минуя жидкое состояние.

193. Кипение - это процесс парообразования, происходящий не только с открытой поверхности жидкости, но и по всему её объёму внутрь пузырьков газа, растворённого в жидкости. Для каждой жидкости существует своя температура кипения. Жидкость кипит при такой температуре, при которой давление её насыщенных паров равно атмосферному давлению.

194. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным .

195.Точка росы - температура, при которой пар переходит в состояние насыщения.

196. Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое, называется конденсацией.

197. Количество теплоты, которое необходимо для превращения единицы массы жидкости в пар, называется удельной теплотой парообразования и конденсации

Удельная теплота парообразования измеряется в Дж/кг.

198. Абсолютная влажность - это парциальное давление (плотность) водяных паров в атмосфере.

199. Относительная влажность - это величина равная отношению абсолютной влажности к давлению (плотности) насыщенного пара при данной температуре.

Цели:

1. сформулировать основные положения МКТ; дать понятие о размере молекул; систематизировать и углубить знания учащихся о величинах, характеризующих молекулы; раскрыть научное и мировоззренческое значение броуновского движения; установить характер зависимости сил притяжения и отталкивания от расстояния между молекулами, рассмотреть особенности строения и свойства газообразных, твердых и жидких тел с точки зрения МКТ; демонстрация физических моделей, позволяющая выявить основные закономерности и усвоить основные понятия МКТ, с помощью которых осуществляется знакомство с новым материалом на основе ранее полученных знаний;
2. развивать умение выделять главное, обобщать и систематизировать, определять и объяснять понятия:
3. воспитывать трудолюбие, точность и четкость при ответе;

Оборудование и наглядность:

• компьютер
• интерактивная доска SmartBoard
• презентация урока в MS PowerPoint

Ход урока

I. Организационный момент

• приветствие учащихся
• отметить отсутствующих;
• постановка целей и задач урока

II. Изучение нового материала

Введение в МКТ – ведется в форме беседы (слайд 2-5, кнопка « Почему тепловые явления изучаются в молекулярной физике» ), показываются физические модели теплового движения газов, жидкостей и твердых тел (слайд 4).

Основные положения МКТ (слайд 6, кнопка «Основные положения молекулярно-кинетической теории. Размеры молекул»)

Оценка размеров молекул на основе физической модели (слайд 7, переход с 6 слайда) и числа молекул (слайд 7) – в форме беседы и опроса.

Масса молекул количества вещества (слайд 8-10, кнопка «Масса молекул. Количество вещества») учитель объясняет новую тему, учащиеся записывают и выводят формулы, используя интерактивную доску.

Броуновское движение (слайд 11, кнопка «Броуновское движение») рассматривается видеофрагмент «Броуновское движение» и модель «Броуновского движения», учащиеся пытаются понять и объяснить причину броуновского движения.

Силы взаимодействия молекул (слайд 12-13, кнопка «Силы взаимодействия молекул») устанавливается характер зависимости сил притяжения и отталкивания от расстояния между молекулами.

Строение газообразных, жидких и твердых тел (слайд 14, кнопка «Строение газообразных, жидких и твердых тел») рассмотреть особенности строения и свойства газообразных, твердых и жидких тел на основе физических моделей и объяснить их с точки зрения МКТ.

III. Закрепление

Задания выполнены в программе Notebook для интерактивных досок SmartBoard.

I. Тренажер – на место пропущенных слов вставляются правильные ответы, путем перетаскивания.

Правильные ответы подчеркнуты .

1. Вставьте пропущенные слова

Все вещества состоят из ……………...,……………… и ………………… .

Варианты ответов

атомов протонов ядер электронов ионов молекул

2. Вставьте пропущенные слова

Все молекулы находятся в ……………, ………………. движении.

Варианты ответов

упорядоченном непрерывном равномерном замедленном хаотическом

3. Вставьте пропущенные слова

Между молекулами действуют силы ………………. и …………… .

Варианты ответов

отталкивания тяготения притяжения упругости

4. Расставьте правильно единицы измерения (система СИ)

5. Необходимо определить количество молекул в слитке золота объемом 1 дециметр. Выберите достаточный набор физических величин, необходимых для решения этой задачи.

6. Число молекул данного вещества определяется как:

7. Количество вещества определяется как:

8. Нарисуйте примерное расположение молекул газа, жидкости и твердого тела. (правильность проверяется с помощью вложенной модели)

9. Нарисуйте примерные траектории движения молекул газа, жидкости и твердого тела.

IV. Итог урока

• Выставление оценок.
• Указать на типичные ошибки
• Отметить лучших.

V. Домашнее задание

§ 58 – 62
Упражнение 11 № 1-8 четные – 1 вариант, нечетные – 2 вариант стр. 172
Подготовить сообщения об ученых упомянутых при изучении данной темы.

Приложения и презентация. (Для правильной работы анимированных моделей требуется установка программ Stratum2000 и Flash-player, находящихся в папке program.)

Молекулярная физика. Тепловые явления

Молекулярно-кинетическая теория

Тепловые явления в молекулярной физике.

Силы взаимодействия молекул, их масса и размер.

Причина броуновского движения частицы.

Давление идеального газа.

Температура

Понятие теплового равновесия.

Изотермический процесс

Изохорный процесс

Изобарный процесс

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия идеального газа.

Идеальная газовая шкала температур.

Количество теплоты

Первый закон термодинамики

Второй закон термодинамики

Удельная теплоемкость вещества

Тепловые двигатели и охрана природы.

Опытное обоснование основных положений МКТ:

Молекулярно-кинетическая теория - учение о строении и свойствах вещества, использующее представление о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химического вещества. В основе МКТ лежат три строго доказанных с помощью опытов утверждения:

Вещество состоит из частиц - атомов и молекул, между которыми существуют промежутки;

Эти частицы находятся в хаотическом движении, на скорость которого влияет температура;

Частицы взаимодействуют друг с другом.

То, что вещество действительно состоит из молекул, можно доказать, определив их размеры. Капля масла расплывается по поверхности воды, образуя слой, толщина которого равна диаметру молекулы. Капля объемом 1 мм 3 не может расплыться больше, чем на 0,6 м 2:

Существуют также другие способы доказательства существования молекул, но перечислять их нет необходимости: современные приборы (электронный микроскоп, ионный проектор) позволяют видеть отдельные атомы и молекулы.

Силы взаимодействия молекул . а) взаимодействие имеет электромагнитный характер; б) силы короткодействующие, обнаруживаются на расстояниях, сопоставимых с размерами молекул; в) существует такое расстояние, когда силы притяжения и отталкивания равны (R 0), если R>R 0 , тогда преобладают силы притяжения, если R

Действие сил молекулярного притяжения обнаруживается в опыте со свинцовыми цилиндрами, слипающимися после очистки их поверхностей.

Молекулы и атомы в твердом теле совершают беспорядочные колебания относительно положений, в которых силы притяжения и отталкивания со стороны соседних атомов уравновешены. В жидкости молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседнее, эти перескоки молекул являются причиной текучести жидкости, ее способности принимать форму сосуда. В газах обычно расстояния между атомами и молекулами в среднем значительно больше размеров молекул; силы отталкивания на больших расстояниях не действуют, поэтому газы легко сжимаются; практически отсутствуют между молекулами газа и силы притяжения, поэтому газы обладают свойством неограниченно расширяться.

Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро:

Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Единицей количества вещества является моль . Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же частиц, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода.

Отношение числа молекул к количеству вещества называется постоянной Авогадро:

Постоянная Авогадро равна . Она показывает, сколько атомов или молекул содержится в одном моле вещества.

Количество вещества можно найти как отношение числа атомов или молекул вещества к постоянной Авогадро:

Молярной массой называется величина, равная отношению массы вещества к количеству вещества:

Молярную массу можно выразить через массу молекулы:

Для определения массы молекул нужно разделить массу вещества на число молекул в нем:

Броуновское движение:

Броуновское движение - тепловое движение взвешенных в газе или жидкости частиц. Английский ботаник Роберт Броун (1773 - 1858) в 1827 году обнаружил беспорядочное движение видимых в микроскоп твердых частиц, находящихся в жидкости. Это явление было названо броуновским движением. Это движение не прекращается; с увеличением температуры его интенсивность растет. Броуновское движение - результат флуктуации давления (заметного отклонения от средней величины).

Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга.

Идеальный газ:

У разреженного газа расстояние между молекулами во много раз превышает их размеры. В этом случае взаимодействие между молекулами пренебрежимо мало и кинетическая энергия молекул много больше потенциальной энергии их взаимодействия.

Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии вместо реального газа используется его физическая модель - идеальный газ. В модели предполагается:

расстояние между молекулами чуть больше их диаметра;

молекулы - упругие шарики;

между молекулами не действуют силы притяжения;

при соударении молекул друг с другом и со стенками сосуда действуют силы отталкивают;

движения молекул подчиняется законам механики.

Основное уравнение МКТ идеального газа:

Основное уравнение МКТ позволяет вычислить давление газа, если известны масса молекулы, среднее значение квадрата скорости и концентрация молекул.

Давление идеального газа заключается в том, что молекулы при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела. При столкновении молекулы со стенкой сосуда проекция скорости v x вектора скорости на ось OX, перпендикулярную стенке, изменяет свой знак на противоположный, но остается постоянной по модулю. Поэтому в результате столкновений молекулы со стенкой проекция ее импульса на ось OX изменяется от mv 1x =-mv x до mv 2x =mv x . Изменение импульса молекулы при столкновении со стенкой вызывает сила F 1 , действующая на нее со стороны стенки. Изменение импульса молекулы равно импульсу этой силы:

Во время столкновения, согласно третьему закону Ньютона, молекула действует на стенку с силой F 2 , равной по модулю силе F 1 и направленной противоположно.

Молекул много, и каждая передает стенке при столкновении такой же импульс. За секунду они передают импульс , где z - число столкновений всех молекул со стенкой, которое пропорционально концентрации молекул в газе, скорости молекул и площади поверхности стенки: . К стенке движется только половина молекул, остальные движутся в обратную сторону: . Тогда полный импульс, переданный стенке за 1 секунду: . Согласно второму закону Ньютона изменение импульса тела за единицу времени равно действующей на него силе:

Учитывая, что не все молекулы имеют одинаковую скорость, сила, действующая на стенку будет пропорциональна среднему квадрату скорости. Так как молекулы движутся во всех направлениях, средние значения квадратов проекций скорости равны. Следовательно, средний квадрат проекции скорости: ; . Тогда давление газа на стенку сосуда равно:

- основное уравнение МКТ.

Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа:

Получим

Температура и ее измерение:

Основное уравнение МКТ для идеального газа устанавливает связь легко измеряемого макроскопического параметра - давления - с такими микроскопическими параметрами газа, как средняя кинетическая энергия и концентрация молекул. Но, измерив только давление, мы не можем узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужны измерения еще какой-то физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул. Такой величиной является температура .

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия. Тепловое равновесие - это такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными.

Температура характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

Для измерения температуры можно воспользоваться изменением любой макроскопической величины в зависимости от температуры: объема, давления, электрического сопротивления и т.д.

Чаще всего на практике используют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры. При градуировке термометра обычно за начало отсчета (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении (шкала Цельсия). Так как различные жидкости расширяются при нагревании неодинаково, то установленная таким образом шкала будет до некоторой степени зависеть от свойств данной жидкости. Конечно, 0 и 100С будут совпадать у всех термометров, но 50С совпадать не будут.

В отличие от жидкостей все разреженные газы расширяются при нагревании одинаково и одинаково меняют свое давление при изменении температуры. Поэтому в физике для установления рациональной температурной шкалы используют изменение давления определенного количества разреженного газа при постоянном объеме или изменение объема газа при постоянном давлении. Такую шкалу иногда называют идеальной газовой шкалой температур .

При тепловом равновесии средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул всех газов одинакова. Давление прямо пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул: . При тепловом равновесии, если давление газа данной массы и его объем фиксированы, средняя кинетическая энергия молекул газа должна иметь строго определенное значение, как и температура.Т. к. , то , или . Обозначим . Величина растет с повышением температуры и ни от чего, кроме температуры не зависит. Следовательно, ее можно считать естественной мерой температуры.

Абсолютная температурная шкала:

Будем считать величину , измеряемую в энергетических единицах, прямо пропорциональной температуре, выражаемой в градусах: , где - коэффициент пропорциональности. Коэффициент , в честь австрийского физика Л. Больцмана называется постоянной Больцмана. и свойств макросистем внесли немецкий физик Р. Клаузиус (1822-1888), английский физик -теоретик... , что природа тепловых явлений объясняется в физике двумя способами: термодинамический подход и молекулярно -кинетическая теория вещества...

Предназначен для проведения опытов по изучению тепловых явлений, законов молекулярно-кинетической теории и термодинамических начал с использованием цифровых датчиков температуры.

Набор позволяет провести 13 демонстрационных экспериментов, в т.ч.:
3. Теплота сгорания топлива
5. Конвекция в газе
6. Теплообмен между слоями жидкости
7. Теплопередача за счет излучения
9. Работа силы трения
10. Изменение внутренней энергии при деформации тела

Состав:

1. Цифровые датчики температуры -20..+100 С –2шт.
2. Цифровой датчик температуры 0...1000 С (имеет 3 диапазона измерений)
3. Стакан термостойкий
4. Пробирки с пробками
5. и другое оборудование для проведения экспериментов по физике
6. Пластиковый лоток для хранения с прозрачной крышкой
7. Диск с программным обеспечением для проведения экспериментов

Цифровые датчики, входящие в состав набора, совместимы с демонстрационным измерительным прибором универсальным.

Для работы необходимы:

* Внимание! Изображение товара может отличаться от полученного Вами товара. Производитель оставляет за собой право изменять комплектацию и технические характеристики учебных пособий без предварительного уведомления, при этом функциональные и качественные показатели наглядных пособий не ухудшаются.
Информация о товаре носит справочный характер и не является публичной офертой, определяемой Статьей 437 ГК РФ.