Молекулфрно кинетическая теория

Учение о теплоте

Введение

 

Макропараметры - это физические величины, которые используются для описания вещества как целого (масса, объём, температура)

Микропараметры – физичеcкие величины, использующиеся для описания единичных молекул вещества (масса молекулы, её скорость)

 

Атомы и молекулы вещества совершают беспорядочное (хаотическое  движение). Оно называется тепловым движением.

 

Явления, обусловленные  механическим движением атомов или  молекул называются тепловыми.

 

Тепловые явления объясняются  с помощью молекулярно-кинетической теории или законов термодинамики. Первая использует микропараметры, вторая – макропараметры.

 

Изменение температуры  оказывает влияние на механические свойства тел.

 

Пример.

КАК В ГОРОДЕ ПАРИЖЕ¹ ПОЧИНИЛИ ДОМ 
(Быль)Л.Н.Толстой

В одном большом доме разошлись врозь стены. Стали думать, как их свести так, чтобы не ломать крыши. Один человек придумал. Он вделал с обеих сторон в стены железные ушки; потом сделал железную полосу, такую, чтобы она на вершок не хватала от ушка до ушка. Потом загнул на ней крюки по концам так, чтобы крюки входили в ушки. Потом разогрел полосу на огне; она раздалась и достала от ушка до ушка. Тогда он задел крюками за ушки и оставил ее так. Полоса стала остывать и сжиматься и стянула стены.

 

Основы МКТ.

1. все тела состоят из частиц

2. частицы хаотически  движутся

3. частицы взаимодействуют  друг с другом.

 

Комментарий к основам  МКТ.

1) Впервые  гипотеза об атомном строении вещества была выдвинута ещё в 5 в до нашей эры греческим философом Демокритом, именнно он ввёл понятие атома.

 

Молекула состоит из двух или нескольких атомов.

Молекула – мельчайшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Состоит из двух или нескольких атомов.

Если пальцы сжать в кулак и увеличить  его размеры до земного шара, то атом станет размером с кулак.

 

2)Также ещё в древней Греции учёные пришли к выводу, что частицы вещ-ва находятся в беспорядочном движении. На этой основе они объясняли испарение жидкостей, растворение одних веществ в других, распостранение запахов.

 

Взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого при их взаимном соприкосновении называется диффузией.

 

Если бы диффузия отсутствовала, произошло бы расслоение атмосферы: внизу по действием силы тяжести оказался бы тяжёлый углекислый газ, затем киcлород, а выше азот.

Диффузия важна для получения красителей, пластмасс, сплавов, клеев. Благодаря диффузии насекомые за много километров улавливают аромат цветов и прилетают для сбора нектара, опыляя растения.

Но у диффузии есть и минусы: на химических предприятиях происходит выделение вредных и опасных для жизни веществ, проникающих благодаря диффузии в атмосферу.

 

 Самое очевидное док-во движения молекул можно получить, наблюдая в микроскоп мельчайшие взвешенные в воде частицы какого-либо твёрдого вещества.

Тепловое движение взвешенных в жидкости или газе частиц – броуновское. Оно вызывается ударами молекул жидкости или газа.

 

Впервые бр. дв-е наблюдал в 1827 году английский ботаник Броун. Он наблюдал за поведением цветочной пыльцы в воде. Эти частицы имели размер около 10^-6 м, т.е. каждая из них содержала более миллиарда молекул. Поэтому их можно было наблюдать в микроскоп. Частицы двигались по зигзагообразным траекториям. С ростом темп-ры их скорость движ-я возрастала. Броуновское дв-е моделирует молекулярное дв-е, это тепловое дв-е, которое никогда не может прекратиться.

 

http://www.youtube.com/watch?v=GXQxOvx1JO4 – 2:01, броуновское движение

 

Пример. Сливки на молоке быстрее отстаиваются в холодном помещении вследствие ослабления броуновского движения капелек масла

 

3) Молекула  – сложная система, состоящая  из отдельных заряженных частиц: электронов и атомных ядер. Между  электронами одной молекулы и  атомными ядрами другой действуют силы притяжения. Одновременно электроны обеих молекул отталкиваются друг от друга, так же как и ядра. Если бы между молекулами не существовало сил притяжения, то все вещ-ва при любом состоянии были бы газообразными. Благодаря силам притяжения молекулы удерживаются друг возле друга и образуют жидкие или твёрдые вещ-ва. На очень маленьких рас-ях между молекулами действуют силы отталкивания. Поэтому молекулы не проникают друг в друга.

 

1. Что мешает семикласснику  Васе, пойманному директором школы на месте курения, распасться на отдельные молекулы и врассыпную исчезнуть из вида?

Ответ: взаимное притяжение молекул семикласника мешает им расстаться навсегда и скрыться от директора.

 

Характер движения зависит от агрегатного состояния  вещества. В газах молекулы находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга, и силы притяжения между ними ничтожно малы. Скорости молекул газа составляют сотни метов в секунду

В жидкостях молекулы расположены вплотную друг к другу. Молекулы совершают «бег на месте», делая иногда перескоки

В твёрдых телах молекулы колеблются около положения равновесия

 

Температура. Абсолютная шкала  температур.

 

С помощью  ощущений судить о температуре невозможно.

Первый прибор для  объективной оценки температуры, о  котором сохранились сведения, был изобретён Галилеем в 1592 году.

http://www.youtube.com/watch?v=4NLCbSBNSWA&feature=related – обыкновенная история. Термометр 10:12

 

Температура характеризует тепловое состояние тел. Она зависит от скорости движения молекул вещ-ва.

 

В  разных температурных шкалах нуль выбран совершенно произвольно. Например, в шкале Рюомера (использовалась до революции в России) 0⁰ это температура таяния льда, а 80⁰ это температура кипения воды.  В шкале Фаренгейта 0⁰ это смесь воды, нашатыря и льда, а 96⁰ это нормальная температура человеческого тела. 

Произвольный выбор нуля существенно  усложняет теоретический выбор  ряда зависимостей, приводит к громоздким формулам.  Исходя из этих соображений  Уильям Томсон, получивший за научные заслуги титул лорда Кельвина, предложил в 1848 году ввести новую шкалу температур, которая называется абсолютной или термодинамической. За нуль в этой шкале принят абсолютный нуль.

Это температура,  при которой  полностью прекращается движение молекул  и атомов (-273,15 ⁰С) называют абсолютным нулём.  Шкала Цельсия связана со шкалой Кельвина.  1⁰С= 1⁰К

Т = t +273

Абсолютный нуль недостижим, хотя в лабораториях специальными методами удалось достичь температуры 0,0001 К выше абсолютного нуля.

При очень низких температурах наблюдаются  необычные явления, например, сверхтекучесть гелия и сверхпроводимость некоторых  металлов.

 

Примеры.

Некоторые значения температур:

У птиц 39,5 – 44⁰С

Наиболее высокая темп-ра воздуха на Земле 58⁰, низкая – 88⁰

При темп-ре 42⁰С кровь не абсорбирует кислород и человек погибает от кислородой недостаточности. Искуственно темп-ру понижают иногда до 26⁰, тогда организм впадает в состояние анабиоза, жизненные процессы замедляются. Вместо 16 вдохов в минуту только 4, пульс падает с 70 до 25 ударов в минуту. Оперируя такого больного, хирург может на время отключить сердце. В состоянии анабиоза находятся зимой медведи, барсуки.

 

http://www.youtube.com/watch?v=WTRlbqY6ubE&feature=fvsr 3:23 зимний анабиоз лягушки (на англ.)

http://www.youtube.com/watch?v=FBytMLxI1ks&feature=relmfu 3:18  крионика

 

Давление

 

Это величина, которая характеризует  силу, действующую перпендикулярно  некоторой поверхности.

Единицы измерения давления:

1 ат = 760 мм рт ст =  1кгс/см² = 10⁵ Па

 

Атмосферное давление впервые  измерил в 17 веке итальянский учёный Торричелли.  Стеклянная трубка длиной 1 м, запаянная с одного конца, полностью заполнена ртутью. Трубку переворачивают, помещают незапаянный, но прежде закрытый конец в чашку с ртутью. Часть ртути выливаетмя в чашку, в трубке остаётся столбик высотой примерно 760 мм. Объяснение: столбик ртути опускается до тех пор, пока оказываемое им давление не станет равным атмосферному давлению. Такая идея измерения используется в ртутном барометре.

 

Опыт Торричелли http://www.youtube.com/watch?v=jnlf3Pb1wwU -3:39

http://www.youtube.com/watch?v=Q9hbfrv2yXk – история барометра 3:33

 

1 мм.рт.ст = 1 атм = 10⁵ Па

На Венере давление равно 100 земным атмосферам, на Марсе примерно 0,006 атм

Силы давления используются в живой  природе. Давлением объясняется  действие разного рода присосок. Например, рыбы прилипалы имеют присасывающую поверхность. Внешнее давление сильно прижимает присоску. Копыта жвачных животных при высасывании из трясины сжимаются под влиянием давления и пропускают воздух в образовавшееся угубление, нога вынимается без труда. У глубоководных рыб плавательный  пузырь выходит через рот наружу, если их извлечь из воды, так как  у этих рыб внутреннее давление газов больше атмосферного

 

Пример.

Когда было закончено  строительство тоннеля под Темзой в Лондоне, городские власти решили отметить это событие в самом  тоннеле.

Там шампанское показалось им лишённым обычной игристости. Но когдда они поднялись на поверхность, вино забурлило у них в желудках. Одного высокопоставленного чиновника пришлось срочно спускать обратно для рекомпрессии. Почему же это произошло?Дело в том, что на дне тоннеля давление выше атмосферного, часть углекислого газа оставалась в растворе. На поверхности земли газ стал выходить из раствора и чтобы замедлить этот процесс, пришлось спуститься обратно вниз.

 

Уравнение состояния идеального газа

 

Вместо реального газа, между молекулами которого действуют  сложные силы взаимодействия, будем рассматривать его физическую модель. Это модель называется идеальным газом. Идеальный газ – газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало.

На  рисунке приведена схема расположения молекул газа в закрытом сосуде. Молекулы в сосуде движутся хаотично. Можно предположить, что в каждом направлении движется одинаковое количество молекул. Т.е. в каждом направлении движется 1/3 молекул (пространство трёхмерно), и можно доказать, что

- основное уравнение МКТ

 

Здесь m₀ – масса молекулы

- концентрация молекул

- средний квадрат скорости  молекул

 

Это уравнение связывает  микроскопические параметры (масса, концентрация, скорость) с макроскопическими (давление)

 

Вопрос. Как изменится давление идеального газа, если при неизменных объёме и температуре произойдёт расщепление всех молекул газа кислорода в сосуде в атомы?

 

Уравнения идеального газа

- уравнение Менделеева-Клайперона

Здесь М- молярная масса

 

Напомним:

Один моль – кол-во вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов, сколько содержится атомов в углероде массой 12 граммов. Это число атомов называется постоянной Авогадро N_А

Молярная масса –  масса вещ-ва, взтого в кол-ве одного моля

Это наименование указывает, что число Авогадро – число  атомов любого вещ-ва, взятого в кол-ве одного моля.

Здесь m₀ – молекулярная масса в а.е.м.

 

R – универсальная газовая постоянная

R показывает величину энергии, которую надо передать одному молю газа, чтобы изменить его температуру на 1 кельвин.

 

Если перевести газ  из одного состояния в другое, то уравнение ид. Газа запишется так:

Это уравнение Клайперона

 

При нормальных условиях, 0⁰С = 273 К и нормальном давлении 760 мм рт ст, т.е. 10⁵ Па, один моль газа занимает объём 22,4 литра или 0,00224 м3. В данном случае

Это верно  для одного моля газа.

Для другого  количества газа надо сначала определить, сколько молей газа дано

И как раз  получается

 

Задачи

1. Каково давление сжатого воздуха, находящегося в баллоне вместимостью  
   20 л при 12⁰С, если масса этого водуха 2 кг?

 

 

 

2. Найти давление 10 л азота, если его темп-ра 20⁰С и масса 15 грамм

 

 

 

3. Найти объём баллона, если температура 2-х граммов водорода в нём 20⁰С, давление 10 атм.

 

 

4. Нати объём, занимаемый газообразным водородм при температуре  10⁰С и нормальном давлении, если масса водорода равна 5 кг.

 

 

 

5. Найти температуру газообразного гелия в сосуде, если известно, что его масса равна 3 г, объём сосуда 21 л, давление гелия 1 атм.

 

 

 

6. Найти массу воздуха объёмом 20м³ при нормальном атмосфером давлении и температуре 10⁰С

 

 

7. (п.т.)Температура воздуха в парилке 90⁰С при нормальном давлении. Сколько получится пара, если на каменку вылили 1 литр воды?

 

 

 

 

Газовые законы

 

Изопроцессы – процессы, которые происходят при неизменном значении одного из термодинамически параметров.

1. Изотермический процесс – это процесс, который происходит при постоянной температуре.  
   Практически его можно подержать, если медленно уменьшать объём газа. Тогда создаются условия для поддержания постоянной темперауры газа вследствие телообмена с окружающей средой. 
   Ещё пример изотермического поцесса:  зависимость объёма маленьких пузырьков воздуха от давления под водой. 
   

Это закон Бойля-Мариотта (первый- англ. уч, торой - француз)