Вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Молекулярная физика - раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе их молекулярного строения.

Тепловое движение - беспорядочное (хаотическое) движение атомов или молекул вещества.

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

Молекулярно-кинетическая теория - теория, объясняющая тепловые явления в макроскопических телах и свойства этих тел на основе их молекулярного строения.

Основные положения молекулярно-кинетической теории:

1. вещество состоит из частиц - молекул и атомов, разделенных промежутками,
2. эти частицы хаотически движутся,
3. частицы взаимодействуют друг с другом.

МАССА И РАЗМЕРЫ МОЛЕКУЛ

Массы молекул и атомов очень малы. Например, масса одной молекулы водорода равна примерно 3,34*10 -27 кг, кислорода - 5,32*10 -26 кг. Масса одного атома углерода m 0C =1,995*10 -26 кг

Относительной молекулярной (или атомной) массой вещества Mr называют отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода:(атомная единица массы).

Количество вещества - это отношение числа молекул N в данном теле к числу атомов в 0,012 кг углерода N A:

Моль - количество вещества, содержащего столько молекул, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода.

Число молекул или атомов в 1 моле вещества называют постоянной Авогадро:

Молярная масса - масса 1 моля вещества:

Молярная и относительная молекулярная массы вещества связаны соотношением: М = М r *10 -3 кг/моль.

СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ

Несмотря на беспорядочный характер движения молекул, их распределение по скоростям носит характер определенной закономерности, которая называется распределением Максвелла.

График, характеризующий это распределение, называют кривой распределения Максвелла. Она показывает, что в системе молекул при данной температуре есть очень быстрые и очень медленные, но большая часть молекул движется с определенной скоростью, которая называется наиболее вероятной. При повышении температуры эта наиболее вероятная скорость увеличивается.

ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ В МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

Идеальный газ - это упрощенная модель газа, в которой:

1. молекулы газа считаются материальными точками,
2. молекулы не взаимодействуют между собой,
3. молекулы, соударяясь с преградами, испытывают упругие взаимодействия.

Иными словами, движение отдельных молекул идеального газа подчиняется законам механики. Реальные газы ведут себя подобно идеальным при достаточно больших разрежениях, когда расстояния между молекулами во много раз больше их размеров.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории можно записать в виде

Скорость называют средней квадратичной скоростью.

ТЕМПЕРАТУРА

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел называется термодинамической системой.

Тепловое или термодинамическое равновесие - такое состояние термодинамической системы, при котором все ее макроскопические параметры остаются неизменными: не меняются объем, давление, не происходит теплообмен, отсутствуют переходы из одного агрегатного состояния в другое и т.д. При неизменных внешних условиях любая термодинамическая система самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.

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

Абсолютный нуль температуры - предельная температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме должно быть равно нулю или должен быть равен нулю объем идеального газа при постоянном давлении.

Термометр - прибор для измерения температуры. Обычно термометры градуируют по шкале Цельсия: температуре кристаллизации воды (таяния льда) соответствует 0°С, температуре ее кипения - 100°С.

Кельвин ввел абсолютную шкалу температур, согласно которой нулевая температура соответствует абсолютному нулю, единица измерения температуры по шкале Кельвина равна градусу Цельсия: [Т] = 1 К (Кельвин).

Связь температуры в энергетических единицах и температуры в градусах Кельвина:

где k = 1,38*10 -23 Дж/К - постоянная Больцмана.

Связь абсолютной шкалы и шкалы Цельсия:

T = t + 273

где t - температура в градусах Цельсия.

Средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре:

Средняя квадратичная скорость молекул

Учитывая равенство (1), основное уравнение молекулярно-кинетической теории можно записать так:

УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

Пусть газ массой m занимает объем V при температуре Т и давлении р , а М - молярная масса газа. По определению, концентрация молекул газа: n = N/V , где N -число молекул.

Подставим это выражение в основное уравнение молекулярно-кинетической теории:

Величину R называют универсальной газовой постоянной, а уравнение, записанное в виде

называют уравнением состояния идеального газа или уравнением Менделеева-Клапейрона. Нормальные условия - давление газа равно атмосферному ( р = 101,325 кПа) при температуре таяния льда ( Т = 273,15 К ).

1. Изотермический процесс

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре называют изотермическим.

Если Т =const, то

Закон Бойля-Мариотта

Для данной массы газа произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется: p 1 V 1 =p 2 V 2 при Т = const

График процесса, происходящего при постоянной температуре, называется изотермой.

2. Изобарный процесс

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении называют изобарным.

Закон Гей-Люссака

Объем данной массы газа при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре:

Если газ, имея объем V 0 находится при нормальных условиях: а затем при постоянном давлении переходит в состояние с температурой Т и объемом V, то можно записать

Обозначив

получим V=V 0 T

Коэффициент называют температурным коэффициентом объемного расширения газов. График процесса, происходящего при постоянном давлении, называется изобарой .

3. Изохорный процесс

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называют изохорным. Ecли V = const , то

Закон Шарля

Давление данной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре:

Если газ, имея объем V 0 ,находится при нормальных условиях:

а затем, сохраняя объем, переходит в состояние с температурой Т и давлением р , то можно записать

График процесса, происходящего при постоянном объеме, называется изохорой .

Пример. Каково давление сжатого воздуха, находящегося в баллоне вместимостью 20 л при 12°С, если масса этого воздуха 2 кг?

Из уравнения состояния идеального газа

определим величину давления.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Уравнение, положенное в основу молекулярно-кинетической теории, связывает макроскопические величины, описывающие (например, давление) с параметрами его молекул (их и скоростями). Это уравнение имеет вид:

Здесь – масса газовой молекулы, – концентрация таких частичек в единице объема, – усреднённый квадрат скорости молекул.

Основное уравнение МКТ наглядно объясняет, каким образом идеальный газ создает на окружающие его стенки сосуда. Молекулы все время ударяются о стенку, воздействуя на нее с некоторой силой F. Тут следует вспомнить : когда молекула ударяется о предмет, на нее действует сила -F, вследствие чего молекула «отбивается» от стенки. При этом мы считаем соударения молекул со стенкой абсолютно упругими: механическая энергия молекул и стенки полностью сохраняется, не переходя во . Это значит, что при соударениях изменяются только молекул, а нагревания молекул и стенки не происходит.

Зная, что соударение со стенкой было упругим, мы можем предсказать, как изменится скорость молекулы после столкновения. Модуль скорости останется таким же, как и до соударения, а направление движения изменится на противоположное относительно оси Ох (считаем, что Ох – это та ось, которая перпендикулярна стенке).

Молекул газа очень много, движутся они хаотично и о стенку ударяются часто. Найдя геометрическую сумму сил, с которой каждая молекула воздействует на стенку, мы узнаём силу давления газа. Чтобы усреднить скорости молекул, необходимо использовать статистические методы. Именно поэтому в основном уравнении МКТ используют усредненный квадрат скорости молекул , а не квадрат усредненной скорости : усредненная скорость хаотично движущихся молекул равна нулю, и в этом случае никакого давления мы бы не получили.

Теперь ясен физический смысл уравнения: чем больше молекул содержится в объеме, чем они тяжелее и чем быстрее движутся – тем большее давление они создают на стенки сосуда.

Основное уравнение МКТ для модели идеального газа

Следует заметить, что основное уравнение МКТ выводилось для модели идеального газа с соответствующими допущениями:

1. Соударения молекул с окружающими объектами абсолютно упругие. Для реальных же газов это не совсем так; часть молекул всё-таки переходит во внутреннюю энергию молекул и стенки.
2. Силами взаимодействия между молекулами можно пренебречь. Если же реальный газ находится при высоком давлении и сравнительно низкой температуре, эти силы становятся весьма существенными.
3. Молекулы считаем материальными точками, пренебрегая их размером. Однако размеры молекул реальных газов влияют на расстояние между самими молекулами и стенкой.
4. И, наконец, основное уравнение МКТ рассматривает однородный газ – а в действительности мы часто имеем дело со смесями газов. Как, например, .

Однако для разреженных газов это уравнение дает очень точные результаты. Кроме того, многие реальные газы в условиях комнатной температуры и при давлении, близком к атмосферному, весьма напоминают по свойствам идеальный газ.

Как известно из законов , кинетическая энергия любого тела или частицы . Заменив произведение массы каждой из частичек и квадрата их скорости в записанном нами уравнении, мы можем представить его в виде:

Также кинетическая энергия газовых молекул выражается формулой , что нередко используется в задачах. Здесь k – это постоянная Больцмана, устанавливающая связь между температурой и энергией. k=1,38 10 -23 Дж/К.

Основное уравнение МКТ лежит в основе термодинамики. Также оно используется на практике в космонавтике, криогенике и нейтронной физике.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Определить скорость движения частиц воздуха в нормальных условиях.
Решение	Используем основное уравнение МКТ, считая воздух однородным газом. Так как воздух на самом деле – это смесь газов, то и решение задачи не будет абсолютно точным. Давление газа: Можем заметить, что произведение – это газа, так как n – концентрация молекул воздуха (величина, обратная объему), а m – масса молекулы. Тогда предыдущее уравнение примет вид: В нормальных условиях давление равно 10 5 Па, плотность воздуха 1,29кг/м 3 – эти данные можно взять из справочной литературы. Из предыдущего выражения получим молекул воздуха:
Ответ	м/с

ПРИМЕР 2

Задание	Определить концентрацию молекул однородного газа при температуре 300 К и 1 МПа. Газ считать идеальным.
Решение	Решение задачи начнём с основного уравнения МКТ: , как и любых материальных частичек: . Тогда наша расчетная формула примет несколько другой вид:

Размер: px

Начинать показ со страницы:

Транскрипт

1 48 Лекция 8. Уравнение состояния идеального газа и основное уравнение МКТ гл.8, 4-4 План лекции. Основные положения и основные понятия МКТ.. Уравнение состояния идеального газа. Опытные газовые законы.. Основное уравнение МКТ идеальных газов.. Основные положения и основные понятия МКТ. Существуют два основных метода описания физических явлений и построения соответствующих теорий:) молекулярно-кинетический (статистический);) термодинамический. Молекулярно-кинетический метод рассматривает свойства физических объектов как суммарный результат действия всех молекул. Поведение отдельной молекулы анализируется на основе законов классической механики, и полученные результаты распространяются на совокупность большого числа молекул с помощью статистического метода, использующего законы теории вероятности. Это возможно, поскольку движение каждой молекулы хотя и проходит по законам классической механики, но является случайным, т.к. скорости молекул подчиняются законам теории вероятности. Чем больше частиц в системе, тем лучше совпадают выводы статистической теории с результатами эксперимента. Преимущество метода - ясная картина механизма рассматриваемого явления. Недостаток - выводы МК теории являются результатом усреднения, поэтому являются приближенными. Термодинамический метод основывается на введении понятия энергии и рассматривает все процессы с энергетической точки зрения, основываясь на законах сохранения и превращения энергии из одного вида в другой. Молекулярная физика - раздел физики, изучающий строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетической теории. Идея об атомном строении вещества высказана древнегреческим философом Демокритом (4 г до н.э.). Как научная гипотеза теория атомизма возрождается в XII веке и развивается в работах Ломоносова (8 век), объяснившего тепловые явления как результат движения мельчайших частиц вещества. Основные положения МКТ базируются на ряде опытных данных и наблюдений (диффузия, броуновское движение).. Все вещества состоят из атомов или молекул.. Атомы всех веществ находятся в беспрестанном хаотическом движении.. Атомы (или молекулы) всех веществ взаимодействуют между собой. Диффузия - явление проникновения молекул одного вещества между молекулами другого при их соприкосновении. Броуновское движение хаотическое движение взвешенных в жидкости или газе частиц.

2 49 Молекула - мельчайшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. 6 кг, d м. Молекулярная масса - масса одной молекулы, измеряется в а.е.м. Введем понятие моля вещества. вещество масса м-лы (а.е.м.) масса вещества (г) число молекул Н 6, С 6, О 6, СО, моль - это количество вещества, в котором содержится столько молекул, сколько их содержится в г 6 С (основная единица СИ). Число Авогадро А - это число молекул, содержащихся в одном моле любого вещества. Молярная масса - масса одного моля. кг н, А 6, моль моль, число молей вещества, число молекул вещества.. Уравнение состояния идеального газа. Опытные газовые законы. В МКТ используют идеализированную модель идеального газа. Идеальный газ - это газ, молекулы которого можно рассматривать как материальные точки, а их взаимодействие носит характер абсолютно упругого удара. (при низком р и высокой Т реальные газы приближаются к идеальным). Состояние некоторой массы газа определяется тремя термодинамическими параметрами: р,. Давление газа представляет собой результат ударов молекул газа о стенки сосуда, в котором газ находится. [р]=па, = м. В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (96 г.) применяют две температурные шкалы - термодинамическую (Кельвина) и Международную практическую (Цельсия). За С принята температура замерзания воды при р= атм. За К принята температура, при которой должно прекратиться хаотическое движение молекул. Анализ различных процессов показывает, что К недостижим, хотя приближение к нему сколь угодно близко возможно. Градус Кельвина равен градусу Цельсия. Т= tс+ 7, t. Между параметрами газа существует определенная связь, называемая уравнением состояния. Уравнение, связывающее параметры состояния идеального газа, называется уравнением состояния идеального газа или уравнением Клапейрона: const. ()

3 5 Для данной массы идеального газа отношение произведения давления на объем к абсолютной температуре есть величина постоянная. Определим значение константы для определенного количества идеального газа, а именно для одного моля. Согласно закону Авогадро моль любого газа при нормальных условиях (Т =7 К, р = 5 Па) имеет М =,4 - м. Для одного моля 5, Па,4 м / моль Дж 8, ; 7K моль K Дж R 8, - молярная газовая постоянная. моль K Для произвольной массы газа, R, R, R уравнение Менделеева-Клапейрона уравнение состояния идеального газа произвольной массы. Уравнение () объединяет в себе три частных случая, три эмпирических закона для изопроцессов, т.е. процессов, при которых один из параметров остается постоянным.. Т= const изотермический процесс, или const - закон Бойля-Мариотта: для данной массы идеального газа при Т= const произведение давления на объем есть величина постоянная. Графики зависимости между параметрами состояния газа при Т=const представлены на рис... р= const изобарный процесс, или const - закон Гей-Люссака: для данной массы идеального газа при р=const объем прямо пропорционален абсолютной температуре. Рис. Графики зависимости между параметрами состояния газа при р=const представлены на рис... =const изохорный процесс, или const - закон Шарля: для данной массы идеального газа при =const дав Рис. Рис.

4 5 ление прямо пропорционально абсолютной температуре. Графики зависимости между параметрами состояния газа при =const представлены на рис.. ленных столкновений молекул газа со стенками. Средняя сила, возникающая от совокупного действия всех молекул газа, определяет давление газа. Представим себе сосуд в виде прямоугольного параллелепипеда, в котором содержится идеальный газ (рис.4). Вычислим давление газа на одну из стенок сосуда площадью. Рассмотрим удар одной молекулы, которая до удара двигалась перпендикулярно стенке. Согласно закону сохранения импульса Y Z C, C, c t Рис. 4,. Основное уравнение МКТ идеальных газов. Основное уравнение МКТ связывает параметры состояния газа с характеристиками движения его молекул. Давление газа на стенки сосуда есть следствие бесчис- C C C C изменение импульса стенки вследствие удара одной молекулы. За время t площадки достигнут только те молекулы, которые заключены в объеме параллелепипеда с основанием и высотой t. Необходимо учитывать, что реально молекулы движутся к площадке под разными углами. Для упрощения расчетов хаотическое движение молекул заменяют движением вдоль трѐх взаимно перпендикулярных направлений, так что вдоль каждого из них движется / молекул, причем половина молекул (/6) движется вдоль данного направления в одну сторону, половина - в противоположную. n n t, 6 6 n концентрация молекул, их число в единице объема. За время t изменение импульса стенки составит C n t n t 6 Т.к. F, t F n - сила, с которой молекулы воздействуют на стенку, а давление, обусловленное этой силой, т.е. давление газа, равно X с F n. ()

5 5 Если в объеме содержится молекул, движущихся со скоростями,..., то целесообразно рассматривать среднюю адратичную скорость, характеризующую всю совокупность молекул газа: Уравнение () и учетом () примет вид: где молекулы..... () n - основное уравнение МКТ. n n - средняя кинетическая энергия поступательного движения одной Поскольку n,. Выразим через параметры газа. Для этого сопоставим уравнение Менделеева-Клапейрона и уравнение МКТ. где k R R, n, n R, т.к., n, R R k, n Дж Дж,8 K K k. 8, - постоянная Больцмана; 6, Таким образом, абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии молекул. Получим ещѐ одно выражение для давления: n n k nk.

Законы идеального газа Молекулярно-кинетическая теория Статическая физика и термодинамика Статическая физика и термодинамика Макроскопические тела - это тела, состоящие из большого количества молекул Методы

Лекция 11 Кинетическая теория идеальных газов. Давление и температура. Опытные законы идеального газа. Молекулярно - кинетическая теория раздел физики, изучающий свойства вещества на основе представлений

Урок 9 (.11.017) Основы МКТ. Уравнение Менделеева-Клапейрона. Вывод основного уравнения МКТ. 1. Экспериментальные данные о строении вещества. Броуновское движение английский ботаник Р.Броун, 187 г. Идея:

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции: 1. Техническая термодинамика (основные положения и определения) 2. Внутренние параметры состояния (давление, температура, плотность). Понятие о термодинамическом

ФИЗИКО--ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Кафедра «Общая и теоретическая физика» Потемкина С.Н. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 7 ПРОВЕРКА ЗАКОНА БОЙЛЯ-МАРИОТТА Тольятти 7 Содержание. Цель работы...3. Приборы

Лекция 3 Основное уравнение молекулярно кинетической теории газов 1. Постоянная Больцмана. 2. Уравнение Клапейрона Менделеева. 3. Универсальная газовая постоянная. 4. Газовые законы. 5. Измерение температуры

КАРТА СХЕМА ПРОРАБОТКИ ТЕМЫ ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ Общая характеристика идеального газа: молекулярно кинетический и термодинамический подходы. Определение идеального газа. Параметры состояния. Основные

Элементы молекулярнокинетической теории газов Лекция 6.1. Термодинамика и статистическая физика Два тесно взаимосвязанных раздела физики, изучающие наиболее общие свойства макроскопических физических систем

ТЕПЛОФИЗИКА План лекции: 1. Термодинамика (основные положения и определения) 2. Внутренние параметры состояния (давление, температура, плотность). Уравнение состояния идеального газа 4. Понятие о термодинамическом

«МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ». Основные положения МКТ (молекулярно-кинетической теории): Все тела состоят из молекул; Молекулы движутся (беспорядочно, хаотически броуновское движение); Молекулы взаимодействуют

98. Молекулярная физика и термодинамика.1. Вопросы программы Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование. Броуновское движение. Масса и размер молекул. Моль вещества. Постоянная

ТЕРМОДИНАМИКА Лекция План лекции:. Основные положения и определения термодинамики (термодинамическая система, термодинамический процесс, параметры состояния) 2. Внутренние параметры состояния (давление,

Лекция 3 Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов. Постоянная Больцмана. Температура и давление как статистические величины. Одной из особенностей физики является использование абстракций

Лекция 4 Основные положения молекулярнокинетической теории строения вещества. Термодинамические системы. Энтропия. Все вещества состоят из атомов и молекул. Атом наименьшая структурная единица химического

Лекция 4 (8.4.5) Работа газа при различных процессах. В предыдущих лекциях мы получили, что общая формула для работы, которую выполняет газ, имеет вид A d. () Геометрический смысл этой формулы состоит

Лекция 6 Молекулярная физика (часть I) I Краткие исторические сведения С давних пор человек задавался вопросом: Из чего состоят предметы, сам я? Гипотезы выдвигались самые разные - от наивных, до гениальных,

Итоговый тест, Машиноведение (Теплотехника) 1. Идеальный газ отдал количество теплоты 300 Дж и при этом внутренняя энергия газа уменьшилась на 100 Дж. Работа, совершенная газом, равна 1) 400 Дж 2) 200

А. А. Киндаев, Т. В. Ляпина, Н. В. Паскевич ГОТОВИМСЯ К ЭКЗАМЕНУ ПО ФИЗИКЕ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА Пенза 2010 ВВЕДЕНИЕ Молекулярная физика и термодинамика 1 разделы физики, посвящённые изучению

Лекция 1 Введение. Предмет молекулярной физики. Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ) вещества и их экспериментальное обоснование. Статистический и термодинамический подходы к изучению

Основы термодинамики и молекулярной физики Термодинамический и статический методы исследования. Уравнение состояния. Идеальный газ. Уравнение молекулярно-кинетической теории для давления газа. 4 Внутренняя

Молекулярная физика Молекулярно-кинетическая теория Молекулярно-кинетическая теория объясняет строение и свойства тел движением и взаимодействием атомов молекул и ионов из которых состоят тела. В основании

БЛОК 4 «МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ». Основные положения МКТ (молекулярно-кинетической теории): Все тела состоят из молекул; Молекулы движутся (беспорядочно, хаотически броуновское движение); Молекулы

9.11 Энергия связи системы Пусть тело с массой покоя М 0 состоит из N частей с массами покоя m 0i (i=1,n). Энергия покоя такого тела слагается из энергий покоя частей, кинетических энергий частей относительно

1 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА Основные положения и определения Два подхода к изучению вещества Вещество состоит из огромного числа микрочастиц - атомов и молекул Такие системы называют макросистемами

Лекция 4 Кинетическая теория идеальных газов. Давление и температура. Опытные законы идеального газа. Основное уравнение молекулярнокинетической теории газов. Адиабатический процесс. Термодинамика Термодинамика

Сафронов В.П. 1 ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ - 1 - ЧАСТЬ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ Глава 8 ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ 8.1. Основные понятия и определения Опытное

Лекция 10 Изопроцессы. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Работа и теплота в изопроцессах. Нурушева Марина Борисовна старший преподаватель кафедры физики 03 НИЯУ МИФИ Уравнение Менделеева

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА ЛЕКЦИЯ 1 Основные понятия молекулярной физики Молекулярно-кинетическая теория идеального газа Основные понятия молекулярной физики. Статистический и термодинамический методы исследования

ЛЕКЦИЯ 4 Уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоянная. Основные газовые законы. Уравнения, полученные на основе МКТ, позволяют найти соотношения, которые связывают между собой

Генкин Б.И. Элементы содержания, проверяемые на ЕГЭ по физике. Пособие для повторения учебного материала. Санкт-Петербург: htt://auditori-um.ru, 2012 2.1 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА Молекулярная физика наука о

Основы молекулярно-кинетической теории Молекулярная физика это раздел физики, изучающий строение и свойства вещества в различных агрегатных состояниях, исходя из молекулярно-кинетических представлений.

Теоретическая справка к лекции 3 Основы молекулярно-кинетической теории (МКТ) Газы принимают форму сосуда и полностью заполняют объѐм, ограниченный непроницаемыми для газа стенками Стремясь расшириться,

Физико-технический факультет Теория: Молекулярная физика. Термодинамика Шимко Елена Анатольевна к.п.н., доцент кафедры общей и экспериментальной физики АлтГУ, председатель краевой предметной комиссии по

Министерство образования и науки Российской Федерации ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА ВБЛИЗИ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ Методические указания Иркутск 24 Печатается по решению

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Введение. Основные положения термодинамики (термодинамическая система, термодинамический процесс). Параметры состояния (давление, температура, плотность) 4. Уравнение

5 Лекция 9 Распределения Максвелла и Больцмана Явления переноса гл8 4-48 План лекции Закон Максвелла о распределении молекул по скоростям Характерные скорости молекул Распределение Больцмана Средняя

63 Лекция Основы термодинамики гл 9 5-54 План лекции Основные понятия термодинамики Число степеней свободы молекулы Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы 3 Внутренняя энергия

План лекции: ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА Лекция 2. Уравнение состояния идеального газа 2. Уравнение состояния реальных газов и жидкостей 3. Газовые смеси. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА Как известно,

Министерство образования Российской Федерации Уральский государственный технический университет - УПИ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА СТАТИСТИКА МАКСВЕЛЛА-БОЛЬЦМАНА для студентов всех форм

Итоговый тест, Машиноведение (Теплотехника) (3181) 3. (61c.) Величина, соответствующая порядку значения массы молекулы элемента или соединения 1) 10 27 кг. 2) 10-27 кг. 3) 10 27 г. 4) 10 10 кг. 4. (61c.)

Общая физика Лекция 9 Молекулярная физика Трушин Олег Станиславович Зав. лаб. ЯФ ФТИАН РАН, Доц. каф. нанотехнологии в электронике ЯрГУ План лекции Статистическая физика и термодинамика Масса и размеры

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО- КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ Для характеристики масс атомов и молекул пользуются относительной атомной массой элемента и относительной молекулярной массой вещества. Относительной

Вариант 1. 1. Можно ли использовать статистические методы при изучении поведения микроскопических тел? Почему? 2. Может ли единичная молекула находиться в состоянии термодинамического равновесия? 3. Если

Лекция 1 Предмет молекулярной физики 1. Термодинамический и статистический подходы к изучения макроскопических систем. 2. Основные положения молекулярно кинетической теории вещества. 3. Экспериментальное

Сегодня среда, 9 июля 014 г. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ Лекция Содержание лекции: *Основное уравнение кинетической теории газов *Средняя кинетическая энергия молекул * Скорости газовых молекул *Средняя

2.1. Основные положения молекулярно-кинетической теории Основные законы и формулы Для характеристики масс атомов и молекул используются величины, получившие название относительной атомной массы элемента

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ухтинский государственный технический университет» (УГТУ) 87 ЗАКОНЫ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА Закон Бойля

Температура 1. Термометрическое вещество и термометрическая величина (свойство). 2. Температура и давление 3. Постоянная Больцмана. Температура 2 m0 < v кв > p = n Из уравнения 3 2 следует, что давление

Лекция 6. Основные понятия и принципы молекулярно-кинетической теории. Газовые законы. Графическое представление тепловых процессов к.ф.-м.н. С.Е.Муравьев. Основные понятия и принципы молекулярнокинетической

И. В. Яковлев Материалы по физике MathUs.ru Изопроцессы Темы кодификатора ЕГЭ: изопроцессы изотермический, изохорный, изобарный процессы. На протяжении этого листка мы будем придерживаться следующего предположения:

Величина, её определение Обозначение Справочник формул Единица измерения Формула Величины в формуле. Концентрация вещества - это физическая величина, которая показывает число частиц в м n /м n=. Молярная

РАБОТА 2 ИЗУЧЕНИЕ ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СЖАТИЯ И РАСШИРЕНИЯ ВОЗДУХА Цель работы: проверить выполнение закона Бойля-Мариотта при изотермических процессах. Введение Термодинамика имеет дело с термодинамической

Лекция. Следствия из преобразований Лоренца Лоренцево сокращение длины Замедление течения времени. Релятивистскаядинамика 3. Основы молекулярной физики Модель идеального газа, уравнение состояния идеального

Кузьмичев Сергей Дмитриевич 1 Содержание лекции 1 1. Термодинамика и молекулярно-кинетическая теория (статистическая физика). 2. Система, микро- и макроскопическое состояние, термодинамическое равновесие,

Молекулярная физика.. Какая из приведенных формул выражает число молекул в данной массы газа? p N a А) M m B) N M A N m C) A M m N D) A M V E) n V 2. Какие графики на рисунках представляют изобарный процесс

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИТСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра физики А.М. Кириллов ФИЗИКА В ОПОРНЫХ КОНСПЕКТАХ И ПРИМЕРАХ

Газовые законы. Уравнение Клапейрона Менделеева (Лекция 1а, 2015-2016 учебный год) Температура и способы ее измерения Из повседневного опыта каждый знает, что бывают тела горячие и холодные. Опыты и наблюдения

Лекция 6 Лукьянов И.В. Явления переноса в газах. Содержание: 1. Длина свободного пробега молекул. 2. Распределение молекул по длинам свободного пробега. 3. Диффузия. 4. Вязкость газа (внутреннее трение).

Газовые законы определяют количественные зависимости между двумя параметрами газа при неизменном значении третьего. Газовые законы справедливы для любых газов и газовых смесей. Состояние данной массы газа

Знакомство учащихся средней школы со структурой развитой физической теории при повторении и обобщении изученного материала Стерелюхин А.И., Фёдоров В.А. (ТГУ им. Г.Р. Державина) В методологии научного

Тема 8. Основы МКТ строения вещества 1.Основные положения МКТ МКТ - это теория, которая объясняет тепловые явления в макроскопических телах на основе представлений о том, что все тела состоят из непрерывно

Термодинамика и молекулярная физика Макросистемы статистический метод термодинамический метод статистическая физика молекулярная физика МКТ термодинамика Термодинамика и молекулярная физика Законы идеальных

3.. Работа и количество тепла. 3... Работа внешних сил и работа тела. Запишем работу da, совершаемую внешней силой -F x (минус означает, что внешняя сила направлена против внутренних сил давления газа)

КЛ 2 Вариант 1 1. Сформулировать принцип относительности Галилея. 2. Кинетическая энергия релятивистской частицы. Записать формулу, пояснить 3. Записать формулу для среднеквадратичной скорости броуновской

Дистанционная подготовка bituru ФИЗИКА Статья 9 Модель идеального газа Теоретический материал В этой статье мы рассмотрим элементы молекулярно-кинетической теории (далее МКТ) Напомним основные формулы,

Лабораторная работа.8 ПРОВЕРКА ЗАКОНА БОЙЛЯ-МАРИОТТА И.А. Анищенко, А.Ю. Пыркин Цель работы: проверка выполнения закона Бойля-Мариотта для воздуха при комнатной температуре. Задание: измерить давление

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Основы молекулярной физики и термодинамики

Статистический и термодинамический методы исследования. Молекулярная фи­зика и термодинамика - разделы физики, в которых изучаются макроскопические

процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул. Для исследования этих про­цессов применяют два качественно раз­личных и взаимно дополняющих друг дру­га метода: статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический. Пер­вый лежит в основе молекулярной физики, второй - термодинамики.

Молекулярная физика - раздел физи­ки, изучающий строение и свойства ве­щества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении.

Идея об атомном строении вещества высказана древнегреческим философом Демокритом (460-370 до н. э.). Атомисти­ка возрождается вновь лишь в XVII в. и развивается в работах М. В. Ломоно­сова, взгляды которого на строение ве­щества и тепловые явления были близки к современным. Строгое развитие молеку­лярной теории относится к середине XIX в. и связано с работами немецкого физика Р.Клаузиуса (1822-1888), ан­глийского физика Дж. Максвелла (1831 - 1879) и австрийского физика Л. Больцма­на (1844-1906).

Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокуп­ного действия огромного числа молекул. Законы поведения огромного числа моле­кул, являясь статистическими закономер­ностями, изучаются с помощью статисти­ческого метода. Этот метод основан на

том, что свойства макроскопической систе­мы в конечном счете определяются свой­ствами частиц системы, особенностями их движения и усредненными значениями ди­намических характеристик этих частиц (скорости, энергии и т.д.). Например, температура тела определяется скоростью беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, то она может быть выражена только через среднее значение скорости движения мо­лекул. Нельзя говорить о температуре од­ной молекулы. Таким образом, макроско­пические характеристики тел имеют физи­ческий смысл лишь в случае большого числа молекул.

Термодинамика - раздел физики, изу­чающий общие свойства макроскопиче­ских систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и про­цессы перехода между этими состояниями. Термодинамика не рассматривает микро­процессы, которые лежат в основе этих превращений. Этим термодинамический метод отличается от статистического. Термодинамика базируется на двух на­чалах - фундаментальных законах, уста­новленных в результате обобщения опыт­ных данных.

Область применения термодинамики значительно шире, чем молекулярно-кинетической теории, ибо нет таких областей физики и химии, в которых нельзя было бы пользоваться термодинамическим мето­дом. Однако, с другой стороны, термодинамический метод несколько огра­ничен: термодинамика ничего не говорит о микроскопическом строении вещества, о механизме явлений, а лишь устанавли­вает связи между макроскопическими

свойствами вещества. Молекулярно-кинетическая теория и термодинамика взаимно дополняют друг друга, образуя единое целое, но отличаясь различными методами исследования.

Термодинамика имеет дело с термоди­намической системой - совокупностью макроскопических тел, которые взаимо­действуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Основа термодинами­ческого метода - определение состояния термодинамической системы. Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами состояния) - совокупностью физических величин, ха­рактеризующих свойства термодинамиче­ской системы. Обычно в качестве парамет­ров состояния выбирают температуру, давление и удельный объем.

Температура - одно из основных по­нятий, играющих важную роль не только в термодинамике, но и в физике в целом. Температура - физическая величина, ха­рактеризующая состояние термодинами­ческого равновесия макроскопической системы. В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960) в настоящее время можно применять только две температурные шка­лы - термодинамическую и Международ­ную практическую, градуированные соот­ветственно в Кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°С).

В Международной практической шка­ле температура замерзания и кипения во­ды при давлении 1,013 10 5 Па соответ­ственно 0 и 100 °С (так называемые реперные точки).

Термодинамическая температурная шкала определяется по одной реперной точке, в качестве которой взята тройная точка воды (температура, при которой лед, вода и насыщенный пар при давле­нии 609 Па находятся в термодинамиче­ском равновесии). Температура этой точки по термодинамической шкале равна 273,16 К, (точно). Градус Цельсия равен Кельвину. В термодинамической шкале температура замерзания воды равна 273,15 К (при том же давлении, что и в Международной практической шкале), поэтому, по определению, термодинамиче­ская температура и температура по Меж­дународной практической шкале связаны соотношением T=273,15+t. Температура T=0 называется нулем кельвин. Анализ различных процессов показывает, что 0 К недостижим, хотя приближение к нему сколь угодно близко возможно.

Удельный объем v - это объем едини­цы массы. Когда тело однородно, т. е. его плотность =const, то v= V/m= 1/. Так как при постоянной массе удельный объем пропорционален общему объему, то мак­роскопические свойства однородного тела можно характеризовать объемом тела.

Параметры состояния системы могут изменяться. Любое изменение в термоди­намической системе, связанное с измене­нием хотя бы одного из ее термодинамиче­ских параметров, называется термодина­мическим процессом. Макроскопическая система находится в термодинамическом равновесии, если ее состояние с течением времени не меняется (предполагается, что внешние условия рассматриваемой систе­мы при этом не изменяются).

Глава 8

Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов

§ 41. Опытные законы идеального газа

В молекулярно-кинетической теории поль­зуются идеализированной моделью идеаль­ного газа, согласно которой:

1) собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда;

2) между молекулами газа отсутству­ют силы взаимодействия;

3) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.

Модель идеального газа можно ис­пользовать при изучении реальных газов, так как они в условиях, близких к нор-

мальным (например, кислород и гелий), а также при низких давлениях и высоких температурах близки по своим свойствам к идеальному газу. Кроме того, внеся по­правки, учитывающие собственный объем молекул газа и действующие молекуляр­ные силы, можно перейти к теории реаль­ных газов.

Опытным путем, еще до появления молекулярно-кинетической теории, был уста­новлен целый ряд законов, описывающих поведение идеальных газов, которые мы и рассмотрим.

Закон Бойля - Мариотта : для дан­ной массы газа при постоянной температу­ре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная:

pV = const (41.1) при Т= const, m =const.

Кривая, изображающая зависимость меж­ду величинами р и V, характеризующими свойства вещества при постоянной темпе­ратуре, называется изотермой. Изотермы представляют собой гиперболы, располо­женные на графике тем выше, чем выше температура, при которой происходит про­цесс (рис. 60).

Закон Гей-Люссака : 1) объем дан­ной массы газа при постоянном давлении изменяется линейно с температурой:

V=V 0 (1+  t) (41.2) при p = const, m = const;

2) давление данной массы газа при по­стоянном объеме изменяется линейно с температурой:

p = p 0 (1+  t) (41.3) при V =const, m =const.

В этих уравнениях t - температура по шкале Цельсия, р 0 и V 0 - давление и объем при 0°С, коэффициент =1/273,15 К -1 .

Процесс, протекающий при постоян­ном давлении, называется изобарным. На диаграмме в координатах V, t (рис.61) этот процесс изображается прямой, на­зываемой изобарой. Процесс, протекаю­щий при постоянном объеме, называется изохорным. На диаграмме в координатах р, t (рис. 62) он изображается прямой, называемой изохорой.

Из (41.2) и (41.3) следует, что изо­бары и изохоры пересекают ось темпера­тур в точке t =-1/=-273,15 °С, опре­деляемой из условия 1+t=0. Если сместить начало отсчета в эту точку, то происходит переход к шкале Кельвина (рис. 62), откуда

T=t+ 1/  .

Вводя в формулы (41.2) и (41.3) термодинамическую температуру, законам Гей-Люссака можно придать более удоб­ный вид:

V=V 0 (1+  t)=V 0 = v 0  t ,

p=p 0 (1+  t)=p 0 =р 0  Т, или

V 1 /V 2 = T 1 /T 2 (41.4)

при p = const, m = const,

р 1 /р 2 = T 1 /T 2 (41.5) при V =const, m =const,

где индексы 1 и 2 относятся к произволь­ным состояниям, лежащим на одной изо­баре или изохоре.

Закон Авогадро : моли любых газов при одинаковых температуре и давлении занимают одинаковые объемы. При нор­мальных условиях этот объем равен 22,41 10 -3 м 3 /моль.

По определению, в одном моле различ­ных веществ содержится одно и то же число молекул, называемое постоянной Авогадро:

n а = 6,022 10 23 моль -1 .

Закон Дальтона : давление смеси идеальных газов равно сумме парциаль­ных давлений входящих в нее газов, т. е.

p=p 1 +p 2 +... + p n ,

где p 1 ,p 2 , ..., p n -парциальные давле­ния - давления, которые оказывали бы газы смеси, если бы они одни занимали объем, равный объему смеси при той же температуре.

Молекулярная физика и термодинамика - разделы физики, в которых изучаются макроскопические (параметры) процессы в телах, связанные с огромным числом атомов и молекул, содержащихся в телах.

Для исследования этих процессов применяют два метода: статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический.

Молекулярная физика изучает строение и свойства вещества, исходя из молекулярно – кинетических представлений, основывающихся на том что:

1) все тела состоят из молекул

2) молекулы непрерывно и беспорядочно движутся

3) между молекулами существуют силы притяжения и отталкивания - межмолекулярные силы .

Статистический метод основан на том, что свойства макроскопической системы определяются, в конечном счете, свойствами частиц системы.

Термодинамика – изучает общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями и не рассматривает микропроцессы, которые лежат в основе этих превращений. Этим термодинамический метод отличается от статистического метода. Основа термодинамического метода – определение состояния термодинамической системы.

Термодинамическая система – совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией между собой и внешней средой.

Состояние системы задается термодинамическими параметрами: p, V, T.

Применяют две шкалы температуры: Кельвина и Цельсия.

T = t + 273 0 - связь между температурами t и Т

где t - измеряется в Цельсиях 0 С ; Т - измеряется в кельвинах К.

В молекулярно – кинетической теории пользуются моделью идеального газа, согласно которой:

Собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда

Между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия

Столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.

Состояние идеального газа характеризуется 3 параметрами: p, V, T.

- уравнение Менделеева - Клайперона

или уравнение состояния идеального газа

здесь: - количество вещества [моль ]

R = 8,31 - универсальная газовая постоянная

Опытным путем был установлен целый ряд законов, описывающих поведение идеальных газов.

Рассмотрим эти законы:

1) T – const – изотермический процесс

р

T –растет pV = const -

закон Бойля – Мариотта

2) p = const - изобарный процесс

p 2 -const - закон Гей - Люссака

p 1 p 2

p 1 >p 2

3) V – const – изохорный процесс

р

V 1 - закон Шарля

V 1 >V 2

4) Закон Авогадро : моли любых газов при одинаковой температуре и давлении имеют одинаковые объемы.

При нормальных условиях: V = 22,4×10 -3 м 3 /моль

В 1 моле различных веществ содержится одно и то же число молекул, называемое постоянной Авогадро

N A = 6,02×10 23 моль -1

5) Закон Дальтона : давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений, входящих в нее газов.

p = p 1 + p 2 + . . . + p n – закон Дальтона

где p 1 , p 2 , . . . p n – парциальные давления.

- постоянная Больцмана k = 1,38 ×10 -23 Дж/К

При одинаковых температурах и давлении все газы в единице объема содержат одинаковое число молекул.

Число молекул, содержащихся, в 1м 3 газа при нормальных условиях называется числом Лошмидта N L = 2,68×10 25 м 3

Нормальные условия: р 0 = 1,013×10 3 Па

V 0 = 22,4×10 -3 м 3 /моль

Т 0 = 273 К

R = 8,31 Дж/мольК

На основе использования основных положений молекулярно-кинетической теории было получено уравнение, которое позволяет вычислить давление газа, если известны m - масса молекулы газа, среднее значение квадрата скорости u 2 и концентрация n молекул.

Тогда - первое следствие из основного уравнения МКТ

- концентрация молекул

Температура – есть мера средней кинетической энергии молекул.

Тогда - второе следствие из основного уравнения МКТ

Теперь запишем - среднюю квадратичную скорость движения молекул

Средняя арифметическая скорость движения молекул определяется по формуле

Молекулы, беспорядочно двигаясь, непрерывно сталкиваются друг с другом. Между двумя последовательными столкновениями молекулы проходят некоторый путь, который называется длиной свободного пробега .

Длина свободного пробега все время меняется, поэтому следует говорить о средней длине свободного пробега , как о среднем пути, проходимом молекулой между двумя последовательными соударениями