Молекулярная физика и тепловые явления

Молекулярная физика. Тепловые явления.

Подсказка купить шарики маленькие

Рассматриваемые вопросы:

1. Основы молекулярно-кинетической теории.

2. Температура. Энергия теплового движения молекул .

3. Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы.

4. Взаимные превращения жидкостей и газов.

5. Твердые тела .

6. Основы термодинамики.

Основы МКТ

• Основные положения МКТ
• Молекулярно-кинетическая теория
• Масса и размеры молекул
• Количество вещества
• Строение газов, жидкостей и твердых тел
• Идеальный газ
• Среднее значение квадрата скорости молекул
• Основное уравнение МКТ

Температура и энергия теплового движения молекул

• Температура и тепловое равновесие
• Температура – мера средней кинетической энергии молекул
• Скорости молекул

Уравнение состояния идеального газа

• Уравнение Менделеева-Клапейрона
• Газовые законы

• Изотермический процесс Изобарный процесс Изохорный процесс
• Изотермический процесс
• Изобарный процесс
• Изохорный процесс

Взаимные превращения жидкостей и газов

• Насыщенный пар
• Испарение и кипение
• Влажность воздуха
• Измерение влажности

Твердые тела

• Закон Гука
• Кристаллические тела
• Аморфные тела

Основы термодинамики

• Внутренняя энергия
• Работа в термодинамике
• Количество теплоты
• Первый закон термодинамики и его применение к различным процессам
• Тепловые двигатели

Основные положения МКТ

1. Все вещества состоят из молекул

2. Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном движении

3. Между молекулами действуют силы взаимного притяжения и отталкивания

Молекулярно-кинетическая теория

• МКТ объясняет свойства макроскопических тел и тепловых процессов, на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных, беспорядочно движущихся частиц.
• Макроскопические тела – тела, состоящие из большого количества частиц.
• Микроскопические тела – тела, состоящие из малого количества частиц.

Броуновское движение

Броуновское движение - это тепловое движение взвешенных частиц в жидкости (или газе). Броуновское движение  стало  доказательством  непрерывного и хаотичного  (теплового) движения молекул вещества. - открыто английским ботаником  Р. Броуном в 1827 г. -  дано теоретическое объяснение на основе МКТ А. Эйнштейном в 1905 г. - экспериментально подтверждено  франц. физиком Ж. Перреном.

Траектория броуновской частицы

Броуновское движение

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

Масса и размеры молекул

Оценка размера молекулы

Оценка массы молекулы

Подсказка шарики, связанные верёвкой на поверхности воды.

Масса и размеры молекул

В 1 г воды содержится 3,7 * 10 22 молекул.

Массы молекул в макроскопических масштабах чрезвычайно малы.

Масса и размеры молекул

этанол

кофе

Масса и размеры молекул

1961 год

Относительной молекулярной (или атомной) массой вещества (М r ) называют отношение массы молекулы (или атома) m 0 данного вещества к 1/12 массы атома углерода m 0C .

Количество вещества

Количество вещества наиболее естественно было бы измерять числом молекул или атомов в теле. Но число частиц в любом макроскопическом теле так велико, что в расчетах используют не абсолютное число частиц, а относительное.

Один моль – это количество вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов, сколько содержится в углероде массой 12 г.

Количество вещества

В 1 моле любого вещества содержится одно и то же число атомов или молекул.

- постоянная

Авогадро

Количество вещества равно отношению числа молекул в данном теле к постоянной Авогадро.

Количество вещества

Молярной массой вещества называют массу вещества, взятого в количестве

1 моль.

m 0 - масса одной молекулы или атома

Количество вещества

m – масса вещества

- формула для расчета числа частиц в теле

Строение газов, жидкостей и твердых тел

Подсказка строение вещества(агрегатные состояния и шариков)

Идеальный газ

Идеальный газ – это газ, в котором

• Частицы – материальные точки
• Частицы взаимодействуют только при соударениях
• Удары абсолютно упругие

Среднее значение квадрата скорости молекул

• Скорость – величина векторная, поэтому средняя скорость движения частиц в газе равна нулю.

Среднее значение квадрата скорости молекул

Основное уравнение мкт

• Основное уравнение мкт устанавливает зависимость давления газа от средней кинетической энергии его молекул.

• Газ оказывает давление на стенки сосуда путем многочисленных ударов молекул (или атомов).

Основное уравнение мкт

y

0

x

Температура и тепловое равновесие

• Макроскопические параметры (макропараметры) – величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета молекулярного строения. ( V, p, t ).

• Тепловым равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры всех тел системы остаются неизменными сколь угодно долго.

• Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.
• Все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии имеют одну и ту же температуру.

• Термометр – прибор для измерения температуры тела.

• Термометр входит в состояние теплового равновесия с исследуемым телом и показывает свою температуру.

Основная деталь термометра – термометрическое тело , то есть тело, макропараметры которого изменяются при изменении температуры. (Например, в ртутных термометрах термометрическим телом является ртуть – при изменении температуры изменяется ее объем.)

• Изобретателем термометра является Галилео Галилей (ок. 1600 г.)
• Термометрическим телом в его термометре являлся газ – при повышении температуры его объем увеличивался, вытесняя жидкость.
• Недостатком термометра Галилея являлось отсутствие температурной шкалы.

Температурные шкалы

Постоянная Больцмана

• Разность полученных в эксперименте значений величины pV/N равна 1,38*10 -21 Дж.

• Разделим полученную величину на 100, и найдём, что одному градусу по Цельсию соответствует k=1,38 *10 -23 по Кельвину.

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

Температура тела – мера средней кинетической энергии движения молекул.

• Какая физическая величина одинакова у любых тел при тепловом равновесии?
• Предположим, что при тепловом равновесии средние кинетические энергии молекул одинаковы.
• Из основного уравнения МКТ можно получить :

Абсолютная температура и абсолютный нуль

• Из полученного равенства следует, что при Т = 0 должны равняться нулю или давление (т.е. движение и соударение молекул со стенками прекращается) или объём газа (т.е. сжатие до нуля).
• Отсюда понятие абсолютного нуля температуры (0 К) – температуры, при которой должно прекратиться движение молекул.
• Установим связь между абсолютной температурой и температурой по Цельсию:

т. к. при t = 0 kT = 3,76*10 -21 Дж,

где k = 1,38 *10 -23 Дж /K ,

то T = 3,76*10 -21 / 1,38 *10 -23 ≈ 273,15 (K)

Таким образом Т ≈ t + 273

Зависимость давления газа от температуры и концентрации молекул газа

Скорости молекул

- средняя квадратичная скорость

Уравнение состояния идеального газа ( ур-е Менделеева – Клапейрона)

- универсальная газовая постоянная

Если в ходе процесса масса газа остается неизменной, то

Изопроцессы

• Изотермический процесс Изобарный процесс Изохорный процесс
• Изотермический процесс
• Изобарный процесс
• Изохорный процесс

Изотермический процесс

• Процесс, происходящий с газом неизменной массы при постоянной температуре называется изотермическим.
• Изотермический процесс описывается законом Бойля – Мариотта (конец 17 века):

Изобарный процесс

• Процесс, происходящий с газом неизменной массы при постоянном давлении называется изобарным.
• Изобарный процесс описывается законом Гей-Люссака (1802 г.):

Изохорный процесс

• Процесс, происходящий с газом неизменной массы при постоянном объеме называется изохорным.
• Изохорный процесс описывается законом Шарля (1787 г.):

Графики изопроцессов

Давление насыщенного пара

p 2 , V 2

p 1 , V 1

p 1 = p 2

Давление насыщенного пара не зависит от занимаемого объема.

Давление насыщенного пара

Давление насыщенного пара зависит только от температуры.

p 0

T

Давление насыщенного пара

Точка росы – это температура, при которой ненасыщенный пар становится насыщенным .

p 0

p

T

T

T р

Испарение и кипение

Процесс парообразования с поверхности жидкости.

Процесс парообразования по всему объему жидкости.

Происходит при любой температуре.

Происходит при температуре кипения.

Скорость испарения зависит от:

• Вида жидкости
• Температуры
• Площади поверхности
• Наличие ветра

Чем ниже давление, тем ниже температура кипения.

Кипение

• Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости.

• Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения.

• Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости.

Измерение влажности

Приборы для измерения влажности:

• Психрометр
• Гигрометр

Закон Гука

F

- абсолютное удлинение.

F упр

- относительное удлинение

k – жесткость

Закон Гука

- механическое напряжение

- предел прочности – максимальное механическое напряжение, которое выдерживает данное вещество

Е – модуль Юнга

Закон Гука

k 2

k 1

k 1

k 2

Кристаллические тела

монокристаллы

поликристаллы

Анизотропия – зависимость физических свойств от направления внутри кристалла.

Кристаллическая решетка поваренной соли

Аморфные тела

• Нет строгого порядка в расположении атомов.

• Все аморфные тела изотропны , т.е их физические свойства одинаковы по всем направлениям.
• Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления .
• При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства , подобно твердым телам, и текучесть , подобно жидкости.

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул (или атомов) тела и потенциальных энергий взаимодействий всех молекул друг с другом (но не с молекулами других тел).

• Внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул (или атомов) тела и потенциальных энергий взаимодействий всех молекул друг с другом (но не с молекулами других тел).

В идеальном газе частицы не взаимодействуют между собой, следовательно их потенциальные энергии равны нулю.

3

2

• Коэффициент применим только для одноатомного газа.
• В общем случае используется коэффициент , где i – число степеней свободы движения частицы.

i

2

Одноатомный газ (неон, аргон, гелий) – i = 3 .

Двухатомный газ (водород, азот) – i = 5 .

Трехатомный газ (углекислый газ, озон) – i = 6 .

Способы изменения внутренней энергии:

• Передача теплоты
• Совершение работы

Работа в термодинамике

Работа газа:

По третьему закону Ньютона:

Работа внешних сил над газом:

Работа в термодинамике

• Если процесс не изобарный, используется графический метод: работа равна площади фигуры под графиком процесса в осях pV .
• Работа газа считается положительной, если объем газа увеличивается и отрицательной, если объем газа уменьшается.

p

• В случае изохорного процесса работа газа равна нулю.

S

V

0

Количество теплоты

Количество теплоты – это энергия полученная или отданная телом в процессе теплопередачи.

Виды теплопередачи:

• Теплопроводность
• Конвекция
• излучение

Количество теплоты

• Q = cm(t 0 2 -t 0 1 ) – нагревание (охлаждение)

• Q =   m - плавление (отвердевание)
• Q =  Lm - парообразование (конденсация)
• Q = qm – сгорание топлива

Первый закон термодинамики

Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

Если А - работа внешних сил, а А' - работа газа, то А = - А' (в соответствии с 3-м законом Ньютона). Тогда:

другая форма записи первого закона термодинамики

Применение первого закона термодинамики к различным процессам

• Изотермический процесс
• Изобарный процесс
• Изохорный процесс
• Адиабатный процесс

Изотермический процесс ( Т= const)

Изобарный процесс (p=const)

Изохорный процесс (V=const)

Адиабатный процесс

Тепловые двигатели

Машины, преобразующие внутреннюю энергию в механическую работу, называют тепловыми двигателями

Тепловые двигатели

КПД теплового двигателя

Кпд реальных двигателей:

турбореактивный - 20 -30%; карбюраторный - 25 -30%,

дизельный - 35-45%.

Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс.

Идеальная тепловая машина - машина Карно (Сади Карно, Франция, 1815)

Машина работает на идеальном газе.

1 - 2 - при тепловом контакте с нагревателем газ расширяется изотермически.

2 -3 - газ расширяется адиабатно.

После контакта с холодильником:

3 -4 - изотермическое сжатие.

4 -1 - адиабатное сжатие.

КПД идеальной машины:

Теорема Карно: кпд реальной тепловой машины не может быть больше кпд идеальной машины, работающей в том же интервале температур.

Спасибо за внимание!