Билет №17

1. Атомистическая гипотеза строение вещества и ее экспериментальные доказательства. Модель идеального газа. Абсолютная температура. Температура как мера средней кинетической энергии теплого движения частиц.

1. Законы отражения и преломления света; полное внутреннее отражение; линзы; формула тонкой линзы; оптические приборы.

a. 1. Все вещества состоят из молекул, между которыми существуют промежутки. Доказательство: 1. если разломать предмет, то срез шершавый; 2. любое тело всегда можно сжать – это за счет промежутков между молекулами.

b. Все молекулы находятся в непрерывном, хаотическом движении. Доказательство: 1. диффузия – явления смешивания веществ друг с другом. Если соединить два вещества, то они через некоторое время перемешаются без перемешивания (например: соление огурцов); 2. броуновское движение – это движение крупных частиц, взвешенных в жидкости или газа. (например: пылинки «пляшут» в воздухе – это происходит за счет того, что молекулы воздуха движутся непрерывно и беспорядочно и сбивают молекулы).

c. Между молекулами одновременно существуют силы притяжения и силы отталкивания (например: батут, рессора автомобиля и другие)

Идеальный газ – это модель в физике. За идеальный газ принимают газ в сосуде, когда молекула, пролетая от стенки до стенки сосуда не испытывает столкновения с другими молекулами.

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

Где - концентрация, 1/моль; - масса молекулы, кг; - средняя квадратичная скорость молекул, м/с; - кинетическая энергия движения молекул, Дж.

Температура таяния льда Температура кипения воды Температура – это мера средней кинетической энергии. Абсолютный ноль - уравнение показывает, что чем выше температура, тем больше энергия молекул, т.е больше скорость движения молекул. Как следствие повышается давление в сосуде и другие параметры.

Абсолютная температура – измеряется в К(кельвинах)

Абсолютный ноль – это температура, равная -273 градуса по Цельсию – при которой должно прекратиться всякое движение.

Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии используется модель идеального газа. Идеальным принято считать газ, если: а) между молекулами отсутствуют силы притяжения, т. е. молекулы ведут себя как абсолютно упругие тела;

Б) газ очень разряжен, т.е. расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул;

В) тепловое равновесие по всему объему достигается мгновенно. Условия, необходимые для того, чтобы реальный газ обрел свойства идеального, осуществляются при соответствующем разряжении реального газа. Некоторые газы даже при комнатной температуре и атмосферном давлении слабо отличаются от идеальных. Основными параметрами идеального газа являются давление, объем и температура.

Одним из первых и важных успехов МКТ было качественное и количественное объяснение давления газа на стенки сосуда. Качественное объяснение заключается в том, что молекулы газа при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела и передают свои импульсы стенкам сосуда.

На основании использования основных положений молекулярно-кинетической теории было получено основное уравнение МКТ идеального газа,

Которое выглядит так: , где р - давление идеального газа, m0 - масса молекулы, среднее значение

Концентрация молекул, квадрата скорости молекул.

Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа

Получим основное уравнение

МКТ идеального газа в виде:

Однако, измерив только давление газа, невозможно узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужно измерение еще какой-то физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул. Такой величиной является температура. Температура - скалярная физическая величина, описывающая состояние термодинамического равновесия (состояния, при котором не происходит изменения микроскопических параметров). Как термодинамическая величина температура характеризует тепловое состояние системы и измеряется степенью его отклонения от принятого за нулевое, как молекулярно-кинетиче-ская величина - характеризует интенсивность хаотического движения молекул и измеряется их средней кинетической энергией. Ек = 3/2 kT, где k = 1,38 10^(-23) Дж/К и называется постоянной Больцмана.

Температура всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии, одинакова. Измеряется температура термометрами в градусах различных температурных шкал. Существует абсолютная термодинамическая шкала (шкала Кельвина) и различные эмпирические шкалы, которые отличаются начальными точками. До введения абсолютной шкалы температур в практике широкое распространение получила шкала Цельсия (за О °С принята точка замерзания воды, за 100 °С принята точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении).

Единица температуры по абсолютной шкале называется Кельвином и выбрана равной одному градусу по шкале Цельсия 1 К = 1 °С. В шкале Кельвина за ноль принят абсолютный ноль температур, т. е. температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме равно нулю. Вычисления дают результат, что абсолютный нуль температуры равен -273 °С. Таким образом, между абсолютной шкалой температур и шкалой Цельсия существует связь Т = t °C + 273. Абсолютный нуль температур недостижим, так как любое охлаждение основано на испарении молекул с поверхности, а при приближении к абсолютному нулю скорость поступательного движения молекул настолько замедляется, что испарение практически прекращается. Теоретически при абсолютном нуле скорость поступательного движения молекул равна нулю, т. е. прекращается тепловое движение молекул.

Cтраница 1

Тепловое движение молекул веществ в жидком состоянии имеет сходство с их движением для веществ в кристаллическом и газообразном состояниях. В кристаллах тепловое движение молекул выражается в основном в колебаниях молекул относительно положений равновесия, которые во времени практически не изменяются. Тепловое движение молекул в газах - это в основном их поступательное перемещение и вращение, направления которых изменяются в соударениях.  

Тепловое движение молекул вещества на поверхности подложки называется миграцией. При миграции появляется возможность столкновения молекул - двух и реже трех между собой. Столкнувшиеся молекулы объединяются под действием вандервааль-совых сил. Итак, образуются дублеты и триплеты. Их труднее десорбировать, чем одиночные молекулы, так как связи их с поверхностью заметно сильнее. Эти образования являются активными центрами при конденсации последующих оседающих молекул.  

Поскольку тепловое движение молекул вещества тела нарушает их упорядоченное расположение, намагниченность при повышении температуры уменьшается.  

Поскольку тепловое движение молекул вещества тела нарушает их упорядоченное расположение, намагниченность при повышении температуры уменьшается. Если этотело удалить из внешнего поля, то хаотическое движение молекул приведет к его полному размагничиванию.  

Давление насыщенных паров создается тепловым движением молекул вещества в паровой фазе при определенной температуре.  

Газообразное состояние возникает тогда, когда энергия теплового движения молекул вещества превышает энергию их взаимодействия. Молекулы вещества в этом состоянии приобретают прямолинейное поступательное движение, а индивидуальные свойства веществ теряются, и они подчиняются общим для всех газов законам Газообразные тела не имеют собственной формы и легко изменяют свой объем при воздействии внешних сил или при изменении температуры.  

Абсолютный нуль (0 К) характеризуется прекращением теплового движения молекул вещества и соответствует температуре, лежащей ниже 0 С на 273 16 С.  

Кинетическая теория материи позволяет установить связь между давлением и кинетической энергией теплового движения молекул вещества.  

Если внутренние движения в молекулах связаны с их внешним тепловым движением, то нельзя понять свойств вещества, его химического поведения, не изучая этой связи, не принимая во внимание те факторы, которые воздействуют на тепловое движение молекул вещества (температура, давление, среда и др.) и через посредство этого теплового движения оказывают воздействие также на состояние внутреннего движения в каждой отдельной молекуле.  

Таким образом, было установлено, что из газообразного состояния в жидкое можно перевести любое вещество. Однако каждое вещество может испытывать такое превращение лишь при температурах ниже определенной, так называемой критической температуры Тк. При температуре выше критической вещество не превращается в жидкость или твердое тело ни при каких значениях давления. Очевидно, что при критической температуре средняя кинетическая энергия теплового движения молекул вещества превышает потенциальную энергию их связи в жидкости или твердом теле. Так как силы притяжения, действующие между молекулами различных веществ, различны, неодинакова и потенциальная энергия их связи, отсюда различными оказываются и значения критической температуры для различных веществ.  

Времена релаксации 1 и Т2 введены выше как постоянные, к-рые должны быть определены из опыта. Измеренные для различных веществ значения 7 лежат в широких пределах от К) 4 сек для растворов парамагнитных солей до неск. Опытные данные указывают на тесную связь значений времен релаксации со структурой и характером теплового движения молекул вещества.  

Абсолютная температура Т, К, характеризует степень на-гретости тела. В частности, в качестве исходных значений, служащих при построении Международной практической температурной шкалы Цельсия для установления начала отсчета температуры и единицы ее измерения - градуса, приняты температура плавления льда (0 С) и кипения воды (100 С) при нормальном атмосферном давлении. Температуры, лежащие выше 0 С, считают положительными, а лежащие ниже 0 С - отрицательными. В системе единиц СИ расчеты температуры производятся от абсолютного нуля в градусах термодинамической шкалы Кельвина. Абсолютный нуль этой шкалы (0 К) характеризуется прекращением теплового движения молекул вещества и соответствует по шкале Цельсия температуре - 273 15 С. Таким образом, обе шкалы различаются лишь начальной точкой отсчета, а цена деления (градуса) у них одинакова.  

Страницы:      1

Основы молекулярно-кинетической теории строения вещества

Основы молекулярно-кинетической теории разработаны М.В. Ломоносовым, Л.Больцманом, Дж. Максвеллом и др. Эта теория основана на следующих положениях:

1.Все вещества состоят из мельчайших частиц – молекул. Молекулы у сложных веществ состоят из еще более мелких частиц – атомов. Различные комбинации атомов создают виды молекул. Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженной электронной оболочкой. Массу молекул и атомов измеряют в атомных единицах массы (а. е. м.). Диаметр атомов и молекул имеет порядок 10 - 10 см. Количество вещества, в котором содержится число частиц (атомов или молекул) равное числу атомов в 0,012 кг изотопа углерода С называется молем.

Число частиц, содержащих в моле (киломоле) вещества, называется числом Авогадро. N = 6.023*10 кмоль . Массу моля называет молярной массой. Между атомами и молекулами действуют силы взаимного притяжения и отталкивания. По мере увеличения расстояния (r) между молекулами силы отталкивания убывают быстрее, чем силы притяжения. При некотором определенном расстоянии (r ) наступает равенство сил отталкивания и сил притяжения и молекулы находятся в состоянии устойчивого равновесия. Силы взаимодействия обратно пропорциональны n-й степени расстояния между молекулами (для f , n = 7; для f , n принимает значение от 9 до 15).Расстояние r между молекулами соответствует минимуму их потенциальной энергии. Для изменения расстояния, отличного от r требуется затратить работу или против сил отталкивания или против сил притяжения; т.о. положение устойчивого равновесия молекул соответствует минимуму их потенциальной энергии. Молекулы, образующие тело, находятся в состоянии непрерывного беспорядочного движения.

Молекулы сталкиваются друг с другом, изменяют скорость как по величине, так и по направлению. При этом происходит перераспределение их общей кинетической энергии. Состоящее из молекул тело рассматривается как система движущихся и взаимодействующих частиц. Такая система молекул обладает энергией, состоящей из потенциальной энергии взаимодействия частиц и из кинетической энергии движения частиц. Эту энергию и называют внутренней энергией тел . Количество внутренней энергии, передаваемой между телами при теплообмене, называется количеством теплоты (Джоуль, кал). Джоуль – СИ. 1 кал = 4,18 Дж. Атомы и молекулы находятся в непрерывном движении, которое называется тепловым. Основным свойством теплового движения является его бесперебойность (хаотичность). Для количественной характеристики интенсивности теплового движения вводится понятие температуры тела. Чем интенсивнее тепловое движение молекул в теле, тем выше его температура. При соприкосновении двух тел энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому и в конце концов устанавливается состояние теплового равновесия.

С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул или атомов. За единицу измерения температуры тепла принят градус. (Сотая часть разности между температурами кипения и замерзания чистой воды при атмосферном давлении). В физику введена абсолютная температурная шкала Кельвина. Градус Цельсия равен градусу Кельвина. При температуре – 273 С должно прекратиться поступательное движение молекул газа (абсолютный нуль), т. е. система (тело) обладает наименьшей возможной энергией.

Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества подтверждаются многочисленными опытами и явлениями (диффузия, броуновское движение, смешивание жидкостей, сжимаемость различных веществ, растворение в жидкостях твердых веществ и т. д.). Современные экспериментальные методы – рентгеноструктурный анализ, наблюдения с помощью электронного микроскопа и другие – обогатили наши представления о строении вещества. В газе между молекулами относительно большие расстояния, силы притяжения ничтожно малы. Молекулы газа стремятся всегда равномерно распределиться по всему занимаемому им объему. Газ оказывает давление на стенки сосуда, в котором он находится. Это давление обусловлено ударами движущихся молекул. При изучении кинетической теории газа рассматривают так называемый идеальный газ. Газ, в котором пренебрегаем силами межмолекулярного взаимодействия и объемом молекул газа. Считая, что при соударениях молекулы идеального газа представляют собой как абсолютно упругие шарики.

Для изучения темы «Тепловое движение» нам необходимо повторить:

В окружающем нас мире происходят различного рода физические явления, которые напрямую связанны с изменением температуры тел.

Еще с детства мы помним, что вода в озере сначала холодная, потом едва теплая и только спустя время становится пригодной для купания

Такими словами как «холодный», «горячий», « чуть-чуть теплый», мы определяем различную степень «нагретости» тел, или, если говорить языком физики на различную температуру тел.

Если сравнивать температуру в озере летом и поздней осенью, то разница очевидна. Температура теплой воды немного выше температуры ледяной воды.

Как известно, диффузия при более высокой температуре происходит быстрее. Из этого следует, что скорость перемещения молекул и температура глубоко взаимосвязаны между собой.

Проведите опыт: Возьмите три стакана и наполните их холодной, теплой и горячей водой, а теперь положите в каждый стакан чайный пакетик и пронаблюдайте, как изменится цвет воды? Где это изменение будет происходить интенсивнее?

Если увеличить температуру, то скорость движения молекул увеличится, если уменьшить – понизится. Таким образом, делаем вывод: температура тела напрямую зависит от скорости перемещения молекул.

Горячая вода состоит из абсолютно таких же молекул, как и холодная. Разница между ними состоит лишь в скорости передвижения молекул.

Явления, которые имеют отношение к нагреву или охлаждению тел, изменению температуры, получили название тепловые . К ним можно отнести нагревание или охлаждение не только жидких тел, но и газообразных и твердых воздуха.

Еще примеры тепловых явлений: плавка метала, таяние снега.

Молекулы, либо атомы, которые являются основой всех тел, находятся в бесконечном хаотичном движении. Движение молекул в разных телах происходит по-разному. Молекулы газов беспорядочно движутся с большими скоростями по очень сложной траектории. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга, изменяя величину и направление скоростей.

Молекулы жидкости колеблются около равновесных положений (т.к. расположены почти вплотную друг к другу) и сравнительно редко перескакивают из одного равновесного положения в другое. Движение молекул в жидкостях является менее свободным, чем в газах, но более свободным, чем в твердых телах.

В твердых телах молекулы и атомы колеблются около некоторых средних положениях.

С ростом температуры скорость частиц увеличивается, поэтому хаотическое движение частиц принято называть тепловым.

Интересно:

Какова точная высота Эйфелевой башни? А это зависит от температуры окружающей среды!

Дело в том, что высота башни колеблется на целых 12 сантиметров.

и температура балок может доходить до 40 градусов по Цельсию.

А как известно, вещества могут расширяться под воздействием высокой температуры.

Хаотичность является важнейшей чертой теплового движения. Одним из самых главных доказательств движения молекул является диффузия и Броуновское движение. (Броуновское движение – движение мельчайших твердых частиц в жидкости под воздействием ударов молекул. Как показывает наблюдение, Броуновское движение не может прекратиться). Броуновское движение было открыто английским ботаником Робертом Броуном (1773-1858гг.)

В тепловом движении молекул и атомов участвуют абсолютно все молекулы тела, именно поэтому с изменением теплового движения меняется и состояние самого тела, его различные свойства.

Вспомним как меняются свойства воды при изменении температуры.

Температура тела напрямую зависит от средней кинетической энергии молекул. Делаем очевидный вывод: чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул. И, наоборот, при понижении температуры тела, средняя кинетическая энергия его молекул уменьшается.

Температура- величина, которая характеризует тепловое состояние тела или иначе мера «нагретости» тела.

Чем выше температура тела, тем большую в среднем энергию имеют его атомы и молекулы.

Температура измеряется термометрами , т.е. приборами для измерения температуры

Температура непосредственно не измеряется! Измеряется величина, зависящая от температуры!

В настоящее время существуют жидкостные и электрические термометры.

В современных жидкостных термометрах - это объем спирта или ртути. Термометр измеряет собственную температуру! А, если мы хотим измерить с помощью термометра температуру какого-либо другого тела, надо подождать некоторое время, пока температуры тела и термометра уравняются, т.е. наступит тепловое равновесие между термометром и телом. Домашнему термометру «градуснику» нужно время, чтобы дать точнее значение температуры больного.

В этом состоит закон теплового равновесия:

у любой группы изолированных тел через какое-то время температуры становятся одинаковыми,

т.е. наступает состояние теплового равновесия.

Температура тел измеряется с помощью термометра и чаще всего выражается в градусах Цельсия (°C). Существуют еще и другие единицы измерения: Фаренгейт, Кельвин и Реомюр.

Чаще всего физики измеряют температуру по шкале Кельвина. 0 градусов по шкале Цельсия = 273 градусам по шкале Кельвина

Термин «температура» появился во времена, когда ученые-физики думали, что теплые тела состоят из большего количества специфической субстанции - теплорода, - чем такие же тела, но холодные. А температура трактовалась как величина, соответствующая количеству теплорода в теле. С тех пор температуру любых тел измеряют в градусах. Но на самом деле это мера кинетической энергии движущихся молекул, и, исходя из этого, ее следует измерять в Джоулях, в соответствии с Системой единиц Си.

Понятие «абсолютный ноль температуры» исходит из второго начала термодинамики. По нему процесс перехода тепла от холодного тела к горячему невозможен. Это понятие введено английским физиком У. Томсоном. Ему за достижения в физике было даровано дворянское звание «лорд» и титул «барон Кельвин». В 1848 г. У.Томсон (Кельвин) предложил использовать температурную шкалу, в которой за начальную точку принял абсолютный ноль температуры, соответствующий предельному холоду, а ценой деления взял градус Цельсия. Единицей Кельвина является 1/27316 доля температуры тройной точки воды (около 0 град. С), т.е. температуры, при которой чистая вода сразу находится в трех видах: лед, жидкая вода и пар. температуры - это минимально возможная низкая температура, при которой движение молекул останавливается, и из вещества уже невозможно извлечь тепловую энергию. С тех пор шкала абсолютных температур стала называться его именем.

Температура измеряется по разным шкалам

Наиболее употребляемая шкала температуры носит название «шкала Цельсия». Она построена на двух точках: на температуре фазового перехода воды из жидкости в пар и воды в лед. А. Цельсий в 1742 г. предложил расстояние между опорными точками разделить на 100 промежутков, а воды принять за ноль, при этом точку замерзания за 100 градусов. Но швед К. Линней предложил сделать наоборот. С тех пор вода замерзает при ноле градусов А. Цельсия. Хотя точно по Цельсию она должна кипеть. Абсолютный ноль по Цельсию соответствует минус 273,16 градусов Цельсия.

Есть еще несколько температурных шкал: Фаренгейта, Реомюра, Ранкина, Ньютона, Рёмера. Они имеют разные и цену деления. Например шкала Реомюра тоже построена на реперах кипения и замерзания воды, но она имеет 80 делений. Шкала Фаренгейта, появившаяся в 1724 г., используется в быту только в некоторых странах мира, в т. ч. США; одна - температура смеси водяной лед - нашатырь и другая - человеческого тела. Шкала делится на сто делений. Ноль Цельсия соответствует 32 Перевод градусов в фаренгейты можно сделать по формуле: F = 1,8 C + 32. Обратный перевод: С = (F - 32)/1,8, где: F - градусы Фаренгейта, С - градусы Цельсия. Если вам лень считать, сходите в онлайн-сервис по переводу Цельсия в Фаренгейты. В рамочке наберите число градусов Цельсия, нажмите «Рассчитать», выберите «Фаренгейт» и нажмите «Пуск». Результат появится сразу.

Названа в честь английского (точнее шотландского) физика Уильяма Дж. Ранкина, бывшего современником Кельвина и одним из создателей технической термодинамики. В его шкале важных точек три: начало - абсолютный ноль, точки замерзания воды 491,67 градус Ранкина и закипания воды 671,67 град. Число делений между замерзанием воды и ее закипанием и у Ранкина, и у Фаренгейта равно 180.

Большинством этих шкал пользуются исключительно физики. А 40% опрошенных в наши дни американских школьников выпускных классов сказали, что они не знают, что такое абсолютный ноль температуры.