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:
- вещество состоит из частиц - молекул и атомов, разделенных промежутками,
- эти частицы хаотически движутся,
- 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:
- молекулы газа считаются материальными точками,
- молекулы не взаимодействуют между собой,
- 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.
2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия;
3) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда являются абсолютно упругими;
4) время столкновения молекул друг с другом пренебрежимо мало по сравнению со временем свободного пробега молекул.
Рассмотрим экспериментальные законы, описывающие поведе-ние идеального газа:
p 1) закон Бойля-Мариотта : для данной
массы газа при постоянной температуре про-
изведение давления газа на его объем есть ве-
личина постоянная:
pV = const. (9.1.1)
V Процесс, протекающий при постоянной тем-пературе, называется изотермическим. Кри-вая, изображающая зависимость между пара-
метрами p и V , характеризующими состояние газа при постоянной температуре называется изотермой (рис. 9.1.1).
2) закон Гей − Люссака : объем данной V
массы газа при постоянном давлении изменя-ется линейно с температурой.
273,15 1 К − 1 .
Процесс, протекающий при постоянном давлении, называется изобарическим. На диаграмме в координатах V , Т этот процесс изо-бражается прямой линией, называемой изобарой (рис. 9.1.2).
3) закон Шарля : давление данной массы газа при постоянном объеме изменяется линейно с температурой.
м 3 /моль. В одном моле различных веществ содержится одно и тоже число молекул, равное постоянной Авогадро
: N
A = 6,02 · 10 23 моль − 1 .
5) закон Дальтона : давление смеси идеальных газов равно сум-
Парциальное давление −давление,которое оказывал бы газ,входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объем, равный объему смеси при той же температуре.
Состояние некоторой массы газа определяется тремя термоди-намическими параметрами: давлением, объемом и температурой, ме-жду которыми существует связь, называемая уравнением состояния f (p , V , T ) = 0,где каждая из переменных является функцией двух дру-гих. Французский физик и инженер Клапейрон, объединив законы Бойля-Мариотта, Шарля и Гей − Люссака, вывел уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона ):для данной массы газа вели-
чина pV /T остается постоянной, т. е.
| pV | = const . | (9.1.5) | |
| T | |||
Менделеев Д. И. объединил уравнение Клапейрона с законом Авогадро, отнеся уравнение Клапейрона к одному молю газа и ис-пользовав молярный объем V m . Согласно закону Авогадро, при одина-ковых давлении и температуре, моли всех газов занимают одинаковый молярный объем, поэтому газовая постоянная будет одинаковой для всех газов. Эту общую для всех газов постоянную обозначили R = = 8,31 Дж/(кг · К) и назвали универсальной газовой постоянной . Таким образом, уравнение Клапейрона приобрело вид
где ν = M m − количество вещества; m − масса газа; М − молярная мас-
Молярной массой называется масса1моля вещества,и она равна
Пользуются также другой формой уравнения состояния идеаль-ного газа, вводя постоянную Больцмана k = R /N A = 1,38 · 10 − 23 Дж/К:
| pV =νRT ⇒ pV =νN A kT ⇒ pV = NkT | ⇒ | ||||||
| ⇒ p = | N | kT ⇒ p = nkT , | (9.1.10) | ||||
| V | |||||||
| где n = N /V − концентрации молекул газа. | |||||||
| Теперь рассмотрим идеальный газ и оп- | |||||||
| S | ределим давление газа на основе молекулярно- | ||||||
| r | кинетической теории. Представим себе, что | ||||||
| m υ x | молекулы содержатся в прямоугольном сосуде, | ||||||
| грани которого имеют площадь S , а длина его | |||||||
| ребер равна l . Согласно этой модели, давление | |||||||
| газа на стенки сосуда обусловлено столкнове- | |||||||
| ниями молекул с ними. Рассмотрим стенку | |||||||
| l | x | площадью S с левой стороны сосуда и выясним, | |||||
| что происходит, когда одна молекула ударяется | |||||||
| Рис. 9.1.4 | об нее. Эта молекула действует на стенку, а | ||||||
стенка в свою очередь действует на молекулу с равной по величине и противоположной по направлению силой. Величина этой силы, со-гласно второму закону Ньютона, равна скорости изменения импульса молекулы, т. е.
Эта молекула будет много раз сталкиваться со стенкой, причем столк-новения будут происходить через промежуток времени, который тре-буется молекуле для того, чтобы пересечь сосуд и вернуться обратно,
| т. е. пройти расстояние 2l . Тогда 2l = υ x | t ,откуда | ||||||||||
| t = 2l /υ x . | (9.1.13) | ||||||||||
| При этом средняя сила равна | |||||||||||
| p | 2 m υ | x | m υ 2 | ||||||||
| F = | = | = | 0 x . | (9.1.14) | |||||||
| t | 2l | υ x | |||||||||
| l |
Во время движения по сосуду туда и обратно молекула может сталкиваться с верхними и боковыми стенками сосуда, однако про-екция ее импульса на ось Ox при этом остается без изменения (т. к. удар абсолютно упругий). Чтобы вычислить силу, действующую со стороны всех молекул в сосуде, просуммируем вклады каждой из них.
Для любой скорости выполняется соотношение υ 2 = υ 2 x + υ 2 y + υ 2 z , или
υ 2 = υ 2 x + υ 2 y + υ 2 z . Так как молекулы движутся хаотически, то все направления движения равноправные и υ 2 x = υ 2 y = υ 2 z . Значит
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
Цель урока: Проверить знания учащихся и выяснить степень усвоения материала данной темы.
Ход урока
Организационный момент.
Вариант -1 (1 – го уровня)
1. Рассчитайте молекулярную массу кислорода – О₂. (Ответ: 32·10 -3 кг/моль)
2. Имеется 80 г кислорода, вычислить количество молей в нем. (Ответ: 2,5 моля)
3. Вычислить давление газа на стенки баллона, если известно, что в нем находится пропан
(С3Н4) объемом 3000 л при температуре 300 К. Количество вещества этого газа равно
140 моль. (Ответ: 116кПа)
4. Какова причина броуновского движения?
5. На рисунке представлен переход идеального газа из 1 состояния в состояние 2.
А) Дайте название процессу перехода. Б) Покажите график процесса в PТ и VT координатах.
0 2 V
Вариант – 2 (1 – го уровня)
1. Рассчитайте молекулярную массу воды – Н₂О. (Ответ:18·10-3кг/моль)
2. В стакане 200 г воды. Найти количество молей воды. (Ответ: 11,1 моля)
3. В резервуаре содержится азот массой 4 кг при температуре 300 К и давлении 4·105 Па.
Найти объем азота.
4. Почему газ занимает весь предоставленный ему объем?
5. На рисунке представлен переход идеального газа из состояния 1 в состояние 2.
А) Дайте название процессу перехода. Б) Покажите график процесса в РТ и VT координатАх.
Вариант -1 (2 – го уровня)
1. Определить массу 1022 молекул азота.
Решение. m = m₀ N = M N/NA; m = 4.7 (кг)
2. Температура водорода 25˚С. Вычислить его плотность при нормальном атмосферном давлении.
Решение. ρ = P М/ RT = 81 (г/см³)
3. Колбы электрических ламп инертным газом заполняют при пониженном давлении и температуре. Объясните причину.
4. В системе координат РТ показан график изменения состояния идеального газа.
А) Дайте название каждому переходу.
Б) Изобразите переходы в координатах PV и VT.
5. В зависимости от времени года наблюдается разница в массе воздуха, который находится внутри помещения. Летом температура воздуха – 40˚С, а зимой – 0˚С при нормальном атмосферном давлении. Молярная масса воздуха 29·10-3 кг/моль. Найти разницу в массе воздуха.
P V = m R T/ M; m1 = P V M/R T1; m2 = P V M/R T2; Δm = m₁ – m₂;
Δm = P V M/R (1/T1 – 1/T2); Δm = 8,2 (кг)
Вариант -2 (2 – го уровня)
N = γ NA = m NА/M; N = 3,3 1012 (молекул)
2. Азот находится в закрытом сосуде емкостью 5 л и имеет массу 5 г. Его нагревают от 20˚С до 40˚С. Вычислить давление азота до и после нагревания.
Решение. P1 V = m RT/ M; P1 = m RT/ VM; P1 = 8,7 (Па)
P₁/P₂ = T₁/T₂; P₂ = P₁ T₂/T₁; P₂ = 9,3·104 (Па)
3. Почему камеры автомобильных колес зимой нагнетают до большего давления, чем летом?
4. В системе координат РТ изображен график изменения состояния идеального газа.
Р 4 А) Дайте название каждому переходу.
Б) Начертите переходы в координатах
Физика. 10 класс. Дидактические материалы. Марон А.Е., Марон Е.А.
М.: 2014. - 1 58с. 2-е изд., стер. - М.: 2005. - 1 58с.
Данное пособие включает тесты для самоконтроля, самостоятельные работы, разноуровневые контрольные работы. Предлагаемые дидактические материалы составлены в полном соответствии со структурой и методологией учебников В.А. Касьянова «Физика. Базовый уровень. 10 класс» и «Физика. Углубленный уровень. 10 класс».
Формат: pdf (2014 , 158с.)
Размер: 2 Мб
Смотреть, скачать: 02
Формат: pdf (2005 , 158с.)
Размер: 4,3 Мб
Скачать: 02 .09.2016г, ссылки удалены по требованию изд-ва "Дрофа" (см. примечание)
Содержание
Предисловие 3
ТЕСТЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
ТС-1. Перемещение. Скорость. Равномерное прямолинейное движение
4
ТС-2. Прямолинейное движение с постоянным ускорением 5
ТС-3. Свободное падение. Баллистическое движение 7
ТС-4. Кинематика периодического движения 8
ТС-5. Законы Ньютона 10
ТС-6. Силы в механике 11
ТС-7. Применение законов Ньютона 12
ТС-8. Закон сохранения импульса 14
ТС-9. Работа силы. Мощность 16
ТС-10. Потенциальная и кинетическая энергия 17
ТС-11. Закон сохранения механической энергии 18
ТС-12. Движение тел в гравитационном поле 20
ТС-13. Динамика свободных и вынужденных колебаний... 22
ТС-14. Релятивистская механика 23
ТС-15. Молекулярная структура вещества 24
ТС-16. Температура. Основное уравнение молекулярно-кинетической
теории 26
ТС-17. Уравнение Клапейрона-Менделеева. Изопроцессы. . 27
ТС-18. Внутренняя энергия. Работа газа при изопроцессах. Первый
закон термодинамики 29
ТС-19. Тепловые двигатели 30
ТС-20. Испарение и конденсация. Насыщенный пар. Влажность воздуха.
Кипение жидкости 32
ТС-21. Поверхностное натяжение. Смачивание, капиллярность 33
ТС-22. Кристаллизация и плавление твердых тел 35
ТС-23. Механические свойства твердых тел 37
ТС-24. Механические и звуковые волны 39
ТС-25. Закон сохранения заряда. Закон Кулона 40
ТС-26. Напряженность электростатического поля 42
ТС-27. Работа сил электростатического поля. Потенциал
электростатического поля 44
ТС-28. Диэлектрики и проводники в электростатическом поле 47
ТС-29. Электроемкость уединенного проводника и конденсатора. Энергия
электростатического поля. . 49
САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ
СР-1. Равномерное прямолинейное движение 51
СР-2. Прямолинейное движение с постоянным ускорением 52
СР-3. Свободное падение. Баллистическое движение 53
СР-4. Кинематика периодического движения 54
СР-5. Законы Ньютона 56
СР-6. Силы в механике 57
СР-7. Применение законов Ньютона 58
СР-8. Закон сохранения импульса 59
СР-9. Работа силы. Мощность 61
СР-10. Потенциальная и кинетическая энергия. Закон сохранения
энергии 62
СР-11. Абсолютно неупругое и абсолютно упругое столкновение 63
СР-12. Движение тел в гравитационном поле 64
СР-13. Динамика свободных и вынужденных колебаний. ... 66
СР-14. Релятивистская механика 67
СР-15. Молекулярная структура вещества 68
СР-16. Температура. Основное уравнение молекулярно-кинетической
теории 69
СР-17. Уравнение Клапейрона-Менделеева. Изопроцессы. . 70
СР-18. Внутренняя энергия. Работа газа при изопроцессах. . 72
СР-19. Первый закон термодинамики 73
СР-20. Тепловые двигатели 74
СР-21. Испарение и конденсация. Насыщенный пар. Влажность воздуха 75
СР-22. Поверхностное натяжение. Смачивание, капиллярность 77
СР-23. Кристаллизация и плавление твердых тел. Механические свойства
твердых тел 78
СР-24. Механические и звуковые волны 80
СР-25. Закон сохранения заряда. Закон Кулона 81
СР-26. Напряженность электростатического поля 83
СР-27. Работа сил электростатического поля. Потенциал... 84
СР-28. Диэлектрики и проводники в электростатическом поле 86
СР-29. Электроемкость. Энергия электростатического поля 87
КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ
КР-1. Прямолинейное движение 89
КР-2. Свободное падение тел. Баллистическое движение... 93
КР-3. Кинематика периодического движения 97
КР-4. Законы Ньютона 101
КР-5. Применение законов Ньютона 105
КР-6. Закон сохранения импульса 109
КР-7. Закон сохранения энергии 113
КР-8- Молекулярно-кинетическая теория идеального газа 117
КР-9. Термодинамика 121
КР-10. Агрегатные состояния вещества 125
КР-11. Механические и звуковые волны 129
КР-12. Силы электромагнитного взаимодействия неподвижных зарядов 133
КР-13. Энергия электромагнитного взаимодействия неподвижных зарядов
137
ОТВЕТЫ
Тесты для самоконтроля 141
Самостоятельные работы 144
Контрольные работы 149
Список литературы 154
Загрузка...