Тепловий рух частинок речовини – внутрішня енергія. Тепловий рух

І. В. Яковлєв | Матеріали з фізики MathUs.ru

Молекулярна фізиката термодинаміка

Даний посібник присвячений другому розділу Молекулярна фізика. Термодинаміка є кодифікатором ЄДІ з фізики. Воно охоплює такі теми.

Тепловий рух атомів та молекул речовини. Броунівський рух. Дифузія. Експериментальні підтвердження атомістичної теорії. Взаємодія частинок речовини.

Моделі будови газів, рідин та твердих тіл.

Модель ідеального газу. Зв'язок між тиском та середньою кінетичною енергією теплового рухумолекули ідеального газу. Абсолютна температура. Зв'язок температури газу із середньою кінетичною енергією його частинок. Рівняння p = nkT. Рівняння Менделєєва Клапейрона.

Ізопроцеси: ізотермічний, ізохорний, ізобарний, адіабатний процеси.

Насичені та ненасичені пари. Вологість повітря.

Зміна агрегатних станів речовини: випаровування та конденсація, кипіння рідини, плавлення та кристалізація. Зміна енергії у фазових переходах.

Внутрішня енергія. Теплова рівновага. Теплопередача. Кількість теплоти. Питома теплоємністьречовини. Зрівняння теплового балансу.

Робота у термодинаміці. Перший закон термодинаміки.

Принципи впливу теплових машин. ККД теплової машини. Другий закон термодинаміки. Проблеми енергетики та охорона навколишнього середовища.

Посібник містить також деякий додатковий матеріал, що не входить до кодифікатор ЄДІ(але входить до шкільну програму!). Цей матеріал дозволяє краще зрозуміти аналізовані теми.

1.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3 Рідини. . . . . . 10

5.2 Основне рівняння МКТ ідеального газу. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.3 Енергія частинок та температура газу. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6.1 Термодинамічний процес. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.2 Ізотермічний процес. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.3 Графіки ізотермічного процесу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

6.4 Ізобарний процес. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6.5 Графіки ізобарного процесу. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

7.1 Випаровування та конденсація

7.2 Динамічна рівновага. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.3 Властивості насиченої пари . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

8.1 Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

8.2 Функція стану. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.3 Зміна внутрішньої енергії: виконання роботи. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.4 Зміна внутрішньої енергії: теплопередача . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.5 Теплопровідність. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

10.1 Плавлення та кристалізація. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

10.2 Графік плавлення. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

10.3 Питома теплота плавлення. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

10.4 Графік кристалізації. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

10.5 Пароутворення та конденсація. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

10.6 Кипіння. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

10.7 Графік кипіння. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

11.1 Робота газу в ізобарному процесі . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

11.2 Робота газу у довільному процесі. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.3 Робота, що здійснюється над газом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.4 Перший закон термодинаміки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

11.5 Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів. . . . . . . . . . . . . 46

11.6 Адіабатний процес. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.1 Теплові двигуни. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

12.2 Холодильні машини. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

13.1 Необоротність процесів у природі. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

13.2 Постулати Клаузіуса та Кельвіна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1 Основні положеннямолекулярно-кінетичної теорії

Великому американському фізикуРічарду Фейнману, автору знаменитого курсу «Фейнманівські лекції з фізики», належать чудові слова:

Якби внаслідок якоїсь світової катастрофи всі накопичені наукові знаннявиявилися б знищеними і до майбутніх поколінь живих істот перейшла б лише одна фраза, то яке твердження, складене з найменшої кількостіслів, принесло б найбільшу інформацію? Я вважаю, що це атомна гіпотеза (можете називати її не гіпотезою, а фактом, але це нічого не змінює): всі тіла складаються з атомів маленьких тілець, які перебувають у безперервному русі, притягуються на невеликій відстані, але відштовхуються, якщо одне з них щільніше притиснути до іншого. В одній цій фразі. . . міститься неймовірна кількість інформації про світ, варто лише докласти до неї трохи уяви та трохи міркування.

У цих словах полягає суть молекулярно-кінетичної теорії (МКТ) будови речовини. А саме, основними положеннями МКТ є три твердження.

1. Будь-яка речовина складається з найдрібніших частинок молекул та атомів. Вони розташовані у просторі дискретно, тобто на деяких відстанях один від одного.

2. Атоми чи молекули речовини перебувають у стані безладного руху 1, яке ніколи не припиняється.

3. Атоми або молекули речовини взаємодіють один з одним силами тяжіння та відштовхування, які залежать від відстаней між частинками.

Ці положення є узагальненням численних спостережень та екпериментальних фактів. Давайте розглянемо докладніше ці положення та наведемо їх дослідне обґрунтування.

1.1 Атоми та молекули

Візьмемо паперовий листок і почнемо ділити його на більш дрібні частини. Чи на кожному кроці ми отримуватимемо шматочки саме паперу, чи на якомусь етапі з'явиться щось нове?

Перше положення МКТ говорить нам про те, що речовина не ділиться до нескінченності. Рано чи пізно ми дійдемо до «останнього рубежу» найдрібніших частинок даної речовини. Ці частинки атоми та молекули. Їх також можна поділити на частини, але тоді вихідна речовинаприпинить своє існування.

Атом це найменша частка даного хімічного елемента, що зберігає його Хімічні властивості. Хімічних елементів не так багато, всі вони зведені в таблицю Менделєєва.

Молекула це найменша частка цієї речовини (що не є хімічним елементом), що зберігає всі його хімічні властивості. Молекула складається із двох або більше атомів одного або декількох хімічних елементів.

Наприклад, H2 O це молекула води, що складається з двох атомів водню та одного атома кисню. Розділивши її на атоми, ми перестанемо мати справу в речовиною під назвою «вода». Далі, розділивши атоми H і O на складові, ми отримаємо набір протонів, нейтронів і електронів і тим самим втратимо інформацію про те, що спочатку це були водень і кисень.

1 Цей рух називається тепловим рухом.

Розмір атома або молекули (що складається з не великої кількостіатомів) становить близько 10 8 см. Це настільки мала величина, що атом неможливо розглянути в жодному оптичному мікроскопі.

Атоми та молекули називаються для стислості просто частинками речовини. Чим саме є частка атомом або молекулою в кожному конкретному випадку встановити неважко. Якщо мова йде про хімічний елементто частинкою буде атом; якщо ж розглядається складна речовина, то його частка це молекула, що складається з декількох атомів.

Далі перше положення МКТ стверджує, що частинки речовини не заповнюють простір безперервно. Частинки розташовані дискретно, тобто як би окремих точках. Між частинками є проміжки, величина яких може змінюватись у деяких межах.

На користь першого положення МКТ свідчить явище теплового розширеннятел. А саме, при нагріванні збільшуються відстані між частинками речовини і розміри тіла зростають. При охолодженні, навпаки, відстані між частинками зменшуються, у результаті тіло стискається.

Яскравим підтвердженням першого становища МКТ служить також дифузія взаємне проникнення дотичних речовин друг в друга.

Наприклад, на рис. 1 показаний2 процес дифузії в рідині. Частинки розчинної речовини поміщені у склянку з водою та розташовані спочатку у верхній лівій частині склянки. З часом частки переміщаються (як кажуть, дифундують) з області високої концентрації в область низької концентрації. Зрештою концентрація частинок стає скрізь однакової частки рівномірно розподіляються по всьому об'єму рідини.

Мал. 1. Дифузія у рідині

Як пояснити дифузію з погляду молекулярно-кінетичної теорії? Дуже просто: частинки однієї речовини проникають у проміжки між частинками іншої речовини. Дифузія йде тим швидше, чим більше ці проміжки, тому найлегше змішуються один з одним гази (в яких відстані між частинками багато більше розмірівсамих часток).

1.2 Тепловий рух атомів та молекул

Нагадаємо ще раз формулювання другого положення МКТ: частинки речовини здійснюють безладний рух (називається також тепловим рухом), який ніколи не припиняється.

Досвідченим підтвердженням другого становища МКТ служить знов-таки явище дифузії адже взаємне проникнення частинок можливе лише за їх безперервному русі!

2 Зображення із сайту en.wikipedia.org .

Але найяскравішим доказом вічного хаотичного руху частинок речовини є броунівський рух. Так називається безперервний безладний рух броунівських частинок порошин або крупинок (розмірами 10 5 - 104 см), зважених у рідині або газі.

Броунівський рух отримав свою назву на честь шотландського ботаніка Роберта Броуна, який побачив у мікроскоп безперервний танець зважених у воді частинок квіткового пилку. На доказ того, що цей рух відбувається вічно, Броун знайшов шматок кварцу із порожниною, заповненою водою. Незважаючи на те, що вода потрапила туди багато мільйонів років тому, соринки, що опинилися там, продовжували свій рух, який нічим не відрізнявся від того, що спостерігалося в інших дослідах.

Причина броунівського руху полягає в тому, що зважена частка зазнає некомпенсованих ударів з боку молекул рідини (газу), причому в силу хаотичності руху молекул величина та напрямок результуючого впливу абсолютно непередбачувані. Тому броунівська частка описує складні зигзагоподібні траєкторії (рис. 2)3.

Мал. 2. Броунівський рух

Розміри броунівських частинок у 1000-10000 разів перевищують розмір атома. З одного боку, броунівська частка досить мала і поки що відчуває, що в різних напрямкахпо ній б'є різну кількість молекул; ця відмінність у числі ударів призводить до помітних переміщень броунівської частки. З іншого боку, броунівські частки досить великі, щоб їх можна було розглянути в мікроскоп.

До речі, броунівський рух може розглядатися як доказ самого факту існування молекул, т. е. також може бути досвідченим обгрунтуванням першого становища МКТ.

1.3 Взаємодія частинок речовини

Третє положення МКТ говорить про взаємодію частинок речовини: атоми або молекули взаємодіють один з одним силами тяжіння та відштовхування, які залежать від відстаней між частинками: зі збільшенням відстаней починають переважати сили тяжіння, при зменшенні сили відштовхування.

Про справедливість третього становища МКТ свідчать сили пружності, які під час деформаціях тел. При розтягуванні тіла збільшуються відстані між частинками, і починають переважати сили тяжіння частинок друг до друга. При стисканні тіла відстані між частинками зменшуються і в результаті переважають сили відштовхування. В обох випадках пружна силаспрямована у бік, протилежний деформації.

3 Зображення із сайту nv-magadan.narod.ru .

Іншим підтвердженням існування сил міжмолекулярної взаємодії є наявність трьох агрегатних станів речовини.

У газах молекули віддалені один від одного на відстані, що значно перевищують розміри самих молекул (у повітрі при нормальних умовахприблизно у 1000 разів). На таких відстанях сили взаємодії між молекулами практично відсутні, тому гази займають весь наданий їм обсяг і легко стискаються.

У рідини проміжки між молекулами можна порівняти з розмірами молекул. Сили молекулярного тяжіння дуже відчутні та забезпечують збереження рідинами об'єму. Але для збереження рідинами ще й форми ці сили недостатньо великі рідини, як і гази, набувають форми судини.

У Тверді тіла сили тяжіння між частинками дуже великі: тверді тіла зберігають не тільки об'єм, а й форму.

Перехід речовини з одного агрегатного станув інше є результатом зміни величини сил взаємодії між частинками речовини. Самі частки залишаються у своїй незмінними.

 Теорія:Атоми і молекули знаходяться в безперервному тепловому русі, рухаються хаотично, постійно через зіткнення змінюють напрямок і модуль швидкості.

Чим вища температура, тим вища швидкість руху молекул. При зниженні температури зменшується швидкість руху молекул. Існує температура, яку називають " абсолютний нуль- температура (-273 ° С) при якій припиняється тепловий рух молекул. Але "абсолютний нуль" недосяжний.
Броунівський рух - безладний рух мікроскопічних видимих ​​зважених у рідині або газі частинок твердої речовини, що викликається тепловим рухом частинок рідини або газу. Вперше це явище спостерігав у 1827 Роберт Броун. Він досліджував пилок рослин, який знаходився в водному середовищі. Броун зауважив, що пилок з часом весь час зміщується, і чим вища температура, тим швидше швидкістьзміщення пилку. Він припустив, що рух пилку пов'язаний з тим, що молекули води ударяються об пилок і змушують його рухатися.

Дифузія - процес взаємного проникнення молекул однієї речовини у проміжки між молекулами іншої речовини.

Прикладом броунівського руху є
1) безладний рух квіткового пилку в крапельці води
2) безладний рух мошок під ліхтарем
3) розчинення твердих речовин у рідинах
4) проникнення поживних речовинз ґрунту в коріння рослин
Рішення:з визначення броунівського руху відомо, що правильна відповідь 1. Пилок безладно рухається через те, що молекули воду ударяються об неї. Безладний рух мошок під ліхтарем не підходить оскільки мошки самі вибирають напрямок руху, останні дві відповіді це приклади дифузії.
Відповідь: 1.

Завдання оге з фізики (вирішу еге):Який з нижченаведених тверджень є правильним?
А. Молекули чи атоми у речовині перебувають у безперервному тепловому русі, і з аргументів на користь цього є явище дифузії.
Б. Молекули або атоми в речовині знаходяться в безперервному тепловому русі, і доказом цього є явище конвекції.
1) тільки А
2) тільки Б
3) і А, і Б
4) ні А, ні Б
Рішення:Дифузія - процес взаємного проникнення молекул однієї речовини у проміжки між молекулами іншої речовини. Перше твердження правильне, Конвенкція - перенесення внутрішньої енергії з шарами рідини чи газу, виходить що друге твердження неправильне.
Відповідь: 1.

Завдання оге з фізики (фіпі): 2) Свинцеву кульку нагрівають у полум'ї свічки. Як у процесі нагрівання змінюється обсяг кульки та Середня швидкістьрух його молекул?
Встановіть відповідність між фізичними величинами та їх можливими змінами.
Для кожної величини визначте відповідний характер зміни:
1) збільшується
2) зменшується
3) не змінюється
Запишіть у таблиці вибрані цифри кожної фізичної величини. Цифри у відповіді можуть повторюватися.
Рішення (Дякую Мілені) : 2) 1. Обсяг кульки збільшиться за рахунок того, що молекули почнуть рухатися швидше.
2. Швидкість молекул під час нагрівання збільшиться.
Відповідь: 11.

Завдання демонстраційного варіантуОДЕ 2019:Одне з положень молекулярно-кінетичної теорії будови речовини у тому, що «частинки речовини (молекули, атоми, іони) перебувають у безперервному хаотичному русі». Що означають слова безперервний рух?
1) Частинки постійно рухаються у певному напрямі.
2) Рух частинок речовини не підпорядковується жодним законам.
3) Частинки всі разом рухаються то одному, то іншому напрямі.
4) Рух молекул ніколи не припиняється.
Рішення:Молекули рухаються, з-за зіткнень швидкість молекул постійно змінюється, тому ми не можемо вирахувати швидкість і напрямок кожної молекули, але ми можемо вирахувати середню квадратичну швидкість молекул, і вона пов'язана з температурою, при зниженні температури швидкість молекул зменшується. Вважають, що температура при якій припиниться рух молекул дорівнює -273 °С (мінімальна можлива температура в природі). Але вона недосяжна. тому молекули ніколи не перестануть рухатись.

У даному уроцірозглядається поняття теплового руху та такої фізичної величини, як температура.

Теплові явища у житті людини займають величезне значення. З ними ми стикаємося і під час прогнозу погоди, і під час кип'ятіння звичайної води. З тепловими явищами пов'язані такі процеси, як створення нових матеріалів, плавлення металів, згоряння палива, створення нових видів палива для автомобілів та літаків тощо.

Температура є одним з найважливіших понять, пов'язаних з тепловими явищами, так як найчастіше саме температура є найважливішою характеристикоюпротікання теплових процесів.

Визначення.Теплові явища- це явища, пов'язані з нагріванням або охолодженням тіл, а також із зміною їхнього агрегатного стану (рис. 1).

Мал. 1. Плавлення льоду, нагрівання та випаровування води

Усе теплові явищазвязані з температурою.

Усі тіла характеризуються станом свого теплової рівноваги. Головною характеристикоютеплової рівноваги є температура.

Визначення.Температура- це міра "нагрітості" тіла.

Оскільки температура є фізичною величиною, її можна і потрібно виміряти. Для вимірювання температури використовується прилад, який називається термометр(Від грец. термо- «тепло», метрео- "Виміряю") (рис. 2).

Мал. 2. Термометр

Перший термометр (а точніше його аналог) винайшов Галілео Галілей (рис. 3).

Мал. 3. Галілео Галілей (1564-1642)

Винахід Галілея, який він представив своїм студентам на лекціях в університеті наприкінці XVIстоліття (1597 р.), було названо термоскопом. Дія будь-якого термометра заснована на наступному принципі: Фізичні властивостіречовини змінюються залежно від температури.

Досвід Галілеяполягав у наступному: він узяв колбу з довгою ніжкою та наповнив її водою. Потім узяв склянку з водою і перевернув колбу ніжкою донизу, поставивши в склянку. Частина води, природно, вилилася, однак у результаті в ніжці залишився певний рівень води. Якщо тепер нагрівати колбу (в якій знаходиться повітря), то рівень води опускатиметься, а якщо охолоджуватиме, то, навпаки, підвищуватиметься. Це з тим, що з нагріванні речовини (зокрема, повітря) мають властивість розширюватися, а при охолодженні - звужуватися (саме тому рейки роблять несплошными, а дроти між стовпами іноді трохи провисають).

Мал. 4. Досвід Галілея

Ця ідея лягла в основу першого термоскопа (рис. 5), який дозволяв оцінювати зміну температури (точно виміряти температуру таким термоскопом не можна, оскільки його показання сильно залежатимуть від атмосферного тиску).

Мал. 5. Копія термоскопа Галілея

В цей же час було запроваджено так звану градусну шкалу. Саме слово градусу перекладі з латинської означає "ступінь".

На сьогоднішній день збереглися три основні шкали.

1. Шкала Цельсія

Найбільшого поширення набуває шкала, яка з дитинства відома кожному - шкала Цельсія.

Андерс Цельсій (рис. 6) – шведський астроном, який запропонував наступну шкалу температур: – температура кипіння води; - Температура замерзання води. В даний час ми всі звикли до перевернутої шкали Цельсія.

Мал. 6 Андрес Цельсій (1701-1744)

Примітка:сам Цельсій говорив, що такий вибір шкали викликано простим фактом: зате взимку не буде негативної температури

2. Шкала Фаренгейта

В Англії, США, Франції, Латинська Америката в деяких інших країнах популярністю користується шкала Фаренгейта.

Габріель Фаренгейт (рис. 7) – німецький дослідник, інженер, який вперше застосував свою власну шкалу для виготовлення скла. Шкала Фаренгейта тонша: за розмірністю градус шкали Фаренгейта менше градуса шкали за Цельсієм.

Мал. 7 Габріель Фаренгейт (1686-1736)

3. Шкала Реомюра

Технічна шкала вигадана французьким дослідником Р.А. Реомюр (рис. 8). За цією шкалою відповідає температурі замерзання води, а ось як температура кипіння води Реомюром була обрана температура 80 градусів.

Мал. 8. Рене Антуан Реомюр (1683-1757)

У фізиці переважно використовується так звана абсолютна шкала - шкала Кельвіна(Рис. 8). 1 градус за Цельсієм дорівнює 1 градусу за Кельвіном, проте температура відповідає приблизно (рис. 9).

Мал. 9. Вільям Томсон (лорд Кельвін) (1824-1907)

Мал. 10. Температурні шкали

Нагадаємо, що за зміни температури тіла змінюються його лінійні розміри (при нагріванні тіло розширюється, при охолодженні - звужується). Це з поведінкою молекул. При нагріванні збільшується швидкість руху частинок, відповідно вони починають частіше взаємодіяти і обсяг збільшується (рис. 11).

Мал. 11. Зміна лінійних розмірів

З цього можна зробити висновок, що температура пов'язана з рухом частинок, з яких складаються тіла (це відноситься і до твердих, і рідких, і до газоподібних тіл).

Рух частинок у газах (рис. 12) є безладним (оскільки молекули і атоми в газах практично не взаємодіють).

Мал. 12. Рух частинок у газах

Рух частинок у рідинах (рис. 13) є «стрибкоподібним», тобто ведуть молекули « осілий образжиття», але здатні «перестрибувати» з одного місця на інше. Цим визначається плинність рідин.

Мал. 13. Рух частинок у рідинах

Рух частинок у твердих тілах(Рис. 14) називається коливальним.

Мал. 14. Рух частинок у твердих тілах

Таким чином, усі частки перебувають у безперервному русі. Цей рух часток називається тепловим рухом(Безладний, хаотичний рух). Цей рух ніколи не зупиняється (поки у тіла є температура). Підтвердив наявність теплового руху у 1827 році англійський ботанік Роберт Броун (рис. 15), на ім'я якого цей рух називають броунівським рухом.

Мал. 15. Роберт Броун (1773-1858)

На сьогоднішній день відомо, що сама низька температура, Яка може бути досягнута, становить приблизно . Саме за такої температури завмирає рух частинок (проте не завмирає рух усередині самих частинок).

Про досвід Галілея було розказано раніше, а на закінчення розглянемо ще один досвід - досвід французького вченого Гільйома Амонтона (рис. 15), який у 1702 році винайшов так званий газовий термометр . З невеликими змінамицей термометр дійшов до наших днів.

Мал. 15. Гійом Амонтон (1663-1705)

Досвід Амонтона

Мал. 16. Досвід Амонтона

Візьмемо колбу з водою та заткнемо її пробкою з тонкою трубкою. Якщо тепер нагрівати воду, то за рахунок розширення води її рівень у трубці підвищуватиметься. За рівнем підняття води в трубці можна зробити висновок про зміну температури. Перевага термометра Амонтонау тому, що він залежить від атмосферного тиску.

На цьому уроці ми розглянули таку важливу фізичну величину, як температура. Вивчили способи її виміру, характеристики та властивості. На подальших уроках ми вивчимо поняття внутрішня енергія .

Список літератури

1. Генденштейн Л.Е, Кайдалов А.Б., Кожевніков В.Б. / За ред. Орлова В.А., Ройзена І.І. Фізика 8. – К.: Мнемозіна.
2. Перишкін А.В. Фізика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадєєва А.А., Засов А.В., Кисельов Д.Ф. Фізика 8. - М: Просвітництво.

1. Інтернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()
2. Інтернет-портал «school.xvatit.com» ()
3. Інтернет-портал «ponimai.su» ()

Домашнє завдання

1. № 1-4 (параграф 1). Перишкін А.В. Фізика 8. – М.: Дрофа, 2010.

2. Чому не можна проградуювати термоскоп Галілея?

3. Залізний цвях нагріли на плиті:

Як змінилася швидкість руху молекул заліза?

Як зміниться швидкість руху молекул, якщо цвях опустити в холодну воду?

Як зміниться швидкість руху молекул води?

Як змінюється обсяг цвяха за цих дослідів?

4. Повітряну кулькуперенесли з кімнати на мороз:

Як зміниться об'єм кульки?

Як зміниться швидкість руху молекул повітря усередині кульки?

Як зміниться швидкість молекул усередині кульки, якщо її повернути до кімнати і до того ж покласти до батареї?

Події фізичного світуневідривно пов'язані із змінами температури. З нею кожна людина знайомиться в ранньому дитинствіколи розуміє, що лід холодний, а окріп обпалює. У той самий час приходить розуміння, що зміни температури не відбуваються миттєво. Вже потім у школі учень вивчає, що це з тепловим рухом. І процесам, пов'язаним із температурою, виділено цілий розділ фізики.

Що таке температура?

Це наукове поняттявведено заміни звичайних термінів. У повсякденному життіпостійно фігурують такі слова, як гарячий, холодний чи теплий. Усі вони говорять про ступінь нагрітості тіла. Саме так вона визначається у фізиці, тільки з додаванням, що це скалярна величина. Адже температура не має напряму, а лише числове значення.

У міжнародній системі одиниць (СІ) температура вимірюється у градусах Цельсія (ºС). Але в багатьох формулах, що описують теплові явища, потрібно переводити її в Кельвін (К). Для цього існує проста формула: Т = t + 273. У ній Т - температура в Кельвінах, а t - у Цельсіях. Зі шкалою Кельвіна пов'язане поняття про абсолютному нулітемператур.

Існує ще кілька шкал температур. У Європі та Америці, наприклад, у ході Фаренгейти (Ф). Тому їх необхідно вміти записувати у Цельсіях. Для цього із показань у Ф потрібно відняти 32, потім розділити його на 1,8.

Домашній експеримент

У його поясненні потрібно знати такі поняття, як температура, тепловий рух. Та й здійснити цей досвід просто.

Для нього потрібно взяти три ємності. Вони мають бути досить великими, щоб у них легко могли поміститися кисті рук. Наповнити їх водою різної температури. У першому вона має бути дуже холодною. У другому - підігріта. У третій налити гарячу воду, Таку, в якій руку можна буде тримати.

Тепер сам досвід. Опустити ліву рукуу ємність із холодною водою, праву — із найгарячішою. Зачекати пару хвилин. Вийняти їх і відразу занурити в посудину з теплою водою.

Результат виявиться несподіваним. Лівій руці здаватиметься, що вода тепла, у правої виникне відчуття холодної води. Це з тим, що спочатку встановлюється теплове рівновагу з тими рідинами, які руки занурени спочатку. А потім ця рівновага різко порушується.

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії

Вона визначає всі теплові явища. А ці твердження досить прості. Тому у розмові про тепловий рух ці положення знати необхідно.

Перше: речовини утворені найдрібнішими частинками, розташованими на деякому віддаленні одна від одної. Причому цими частинками може бути як молекули, і атоми. А відстань між ними набагато більше розмірів частинок.

Друге: у всіх речовинах спостерігається тепловий рух молекул, який ніколи не припиняється. Частинки у своїй рухаються безладно (хаотично).

Третє: частки взаємодіють між собою. Ця дія обумовлена ​​силами тяжіння та відштовхування. Їхня величина залежить від відстані між частинками.

Підтвердження першого становища МКТ

Доказом того, що тіла складаються з частинок, між якими є проміжки, служить їх Так, при нагріванні тіла його розмір збільшується. Відбувається це через видалення частинок одна від одної.

Іншим підтвердженням сказаного є дифузія. Тобто проникнення молекул однієї речовини між частинками іншої. Причому це переміщення виявляється взаємним. Дифузія проходить тим швидше, що далі один від одного розташовані молекули. Тому в газах взаємне проникнення станеться набагато швидше, ніж у рідинах. А у твердих тілах на дифузію потрібні роки.

До речі, останній процес пояснює тепловий рух. Адже взаємне проникнення речовин одна в одну відбувається без будь-якого втручання з боку. Але його можна прискорити, якщо нагріти тіло.

Підтвердження другого положення МКТ

Яскравим доказом того, що існує тепловий рух — це броунівський рух частинок. Воно розглядається для зважених частинок, тобто для тих, які суттєво більше молекулречовини. Цими частинками можуть бути порошинки або крупинки. А поміщати їх потрібно у воду чи газ.

Причина безладного руху виваженої частки в тому, що з усіх боків її діють молекули. Їхня дія безладна. Розмір впливів у кожен час різна. Тому результуюча сила спрямована то одну, то іншу сторону.

Якщо говорити про швидкість теплового руху молекул, то для неї особлива назва — середня квадратична. Її можна обчислити за такою формулою:

v = √[(3kT)/m 0 ].

У ній Т – температура в Кельвінах, m 0 – маса однієї молекули, k – постійна Больцмана(K = 1,38 * 10 -23 Дж / К).

Підтвердження третього положення МКТ

Частинки притягуються та відштовхуються. У поясненні багатьох процесів, що з тепловим рухом, це знання виявляється важливим.

Адже сили взаємодії залежить від агрегатного стану речовини. Так, у газів їх практично немає, тому що частинки видалені так сильно, що їхня дія не проявляється. У рідинах та твердих тілах вони відчутні та забезпечують збереження об'єму речовини. В останніх вони гарантують ще й підтримку форми.

Доказом існування сил тяжіння та відштовхування є поява сил пружності при деформації тіл. Так, при подовженні посилюються сили тяжіння між молекулами, а при стисканні відштовхування. Але в обох випадках вони повертають тілу первісну форму.

Середня енергія теплового руху

(pV)/N = (2E)/3.

У цій формулі p – тиск, V – обсяг, N – число молекул, E – середня кінетична енергія.

З іншого боку, це рівняння можна записати так:

Якщо їх об'єднати, то вийде така рівність:

З нього випливає така формула для середньої кінетичної енергіїмолекул:

Звідси видно, що енергія пропорційна температурі речовини. Тобто за підвищення останньої частки рухаються швидше. У цьому полягає суть теплового руху, що існує, поки є температура, відмінна від абсолютного нуля.

Тепловий рух

Будь-яка речовина складається з найдрібніших частинок - молекул. Молекула- це найменша частка даної речовини, що зберігає всі її хімічні властивості. Молекули розташовані у просторі дискретно, тобто на деяких відстанях один від одного, і перебувають у стані безперервного безладного (хаотичного) руху .

Оскільки тіла складаються з великої кількості молекул і рух молекул безладно, то не можна точно сказати, скільки ударів зазнаватиме та чи інша молекула з боку інших. Тому кажуть, що становище молекули, її швидкість у момент часу випадкові. Однак це не означає, що рух молекул не підпорядковується певним законам. Зокрема, хоча швидкості молекул у певний момент часу різні, у більшості їх значення швидкості близькі до деякого певному значенню. Зазвичай, говорячи про швидкість руху молекул, мають на увазі середню швидкість (v$cp).

Не можна виділити якийсь певний напрямок, у якому рухаються всі молекули. Рух молекул ніколи не припиняється. Можна сказати, що воно безперервне. Такий безперервний хаотичний рух атомів і молекул називають . Така назва визначається тим, що швидкість руху молекул залежить від температури тіла. Чим більша середня швидкість руху молекул тіла, тим вища його температура. І навпаки, що стоїть температура тіла, то більше вписувалося середня швидкість руху молекул.

Рух молекул рідини було виявлено при спостереженні броунівського руху - руху зважених у ній дуже дрібних частинок твердої речовини. Кожна частка безперервно здійснює стрибкоподібні переміщення у довільних напрямках, описуючи траєкторії у вигляді ламаної лінії. Таку поведінку часток можна пояснити, вважаючи, що вони зазнають ударів молекул рідини одночасно з різних сторін. Відмінність серед цих ударів з протилежних напрямківпризводить до руху частки, оскільки її маса можна порівняти з масами самих молекул. Рух таких частинок вперше виявив у 1827 р. англійський ботанік Броун, спостерігаючи під мікроскопом частки квіткового пилку у воді, чому він і був названий. броунівський рух.