Молекулярна фізика

Молекулярна фізика

Молекулярна фізика — це розділ фізики, в якому закони механіки застосовуються не до кожної окремої молекули речовини, а до величезної їх сукупності. При цьому використовуються усереднені фізичні величини (середні швидкість і енергія молекули, середні густина, тиск і т. ін.). Молекулярна фізика вивчає фізичні властивості речовин у різних агрегатних станах.

Основи молекулярнокінетичної теорії. Броунівський рух

Взаємодія атомів і молекул речовин у різних агрегатних станах

Ідеальний газ. Основне рівняння мкт ідеального газу

Подібно до використання в механіці ідеалізованого поняття матеріальної точки, в молекулярній фізиці використовують поняттяідеального газу як величезної сукупності матеріальних точок, які не взаємодіють одна з одною на відстані.
За умови достатньо низького тиску і високої температури реальні гази (азот, кисень та ін.) за своїми властивостями близькі до моделі ідеального газу.
Основним рівнянням МКТ ідеального газу є математичний вираз тиску газу через концентрацію його молекул (де V — об’єм), масу кожної молекули і квадрат середньої швидкості молекули:
.

Рівняння Менделєєва — Клапейрона

Температура та її вимірювання

Результатом спільного розв’язання записаних для 1 моль основного рівняння МКТ і рівняння Менделєєва — Клапейрона є вираз
,
де — стала Больцмана.
Отже: , або , тобто температура — це фізична величина, яка є кількісною мірою середньої енергії теплового руху молекул газу.
Дія приладів для вимірювання температури базується на різних фізичних ефектах. Найбільш поширені рідинні (спиртові й ртутні) термометри, в основі дії яких лежить теплове розширення рідин. Є також термометри газові (термометри тиску), електричні(термометри опору) та ін.

Швидкість молекул ідеального газу

Уже відзначалось, що молекули газів рухаються хаотично, тому можна говорити тільки про середню швидкість.
Із виразу отримують формулу середньої квадратичної швидкості молекули . Для зручності домножують і ділять підкорінний вираз на . Тоді .

Ізопроцеси в газах. Абсолютна температурна шкала

Насичена і ненасичена пара. Залежність температури кипіння рідини від тиску

У 8 класі уже розглядались процеси пароутворення шляхом випаровування і кипіння, одночасно з якими відбувається зворотний процес — конденсація. Якщо випаровування перевищує конденсацію, пара над рідиною ненасичена. При взаємному зрівноваженні цих процесів пара насичена. Чим вища температура, тим більший тиск насиченої пари.
Температура кипіння рідини зале-жить від зовнішнього тиску. Вона зростає при збільшенні тиску (це використовується в харчовій промисловості й медицині для створення автоклавів). При зниженні тиску температура кипіння знижується (високо у горах окріп виявляється «прохолодкуватим», а яйце не вдається зварити вкруту).

Вологість повітря. Точка роси

Властивості поверхні рідини. Поверхневий натяг

Змочування. Капілярні явища

Кристалічні й аморфні тіла. Рідкі кристали

Механічні властивості матеріалів. Види деформацій

 

Основні положення МКТ та їх дослідне обґрунтування. Маса і розмір молекул. Стала Авогадро. Швидкість теплового руху молекул. Дослід Штерна.

1)Броунівський рух. 2)Дифузія.

Маса і розміри молекул

Маса однієї молекули: Число молекул у тілі: N = γNA = (m/M)NA . Для оцінки розміру деякої… Молекули настільки малі, що за допомогою оптичних мікроскопів їх побачити не можна.

Швидкість теплового руху молекул. Дослід Штерна.

Швидкість молекул визначають наступним чином: в циліндрі 1 з вертикальною щілиною 2, з якого видалено повітря, знаходиться вольфрамова нитка… Швидкості молекул:

Ідеальний газ. Основне рівняння МКТ ідеального газу. Температура та її вимірювання. Шкала абсолютних температур.

У ідеального газу: 1.Молекули не мають різмірів. 2.Відсутні сили межмолекулярної взаємодії.…

Рівняння стану ідеального газу (рівняння Менделєєва-Клапейрона). Ізопроцеси в газах

Першим отримав рівняння стану Клапейрон ,

pV = const . T, коефіцієнт пропорційності в ньому різний для різних газів. Менделєєв встановив, що для різних газів за однаковою кількістю речовини (тобто однаковою кількістю молекул) коефіцієнт пропорційності в рівнянні стану один і той же (універсальний). Для одного моля: рVм = RТ. Однаковий для всіх газів коефіцієнт пропорційності R = 8,31 Дж/(моль . К) називається універсальною газовою сталою.

Для молів газу: або Це рівняння називається рівнянням Менделєєва-Клапейрона. Усі досить розріджені гази, як приблизно ідеальні, описуються цим рівнянням. Ізопроцеси – це процеси, за яких один з параметрів стану газу залишається постійним. Газові закони – це закони, яким підкоряються ізопроцеси. Рівняння, що описують ізопроцеси, є окремими випадками стану ідеального газу.

Тепловий рух. Внутрішня енергія та способи її зміни. Кількість теплоти. Питома теплоємність речовини. Робота в термодинаміці. Закон збереження енергії в теплових процесах (1 закон термодинаміки). Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів. Адіабатній процес.

Внутрішня енергія(U) тіла – це сума кінетичної енергії руху його молекул і потенціальної енергії їх взаємодії між собою. Молекули ідеального газу не взаємодіють, тому для одного моля газу:

Um =Wk NA = 3/2 k T NA = 3/2 RT, де k = 1,38 . 10 -23Дж/К – стала Больцмана, R =8,31 Дж/(моль . К) – універсальна газова стала. У загальному випадку (наприклад, для рідких і твердих тіл) нехтувати потенціальною енергією взаємодії між тілами не можна. Тому внутрішня енергія тіла залежить не тільки від температури, але й від обєму тіла. У той же час вона не залежить від швидкості руху тіла як цілого, від висоти над Землею тощо. Кількість теплоти ( Q) – це фізична характеристика теплових процесів, яка еквівалентна роботі А – характеристиці механічних процесів. Обидві ці величині є кількісними мірами зміни енергії. Робота дорівнює зміні енергії системи шляхом механічних процесів: А = ΔWмех, а кількість теплоти дорівнює зміні енергії системи шляхом теплових процесів (за рахунок теплообміну даної системи з іншою, тобто теплообміну між тілами, без виконання механічної роботи): Q = ΔWтепл. Одиниці вимірювання обох величин одні й ті самі: [A] = [Q] = Дж. З курсу фізики 8-го класу відомо, що для нагрівання тіла масою т від температури t1 до температури t2 треба надати йому кількість теплоти:

Q = ст(t2 – t1) = ст Δ t.

Під час остигання тіла його кінцева температура t2 менша за початкову t1 і кількість теплоти, яку тіло віддає відємна. Коефіцієнт с у даній формулі називають питомою теплоємністю. Питома теплоємність – це кількість теплоти, яку треба надати 1 кг речовини, щоб змінити її температуру на 1 К. Питома теплоємність залежить не тільки від властивостей речовини, а й від того, при якому процесі відбувається теплопередача. Якщо нагрівати газ при сталому тиску, то він розширюватиметься і виконуватиме роботу, тому щоб нагріти газ на 1 К при сталому тиску, йому треба передати більшу кількість теплоти, ніж для нагрівання при сталому обємі. Рідкі й тверді тіла розширюються під час нагрівання мало,тому їхні питомі теплоємності при столому обємі і сталому тиску відрізняються мало.

Перший закон термодінаміки

Застосування І закону термодінаміки до ізопроцесів

Файл:155

Необоротність теплових процесів. Принцип дії теплових двигунів. ККД теплового двигуна і його максимальне значення. Теплові двигуни і проблеми охорони навколишнього середовища.

 

Пароутворювання (випаровування та кипіння). Конденсація. Питома теплота пароутворення. Насичена і ненасичена пара, їхні властивості. Вологость повітря та її вимірювання.

Питома теплота пароутворення

Властивості пари: • тиск насиченої пари рідини при незмінній температурі - величина стала; • концентрація молекул насиченої пари у закритому обємі з рідиною завжди встановлюється при даній температурі одна і та сама незалежно від обєму, який займає пара; • тиск насиченої пари зростає з підвищенням температури.

Критична температура – температура Тк, при якій густини рідини і пари стають однаковими , при чому зникає межа розділу між рідиною і парою, перетворюється у нуль теплота пароутворення, пару і рідину не можна розрізнити. Стан, за якого відбувається це явище, називається критичним станом. Тиск насиченої пари рідини при її критичній температурі називають критичним тиском. Для води, наприклад, критичний тиск дорівнює 2,2 . 107 Па (225,6 атм), для оксиду вуглецю СО2 – 7,35 . 106 Па (75 атм), а для гелію – всього 0,23. 106 Па (2,3,атм). Об`єм, що його займає речовина у критичному стані називають критичним об`ємом.

Він відповідає найбільшому значенню обєму, який може займати дана маса речовини у рідкому стані

Пристрої для вимірювання вологості повітря: • психрометри; • гігрометри.

Психрометр складається з двох термометрів. Резервуар, що містить спирт, в одного з термометрів обгорнутий вологою тканиною, з якої випаровується вода, внаслідок чого відбувається охолодження спирту. Чим менш вологе повітря тим нижчу температуру показує термометр. За різницею показників термометрів з використанням психометричної таблиці визначають вологість повітря.

Плавлення і кристалізація тіл. Питома теплота плавлення. Птиома теплота згоряння палива. Рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів.

Питома теплота плавлення

Питома теплота згоряння палива (теплотворна здатність)

Поверхневий натяг рідини. Сила поверхневого натягу. Змочування. Капілярні явища.

На молекулу В всередині рідини з усіх боків діють сусідні молекули, так що результуюча сила їх дії на дану молекулу дорівнює нулю. На молекулу А у поверхневому шарі сусідні молекули рідини діють сильніше, ніж молекули пари над рідиною. Результуюча сила відмінна від нуля і напрямлена всередину рідини. Тому існує тенденція рідини мати на межі з повітрям форму з найменшою поверхнею ( сферичну).

Сила, яка викликає скорочення вільної поверхні рідини, називається силою поверхневого натягу. Ця сила прямо пропорційна довжині контура, що обмежує вільну поверхню: FH ~l, FΗ = σl. Коефіцієнт пропорційності: σ = FH / l характеризує звязки між молекулами рідини і називається поверхневим натягом рідини: [σ] = H/м.

Кристалічні та аморфні тіла. Механічні властивості твердих тіл. Види деформації. Модуль Юнга.