Раздел III. Молекулярная физика. Тепловые явления.
| Самостоятельная работа студента | Количество часов |
| Работа с расчетными заданиями | |
| Ответы на контрольные вопросы | |
| Работа с конспектами (подготовка к устному опросу) | |
| Подготовка мультимедийных презентаций по теме: Проблемы теплоэнергетики и охрана окружающей среды. | |
| Всего: 16 часов |
Учебные цели:
Студент должен уметь:
формулировать и обосновывать основные положения молекулярно - кинетической теории;
объяснять связь средней кинетической энергии молекул с температурой по шкале Кельвина; физическую сущность следующих понятий: внутренняя энергия, работа, количество теплоты, способы изменения внутренней энергии, принцип действия тепловой машин; понятие фазы вещества; свойства насыщающего пара; особенности атмосфер планет; газообразное, жидкое и твердое состояние вещества; явления поверхностного натяжения жидкости, смачивание и капиллярности;
переводить значения температур из шкалы Цельсия в шкалу Кельвина и обратно;
решать задачи с использованием уравнения Менделеева – Клапейрона; с использованием первого начала термодинамики; на расчет работы газа при изобарном процессе; на определение к.п.д. тепловых двигателей; на определение относительной и абсолютной влажности воздуха;
применять первое начало термодинамики к изопроцессам в идеальном газе.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению самостоятельной работы №1
Для решения задач №№ 1 - 37 изучите материал раздела: «Молекулярная физика. Тепловые процессы», ознакомьтесь с примерами решения задач 1-5.
Задача 1. Найти число молекул в 2 кг углекислого газа.
| Дано: | Решение: |
| m= 2 кг μ= 44·10-3кг/моль n-? | Масса одной молекулы:  где  (Число Авогадро). Число молекул в массе 2 кг:  Откуда:  Ответ: 2,7·1025. |
Задача 2. Баллон содержит сжатый газ под давлением 5-105 Па. Каково будет давление газа, если из баллона выпущена половина массы газа, а температура возрастает от 10 до 27° С ?
| Дано: | Решение: |
| P1= 5·105 Па T1= 290 K T2= 300 K P2-? | Параметры первого состояния газа:  параметры второго состояния газа:  Запишем уравнение Менделеева – Клапейрона для каждого состояния:  ;  Разделив почленно первое равенство на второе, получим  или  откуда:  Ответ: 2,6·105 Па. |
Задача 3. В латунный калориметр массой 128 г, содержащий 240 г воды при температуре 8,4 ° С, опущено металлическое тело массой 380 г, нагретое до температуры 100 °C. Тепловое равновесие установилось при температуре 21,5°C. Найти удельную теплоемкость вещества металлического тела.
| Дано: | Решение: |
| Ск = 3,8·102 Дж/кг·К Св = 41,9·102 Дж/кг·К mk= 0,128 кг Тв=281,4 К mT= 0,38 кг ТТ=373 К θ=224,5 К СТ-? | В теплообмене участвует три тела: калориметр, вода и металлическое тело. Металлическое тело отдает теплоту, а калориметр и вода получают. На основании закона сохранения энергии имеем:   , откуда:  . Подставляя данные условия задачи, получим:  Ответ:460 Дж/кг· К. |
Задача 4. Трактор расходует в час 20 кг дизельного топлива. Определить мощность двигателя трактора, если его КПД 30%.
| Дано: | Решение: |
| t= 1ч m= 20 кг η= 30% q= 4·107 Дж/кг N-? | Количество теплоты, выделившейся при сгорании топлива:  ,где q – удельная теплота сгорания, m – масса тела. За счет энергии, выделившейся при сгорании топлива, совершена механическая работа:  (1), Мощность двигателя :  (2). Подставляя (1) в (2), получим:  Ответ: 7·106 Вт. |
Задача 5. Относительная влажность воздуха при 200С равна 58%. При какой максимальной температуре выпадет роса? Плотность насыщающего пара 17·10-3 кг/м3 при 200С.
| Дано: | Решение: |
| t= 200 С φ= 0,58 ρн = 17,3·103кг/м3 Найти tp. | Определим абсолютную влажность воздуха при 200 С: ρ = φ· ρн; ρ = 0,58·17,3·10-3кг/м3= 10,034·10-3 кг/м3. Роса выпадет, если абсолютная влажность будет больше плотности насыщенных паров при максимальной температуре. В данном случае абсолютная влажность воздуха ρ = 10,034·10-3кг/м3 больше плотности насыщенных водяных паров 10·10-3 кг/м3. При максимальной температуре 110С (берется из таблицы давлений насыщенных водяных паров). Следовательно, роса выпадет при температуре 110С. |
ЗАДАНИЯ НА САМОСТОЯТЕЛЬНУЮ РАБОТУ № 1
1. Воздух объемом 1,45 м, находящийся при температуре 20°С и давлении 100 кПа, превратили в жидкое состояние. Какой объем займет жидкий воздух, если его плотность 861 кг/м?
2. Найти массу природного горючего газа объемом 64 м3, считая, что объем указан при нормальных условиях. Молярную массу природного горючего газа считать равной молярной массе метана (СН4).
3. Определить среднюю кинетическую энергию молекул одноатомного газа и концентрацию молекул при температуре 290 К и давлении 0,8 МПа.
4. Во сколько раз средняя квадратичная скорость молекул кислорода меньше средней квадратичной скорости молекул водорода, если температуры этих газов одинаковы?
5. Резиновую лодку надули при температуре 7°С до рабочего давления 108 кПа. Имеется ли опасность разрыва лодки при повышении температуры на 37 °С, если предельно допустимое давление 110,6 кПа и увеличение объёма не должно превышать 4%? Что надо сделать для предотвращения опасности взрыва?
6. При какой температуре средняя квадратичная скорость молекул азота 830 м/с ?
7. В баллоне вместимостью 10 л находится газ, при температуре 27 °С. Вследствие утечки газа давление в баллоне снизилось на 4,2 кПа. Сколько молекул вышло из баллона? Температуру считать неизменной.
8. Какое количество вещества содержится в газе, если при давлении 200 кПа и температуре 240 К его объём равен 40 л?
9. В начальном состоянии давление кислорода массой 320 г было 83 кПа. При увеличении температуры на 100 К объём кислорода возрос на 50 л и давление стало 99,6 кПа. Найти начальный объём и температуру газа.
10. В баллоне находится газ при температуре 15°С. Во сколько раз уменьшится давление газа, если 40 % его выйдет из баллона, а температура при этом понизится на 8°С?
11. Газ при давлении 0,2 МПа и температуре 15°С имеет объем 5 л. Чему равен объем газа этой массы при нормальных условиях?
12. Какое давление рабочей смеси устанавливается в цилиндрах двигателя автомобиля ЗИЛ-130, если после такта сжатия температура повышается с 500 С до 250°С, объем уменьшается с 0,75 до 0,12 л? Первоначальное давление равно 80 кПа.
13. В фляжке вместимостью 0,5 л находится 0,3 л воды. Турист пьет из нее воду, плотно прижав губы к горлышко так, что в фляжку не попадает наружный воздух. Сколько воды удастся выпить туристу, если он может понизить давление оставшегося в фляжке воздуха до 80 кПа?
14. Водяной паук серебрянка строит в воде воздушный домик, перенося на лапках и брюшке пузырьки атмосферного воздуха и помещая их под купол паутины, прикрепленный концами к водным растениям. Сколько рейсов надо сделать пауку, чтобы на глубине 50 см построить домик объемом 1 см3, если каждый раз он берет 5 мм3 воздуха при атмосферном давлении?
15. Какова была начальная температура воздуха, если при нагревании его на 3 К объем увеличился на 1 % от первоначального?
16. Газ занимал объем 12,32 л. Его охладили при постоянном давлении на 45°С и объем его стал равен 10,52 л. Какова была первоначальная температура газа?
17. В вентиляционную трубу жилого дома поступает наружный воздух при температуре – 26°С. Какой объем займет каждый кубический метр наружного воздуха, когда он поступит в комнату и нагреется до 23°С?
18. В ванночку, наполненную водой при 39°С, опускают перевернутый цилиндрический стакан, причем уровень воды внутри и вне стакана одинаков. Расстояние от уровня воды в стакане до его дна равно 160 мм3. На сколько поднимется уровень воды в стакане, если понизить температуру воды до 0°С?
Упругостью паров воды пренебречь.
19. Топочные газы при выходе из трубы в атмосферу имеют температуру 127°С, причем первоначальный объем их уменьшился в 3,5 раза. Считая давление неизменным, определить первоначальную температуру газов.
20. Полый стеклянный шарик с внутренним объемом 10 см3 и узкой шейкой был нагрет до 400°С. Затем шейку опустили в ртуть, имеющую комнатную температуру 16°С. Найти массу ртути, вошедшей в шарик.
21. Манометр на баллоне с кислородом показывает давление 98 атм. В помещении с температурой 24°С. Когда баллон вынесли в сарай, где температура была -12°С, манометр показал 86 атм. Не произошла ли утечка газа за время, прошедшее между двумя измерениями давления?
22. Находившийся в баллоне газ нагрели от 27 до 87°С, причем давление возросло на 8 атм. Определить первоначальное значение давления. Расширением баллона пренебречь.
23. Водород при давлении 50 атм. и температуре 0°С, заполняет баллон вместимостью 60 л. Какова масса газа? Какой объем он займет при нормальных условиях?
24. Автомобильную камеру емкостью 12 л нужно накачать до давления 3,5 атм. Найти, сколько качаний следует сделать насосом, забирающим при каждом качании 500 см3 воздуха, если камера вначале была пустой.
25. В воде всплывают пузырьки воздуха. Определить, на какой глубине пузырек воздуха имел вдвое меньший объем, чем у поверхности воды. Атмосферное давление нормальное. Изменение температуры, давление пара и искривление поверхности не учитывать.
26. На сколько изменилась внутренняя энергия одноатомного газа, количество вещества которого ν=l моль, при его изобарном нагревании на ∆Т= 100 К? Какую работу совершил при этом газ и какое количество теплоты ему было сообщено?
27. В калориметр с теплоемкостью 63 Дж/К было налито 25 г масла при 12°С. После опускания в масло тела мaсcoй 500 г при 100°С, установилась общая температура 33°С. Какова удельная теплоемкость тела.
28. Для приготовления ванны вместимостью 200 л смешали холодную воду при 10°С с горячей при 60°С. Какие объемы той и другой воды надо взять, чтобы температура установилась 40°С?
29. В сосуд, содержащий 1,5 кг воды при 15°С, впускают 200 г водяного пара при 100°С. Какая общая температура установится после конденсации пара?
30. Колбу с 600 г воды при 10°С нагревают на спиртовке с КПД 35 %. Через сколько времени вода закипит? Сколько воды ежесекундно обращается в пар при кипении, если за 1 мин сгорает 2 г спирта? Теплоемкость колбы 100 Дж/К.
31. Алюминиевый чайник массой 400 г, в котором находится 2 кг воды при 10°С, помещают на газовую горелку с КПД 40 %. Какова мощность горелки, если через 10 мин вода закипела, причем 20 г воды выкипело?
32. В сосуд, содержащий 2,8 л воды при 20°С, бросают кусок стали массой 3 кг, нагретый до 460°С. Вода нагревается до 60°С, а часть ее обращается в пар. Найти массу воды, обратившейся в пар. Теплоемкостью сосуда пренебречь.
33. Сколько дров надо сжечь в печке с КПД 40 %, чтобы получить из 200 кг снега, взятого при температуре -10°С, воду при 20°С?
34. Сколько стали, взятой при 20°С, можно расплавить в печи с КПД 50 %, сжигая 2 т каменного угля?
35. Для определения удельной теплоты плавления олова в калориметр, содержащий 330 г воды при 7°С, влили
350 г расплавленного олова при температуре затвердевания, после чего в калориметре, теплоемкость которого 100 Дж/К, установилась температура 32°С. Определить значение удельной теплоты плавления олова по данным опыта.
36. Относительная влажность воздуха при 20 °C равна 58%. При какой максимальной температуре выпадет роса? Плотность насыщающего пара 17,3 • 10-3 кг/м3 при 20 °C.
37. Под каким давлением в воде находится воздушный пузырек на глубине 2 м? Атмосферное давление 105 Па. Добавочное давление, обусловленное кривой поверхностью воздушного пузырька, не учитывать.
Критерии оценивания письменной самостоятельной работы смотреть в разделе «Самостоятельная работа №1», раздел «Механика».
Таблица№2
| № задания | Варианты заданий | |||||||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | + | |||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | + | + | + | |||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | + | |||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | + | |||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | |||||||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | |||||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | + | |||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | |||||||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | + | |||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | + | |||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + | ||||||||||||||||||||||||||
| | + | |||||||||||||||||||||||||||||||
| | + | + | + | + | + | + |
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению самостоятельной работы №2
Ответы на контрольные вопросы
Для подготовки ответов на контрольные вопросы изучите материал раздела: «Молекулярная физика. Тепловые процессы»;
Ознакомьтесь с критериями оценивания устного ответа (смотреть «Методические указания к выполнению самостоятельной работы №2, раздел «Механика»).
Найти нужную информацию также возможно с использованием общих сайтов по физике (смотреть «Методические указания к выполнению самостоятельной работы №2, раздел «Механика»).
Контрольные вопросы
Молекулярная физика
1. Сформулируйте основные положения молекулярно – кинетической теории.
2. Что такое молекула?
3. Что такое атом?
4. Дайте понятие микро- и микромира.
5. Что такое относительная молекулярная масса?
6. Что называется количеством вещества? Единица измерения.
7. Каков физический смысл постоянной Авогадро?
8. Чем обусловлено броуновское движение?
9. Что такое диффузия?
10. Каков характер зависимости сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния между молекулами?
11. Изобразите зависимость потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними.
12. Какие агрегатные состояния вещества существуют?
13. Какими скоростями характеризуют движение молекул газа?
14. Какой газ называют идеальным?
15. Назовите параметры состояния газа.
16. Что такое давление газа? Чем оно обусловлено?
17. Что понимают под средней длиной свободного пробега молекул?
18. Дайте понятие вакуума.
19. Сформулируйте основное уравнение молекулярно – кинетической теории газов.
20. Что называется термодинамическим процессом? Изопроцессом?
21. Сформулируйте законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля.
22. Какая температура называется термодинамической?
23. Какой физический смысл имеют молярная газовая постоянная и постоянная Больцмана?
24. Какова связь между кинетической энергией поступательного движения молекул газа и его термодинамической температурой?
25. Выведите уравнение Клапейрона -Менделеева из основного уравнения молекулярно-кинетической теории.
Тепловые процессы
1. Какие методы исследования свойств макроскопических систем применяются в молекулярной физике? В чем состоит различие этих методов?
2. Что называют термодинамической системой?
3. Сто называют термодинамическим процессом?
4. Дайте понятие обратимого и необратимого процессов.
5. Дайте понятие внутренней энергии системы.
6. От чего зависит внутренняя энергия идеального газа?
7. Какие формы передачи энергии вам известны? Расскажите о них.
8. Какова разница между теплоемкостью тела и удельной теплоемкостью?
9. В чем смысл уравнения теплового баланса и какое отношение оно имеет к закону сохранения энергии?
10. Сформулируйте первое начала термодинамики.
11. Дайте определение адиабатного процесса.
12. От чего зависит к. п. д. тепловой машины?
13. О чем говорит второе начало термодинамики?
14. Что такое термодинамическая шкала температур?
15. Приведите примеры известных вам тепловых двигателей.
16. Наносит ли ущерб природе работа тепловых двигателей?