Уравнение Менделеева – Клапейрона 4 страница

.

При неполном погружении кубика:

.

Закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила (сила Архимеда), численно равная весу вытесненной жидкости (или газа).

Атмосферное давление

Поверхность Земли – дно воздушного океана, который (как и обычный океан) оказывает давление на ней .

вакуум

ртуть 760мм

ртуть

В опыте Вивиани – Торричелли давление атмосферы, переданное ртутью в чаше, уравновесилось давлением столбика ртути высотой 0,76м.

Нормальное атмосферное давление

(во внесистемных единицах ртутного столба (мм.рт.ст.)).

Гидравлический пресс

масло

Внешняя сила создает в жидкости под поршнями сечений и одинаковое давление (в соответствии с законом Паскаля):

;

(выигрыш в силе: ).

Использование гидравлических прессов: штамповка металлических изделий (например, кузовов автомобилей), чеканка монет, прессование керамических заготовок, выдавливание масла из семян подсолнуха и сока из фруктов.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

Это раздел физики, в котором законы механики применяются не к каждой отдельной молекуле вещества, а к их совокупности. При этом используется усредненные физические величины.

Структура вещества

Некоторые простые вещества (гелий, аргон, неон; графит, алмаз) образованы из электрически нейтральных атомов, а металлы – из положительных ионов и коллективизированных электронов.

Более сложные вещества состоят из молекул (групп атомов одного или нескольких элементов), простейшие молекулы: . Иногда можно условно говорить о существовании одноатомных молекул.

Особенности молекулярного движения и взаимодействия

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) основана на трех положениях:

1) вещество состоит из молекул;

2) молекулы находятся в непрерывном движении;

3) молекулы взаимодействуют друг с другом (притягиваются или отталкиваются).

отталкивание

равновесие 1,5•10^-9

, м

притяжение

Особенности движения молекул обусловлены особенностями сил взаимодействие, результирующая которых при больших межмолекулярных расстояниях (газ) равна нулю, при меньших расстояниях (жидкость) – отлична от нуля и максимальна при еще меньших расстояниях (кристалл).

Диффузия – это проникновение молекул некоторого вещества в области пространства, в которых уже находятся молекулы другого вещества, и наоборот (взаимная диффузия).

Броуновское движение

Ботаник Броун, рассматривая под микроскопом каплю жидкости со взвешенными в ней частичками (пыльцой), обнаружил их беспорядочное движение. Частички пыльцы движутся под ударами невидимых в микроскоп молекул.

Диффузия и броуновское движение – подтверждения правильности МКТ.

Идеальный газ

Совокупность множества молекул, размерами которых и взаимодействием на расстоянии можно пренебречь. Единственное их взаимодействие – упругие столкновения.

При достаточно низком давлении и высокой температуре реальные газы (например, азот) по своим свойствам близки к идеальному газу.

Основное уравнение МКТ газа

Давление газ на внутреннюю поверхность сосуда – результат беспорядочных ударов множества молекул. При этом:

,

где - концентрация молекул, - общее число молекул в сосуде, - объем сосуда, - масса молекулы, - средний квадрат скорости молекулы.

Следствия основного уравнения

1. или .

Дж/К – постоянная Больцмана.

2. , отсюда: - температура – количественная мера средней энергии движения молекул вещества.

3. Средняя квадратичная скорость молекулы газа

.

Примеры этой скорости для различных газов при 0⁰С: кислород – 475м/с; азот – 493м/с; водород – 1840м/с.

Уравнение состояния идеального газа

Давление и температура газа, находящегося в сосуде объемом , - проявление движения множества молекул.

Величины - параметры состояния. Математическое выражение, содержащее все параметры, - уравнение состояния.

Уравнение Клапейрона:

.

Коэффициент пропорциональности в нем различен для различных газов.

Моль

Единица количества вещества, 1 моль, - такое количество вещества, которое содержит столько молекул (атомов, ионов), сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода ¹²С.

Число молей .

Авогадро установил:

1) число молекул в моле (постоянная Авогадро);

2) объем моля любого газа при нормальном давлении и температуре 0⁰С:

.

Уравнение Менделеева – Клапейрона

Для различных газов, взятых в одинаковых количествах, коэффициент пропорциональности в уравнении состояния один и тот же (универсален):

а) для одного моля:

;

- универсальная (молярная) постоянная;

б) для молей: .

Изопроцессы в газах

1. Изотермический процесс (расширение или сжатие газа при ).

* * * * * * * * 2

* * * * * * * изотерма

* * * * * * * *

* * * * * * * 1

* * * * * * * *

Под поршнем находится воздух, который сначала занимал в цилиндре объем при давлении и температуре .

Медленным поднятием поршня (чтобы ) на увеличивают объем до .

При давление .

По Клапейрону: ,

- закон Бойля – Мариотта.

2. Изобарный процесс (расширение или сжатие газа при .

* * * * * * * * 2

* * * * * * * изобара

* * * * * * * *

* * * * * * * 1

* * * * * * * *

Расширение газа от до - результат нагревания. Во сколько раз увеличится , во столько раз возрастет , при этом значение сохранится.

,

- закон Гей – Люссака.

3. Изохорный процесс (от греческого «chora» - пространство) (нагревание или охлаждение газа при ).

* * * * * * * *

* * * * * * * изохора

* * * * * * * *

* * * * * * *

* * * * * * * *

Во сколько раз увеличится , во столько раз возрастет .

,

- закон Шарля.

Закон Шарля с использованием температуры по Цельсию

,

- температурный коэффициент давления.

Адиабатный процесс

Это процесс в системе без ее теплообмена с окружением. Аналогично тому, как работа, - количество теплоты ( мера изменения энергии системы путем теплообмена). не может «содержаться» в теле, не может «затрачиваться»; система может получить или отдать . Признак адиабатного процесса: .

Обеспечить условие можно двумя путями:

а) теплоизолировав систему (используя вату, поролон, вакуум);

б) уменьшив время протекания процесса (чтобы окружающая среда не успела повлиять на процесс).

Адиабата подобна изотерме, но имеет большую крутизну.

Температурная шкала Кельвина

(термодинамическая шкала)

-273 ⁰С 0 ⁰С 0

Построенный по экспериментальным данным график закона Шарля (сплошная линия) условно продолжена до пересечения с осью температур. Давление газа исчезло бы при .

Тот же график в координате и , где .

0 - абсолютный нуль температуры.

ТЕРМОДИНАМИКА

Изучает преобразование энергии в системах из многих частиц, игнорируя механизмы тепловых процессов.

Работа в термодинамике

Расширяющийся газ поднимает поршень, совершая работу:

.

Внутренняя энергия вещества

Это суммарная энергия движения и взаимодействия молекул вещества. Молекулы идеального газа не взаимодействуют, поэтому для его моля внутренняя энергия

.

Закон сохранения энергии

В изолированной системе тел при неизбежном наличии сил трения и сопротивления сохраняется не механическая энергия, а полная:

,

где - изменение внутренней энергии.

Первый закон термодинамики

Две формулировки:

а) результатом получения системой количества теплоты является увеличение ее внутренней энергии и совершение ею работы против внешних сил

.

б) Прирост внутренней энергии системы может быть результатом и теплоотдачи в системе, и совершения над нею работы внешними силами

.

Применение первого закона к изопроцессам

и к адиабатному процессу

1. При не изменяется , т.е. , поэтому