Фазовые превращения и равновесия.
Молекулярная физика.
1.Основные положения молекулярно - кинетической теории строения веществ
- Все вещества состоят из молекул, между которыми имеются промежутки
-Все атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловое движение)
- Атомы и молекулы взаимодействуют между собой
2. Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства.
Атом – химически неделимая частица вещества.
Тепловое движение — процесс хаотического (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество. Чаще всего рассматривается тепловое движение атомов и молекул. Важнейшими доказательствами существования движения молекул является Броуновское движение и диффузия.
3. Броуновское движение — беспорядочное движение микроскопических, видимых, взвешенных в жидкости (или газе) частиц (броуновские частицы) твёрдого вещества (пылинки, крупинки взвеси, частички пыльцы растения и так далее), вызываемое тепловым движением частиц жидкости (или газа).
4.Диффузия — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.
5. Распределение молекул по скоростям (распределение Максвелла).
Скорости молекул газа имеют различные значения и направления, причем из-за огромного числа соударений, которые ежесекундно испытывает молекула, скорость ее постоянно изменяется. Поэтому нельзя определить число молекул, которые обладают точно заданной скоростью v в данный момент времени, но можно подсчитать число молекул, скорости которых имеют значение, лежащие между некоторыми скоростями v1 и v2 . На основании теории вероятности Максвелл установил закономерность, по которой можно определить число молекул газа, скорости которых при данной температуре заключены в некотором интервале скоростей. Согласно распределению Максвелла, вероятное число молекул в единице объема; компоненты скоростей которых лежат в интервале от Vx доVx +dVx , от Vy до Vy +dVy и от Vx до Vz +dVz. Отсюда следует, что число молекул, абсолютные значения скоростей которых лежат в интервале от v до v + dv, имеет вид Распределение Максвелла достигает максимума при скорости , т.е. такой скорости, к которой близки скорости большинства молекул.
С Повышением температуры наиболее вероятная скорость возрастает, поэтому максимум распределения молекул по скоростям сдвигается в сторону больших скоростей, а его абсолютная величина уменьшается. Следовательно, при нагревании газа доля молекул, обладающих малыми скоростями, уменьшается, а доля молекул с большими скоростями увеличивается. Таким образом, .
6. Барометрическая формула.
Барометрическая формула позволяет найтиатмосферное давление в зависимости от высоты или, измерив давление, найти высоту.
7. Температура – физ величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.
Термометр — прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды и так далее. Существует несколько видов термометров: жидкостные, механические, электрические, оптические, газовые.
Наиболее известные температурные шкалы:
1) Шкала Цельсия: за нуль принималась температура смеси воды и льда, а температура кипения воды приравнивалась к 100º. За градус принимается сотая часть интервала между этими реберными точками. Эта шкала более рациональна, чем шкалы Фаренгейта и Реомюра, и широко используется в науке.
2) Шкала Фаренгейта: за нуль принималась точка, до которой в один очень холодный зимний день (дело было в Данциге) опустилась ртуть в термометре учёного. В качестве другой отправной точки он выбрал температуру человеческого тела. По этой не слишком логичной системе точка замерзания воды на уровне моря оказалась равной +32º, а точка кипения воды +212º.
3) Шкала Кельвина: нулевая точка, или абсолютный нуль, представляет собой самую низкую температуру, какая только возможна, т. е. некое теоретическое состояние вещества, при котором его молекулы полностью перестают двигаться. Это значение было получено путём теоретического изучения свойств газа, находящегося под нулевым давлением. По стоградусной шкале абсолютный нуль, или нуль Кельвина, соответствует -273,15ºС. Следовательно на практике 0ºС может быть приравнен к 273К.
4)Шкала Реомюра: За нижнюю реберную точку была принята точка замерзания воды. Градус Реомюр произвольно определил как одну тысячную от объёма, который занимает спирт в резервуаре и трубке термометра при нулевой точке. При нормальных условиях точка кипения воды по этой шкале составляет 80º
8. Идеальный газ.
Идеальным называют газ, обладающий следующими свойствами:
-силы взаимодействия между молекулами отсутствуют
-молекулы рассматриваются как материальные точки
-соударения между молекулами подчиняются законам абсолютно упругого удара
9. Уравнение состояния идеального газа. Законы идеально газа.
Уравнение состояния идеального газа (Клапейрона — Менделеева) — формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. Уравнение имеет вид:
P — давление, Vm — молярный объём, R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура, К, M — молярная масса, m — масса.
Закон Бойля-Мариота – Изотермический процесс T=const, m=const PV=const
Закон Шарля – Изохорный процесс V=const, m=const
Закон Гей-Люссака – Изобарный процесс P=const, m=const =const
Закон Дальтона – давление смеси газов равно сумме их парциональных давлений.
Pi- парциональное давление, i- компонента смеси.
10. Основное уравнение кинетической теории газов.
P – Давление размеренность, Па; V- объём размерности, ; - энергия молекул, Дж.
Термодинамика
1.Изолированная система (замкнутая система) — термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.
2. Теплота (обозначается Q, также называется количество теплоты) — мера энергии, переходящей от одного тела к другому в процессе теплопередачи.
Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Количество теплоты является одной из основных термодинамических величин. Теплоёмкость тела (обычно обозначается латинской буквой C) — физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты δQ, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры δT: Если тела образуют замкнутую систему и между ними происходит только теплообмен, то алгебраическая сумма полученных Qnи отданных Q0энергий равна нулю: Q1 + Q2 + Q3 + .+Qn = 0
3.Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. В теории идеального газа потенциальная энергия взаимодействия молекул считается равной нулю. Поэтому внутренняя энергия идеального газа определяется кинетической энергией движения всех его молекул.
4. Различие между температурой, теплотой и внутренней энергией.
Различие между температурой, теплотой и внутренней энергией можно понять с помощью молекулярно-кинетической теории. Температура является мерой средней кинетической энергии отдельных молекул тела. Тепловая, или внутренняя, энергия тела относится к полной энергии всех молекул тела.(Таким образом, у двух горячих железных брусков одинаковой массы могут быть одинаковые температуры, но тепловая энергия двух брусков будет в два раза больше тепловой энергии одного из них.) Теплота же характеризует передачу энергии(обычно тепловой энергии) от одного тела к другому из-за различия их температур.
5.Первое начало термодинамики.
Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем. В любой изолированной системе запас энергии остаётся постоянным.
при изобарном процессе: , при изохорном процессе (A = 0): , при изотермическом процессе (ΔU = 0): . Здесь m — масса газа, M — молярная масса газа, Cv — молярная теплоёмкость при постоянном объёме, p, V, T — давление, объём и температура газа соответственно, причём последнее равенство верно только для идеального газа.
6.Энтальпия — это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии, сохраненной в его молекулярной структуре, которую можно преобразовать в теплоту.
7. Обратимые и необратимые процессы, пути изменения состояния термодинамической системы. Процесс называют обратимым, если он допускает возвращение рассматриваемой системы из конечного состояния в исходное через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе, но проходимую в обратном порядке. Если невозможно найти способ вернуть и систему, и тела в окружающей среде в исходное состояние, процесс изменения состояния системы называют необратимым.
8. Циклический процесс - термодинамический процесс, в результате которого термодинамическая система после ряда изменений своего состояния возвращается в первоначальное состояние.
Тепловой двигатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию использует зависимость теплового расширения вещества от температуры.
КПД теплового двигателя — отношение совершённой полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле. Где Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику. Наибольшим КПД обладают тепловые двигатели, работающие по циклу Карно.
9. Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.
Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.
Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю.
Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения. «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса).
Двигатель Карно - устройство для преобразования химической энергии в механическую энергию вращения вала, использующее указанную последовательность процессов.
10. Энтропия - мера необратимого рассеяния энергии, мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов.
Третье начало термодинамики (теорема Нернста) — физический принцип, определяющий поведение энтропии при приближении температуры к абсолютному нулю. Является одним из постулатов термодинамики, принимаемым на основе обобщения значительного количества экспериментальных данных. «Приращение энтропии при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система».
Фазовые превращения и равновесия.
Термодинамическая фаза — термодинамическое равновесное состояние вещества, качественно отличающееся по своим физическим свойствам от других равновесных состояний того же вещества.
Фазовый переход в термодинамике — переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий.
Равновесие фаз в термодинамике — состояние, при котором фазы в термодинамической системе находятся в состоянии теплового, механического и химического равновесия.
Если среда однородна во всех своих точках, то такая термодинамическая система будет однофазной, а если система состоит из двух (или более) граничащих между собой однородных сред, то это двухфазная (или многофазная) термодинамическая система. Примером двухфазной системы может служить стеклянный сосуд с налитой в него водой. В этом случае в системе имеется жидкая фаза (вода) и твердая фаза (стекло). Если в состав системы включить окружающий сосуд воздух, то система станет трехфазной. Третья фаза при этом будет газообразной (воздух). Отметим, что смесь газов является однофазной системой, так как в этом случае нет границы раздела. Фазовая диаграмма (диаграмма состояния) — графическое отображение равновесного состояния бесконечной физико-химической системы при условиях, отвечающих координатам рассматриваемой точки на диаграмме (носит название фигуративной точки). Плавление — переход тела из кристаллического твёрдого состояния в жидкое. Плавление происходит с поглощением удельной теплоты плавления и является фазовым переходом первого рода. Кристаллизация — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое с образованием кристаллов. Испарение — постепенный переход вещества из жидкости в газообразную фазу (пар). При тепловом движении некоторые молекулы покидают жидкость через её поверхность и переходят в пар. Вместе с тем, часть молекул переходит обратно из пара в жидкость. Если из жидкости уходит больше молекул, чем приходит, то имеет место испарение. Конденсация — обратный процесс, переход вещества из газообразного состояния в жидкое. При этом в жидкость переходит из пара больше молекул, чем в пар из жидкости. Испарение и конденсация — неравновесные процессы, они происходят до тех пор, пока не установится локальное равновесие (если установится), причём жидкость может полностью испариться, или же прийти в равновесие со своим паром, когда из жидкости выходит столько же молекул, сколько возвращается. Метастабильное состояние - состояние неустойчивого равновесия физической системы, в котором система может находиться длительное время.
Явления переноса.
Диффузия — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.
Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям.
Вязкость (внутреннее трение) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.
Вакуум — среда, содержащая газ при давлениях значительно ниже атмосферного.
Молекулярная физика.
1.Основные положения молекулярно - кинетической теории строения веществ
- Все вещества состоят из молекул, между которыми имеются промежутки
-Все атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловое движение)
- Атомы и молекулы взаимодействуют между собой
2. Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства.
Атом – химически неделимая частица вещества.
Тепловое движение — процесс хаотического (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество. Чаще всего рассматривается тепловое движение атомов и молекул. Важнейшими доказательствами существования движения молекул является Броуновское движение и диффузия.
3. Броуновское движение — беспорядочное движение микроскопических, видимых, взвешенных в жидкости (или газе) частиц (броуновские частицы) твёрдого вещества (пылинки, крупинки взвеси, частички пыльцы растения и так далее), вызываемое тепловым движением частиц жидкости (или газа).
4.Диффузия — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.
5. Распределение молекул по скоростям (распределение Максвелла).
Скорости молекул газа имеют различные значения и направления, причем из-за огромного числа соударений, которые ежесекундно испытывает молекула, скорость ее постоянно изменяется. Поэтому нельзя определить число молекул, которые обладают точно заданной скоростью v в данный момент времени, но можно подсчитать число молекул, скорости которых имеют значение, лежащие между некоторыми скоростями v1 и v2 . На основании теории вероятности Максвелл установил закономерность, по которой можно определить число молекул газа, скорости которых при данной температуре заключены в некотором интервале скоростей. Согласно распределению Максвелла, вероятное число молекул в единице объема; компоненты скоростей которых лежат в интервале от Vx доVx +dVx , от Vy до Vy +dVy и от Vx до Vz +dVz. Отсюда следует, что число молекул, абсолютные значения скоростей которых лежат в интервале от v до v + dv, имеет вид Распределение Максвелла достигает максимума при скорости , т.е. такой скорости, к которой близки скорости большинства молекул.
С Повышением температуры наиболее вероятная скорость возрастает, поэтому максимум распределения молекул по скоростям сдвигается в сторону больших скоростей, а его абсолютная величина уменьшается. Следовательно, при нагревании газа доля молекул, обладающих малыми скоростями, уменьшается, а доля молекул с большими скоростями увеличивается. Таким образом, .
6. Барометрическая формула.
Барометрическая формула позволяет найтиатмосферное давление в зависимости от высоты или, измерив давление, найти высоту.
7. Температура – физ величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.
Термометр — прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды и так далее. Существует несколько видов термометров: жидкостные, механические, электрические, оптические, газовые.
Наиболее известные температурные шкалы:
1) Шкала Цельсия: за нуль принималась температура смеси воды и льда, а температура кипения воды приравнивалась к 100º. За градус принимается сотая часть интервала между этими реберными точками. Эта шкала более рациональна, чем шкалы Фаренгейта и Реомюра, и широко используется в науке.
2) Шкала Фаренгейта: за нуль принималась точка, до которой в один очень холодный зимний день (дело было в Данциге) опустилась ртуть в термометре учёного. В качестве другой отправной точки он выбрал температуру человеческого тела. По этой не слишком логичной системе точка замерзания воды на уровне моря оказалась равной +32º, а точка кипения воды +212º.
3) Шкала Кельвина: нулевая точка, или абсолютный нуль, представляет собой самую низкую температуру, какая только возможна, т. е. некое теоретическое состояние вещества, при котором его молекулы полностью перестают двигаться. Это значение было получено путём теоретического изучения свойств газа, находящегося под нулевым давлением. По стоградусной шкале абсолютный нуль, или нуль Кельвина, соответствует -273,15ºС. Следовательно на практике 0ºС может быть приравнен к 273К.
4)Шкала Реомюра: За нижнюю реберную точку была принята точка замерзания воды. Градус Реомюр произвольно определил как одну тысячную от объёма, который занимает спирт в резервуаре и трубке термометра при нулевой точке. При нормальных условиях точка кипения воды по этой шкале составляет 80º
8. Идеальный газ.
Идеальным называют газ, обладающий следующими свойствами:
-силы взаимодействия между молекулами отсутствуют
-молекулы рассматриваются как материальные точки
-соударения между молекулами подчиняются законам абсолютно упругого удара
9. Уравнение состояния идеального газа. Законы идеально газа.
Уравнение состояния идеального газа (Клапейрона — Менделеева) — формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. Уравнение имеет вид:
P — давление, Vm — молярный объём, R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура, К, M — молярная масса, m — масса.
Закон Бойля-Мариота – Изотермический процесс T=const, m=const PV=const
Закон Шарля – Изохорный процесс V=const, m=const
Закон Гей-Люссака – Изобарный процесс P=const, m=const =const
Закон Дальтона – давление смеси газов равно сумме их парциональных давлений.
Pi- парциональное давление, i- компонента смеси.
10. Основное уравнение кинетической теории газов.
P – Давление размеренность, Па; V- объём размерности, ; - энергия молекул, Дж.
Термодинамика
1.Изолированная система (замкнутая система) — термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.
2. Теплота (обозначается Q, также называется количество теплоты) — мера энергии, переходящей от одного тела к другому в процессе теплопередачи.
Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Количество теплоты является одной из основных термодинамических величин. Теплоёмкость тела (обычно обозначается латинской буквой C) — физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты δQ, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры δT: Если тела образуют замкнутую систему и между ними происходит только теплообмен, то алгебраическая сумма полученных Qnи отданных Q0энергий равна нулю: Q1 + Q2 + Q3 + .+Qn = 0
3.Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. В теории идеального газа потенциальная энергия взаимодействия молекул считается равной нулю. Поэтому внутренняя энергия идеального газа определяется кинетической энергией движения всех его молекул.
4. Различие между температурой, теплотой и внутренней энергией.
Различие между температурой, теплотой и внутренней энергией можно понять с помощью молекулярно-кинетической теории. Температура является мерой средней кинетической энергии отдельных молекул тела. Тепловая, или внутренняя, энергия тела относится к полной энергии всех молекул тела.(Таким образом, у двух горячих железных брусков одинаковой массы могут быть одинаковые температуры, но тепловая энергия двух брусков будет в два раза больше тепловой энергии одного из них.) Теплота же характеризует передачу энергии(обычно тепловой энергии) от одного тела к другому из-за различия их температур.
5.Первое начало термодинамики.
Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем. В любой изолированной системе запас энергии остаётся постоянным.
при изобарном процессе: , при изохорном процессе (A = 0): , при изотермическом процессе (ΔU = 0): . Здесь m — масса газа, M — молярная масса газа, Cv — молярная теплоёмкость при постоянном объёме, p, V, T — давление, объём и температура газа соответственно, причём последнее равенство верно только для идеального газа.
6.Энтальпия — это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии, сохраненной в его молекулярной структуре, которую можно преобразовать в теплоту.
7. Обратимые и необратимые процессы, пути изменения состояния термодинамической системы. Процесс называют обратимым, если он допускает возвращение рассматриваемой системы из конечного состояния в исходное через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе, но проходимую в обратном порядке. Если невозможно найти способ вернуть и систему, и тела в окружающей среде в исходное состояние, процесс изменения состояния системы называют необратимым.
8. Циклический процесс - термодинамический процесс, в результате которого термодинамическая система после ряда изменений своего состояния возвращается в первоначальное состояние.
Тепловой двигатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию использует зависимость теплового расширения вещества от температуры.
КПД теплового двигателя — отношение совершённой полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле. Где Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику. Наибольшим КПД обладают тепловые двигатели, работающие по циклу Карно.
9. Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.
Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.
Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю.
Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения. «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса).
Двигатель Карно - устройство для преобразования химической энергии в механическую энергию вращения вала, использующее указанную последовательность процессов.
10. Энтропия - мера необратимого рассеяния энергии, мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов.
Третье начало термодинамики (теорема Нернста) — физический принцип, определяющий поведение энтропии при приближении температуры к абсолютному нулю. Является одним из постулатов термодинамики, принимаемым на основе обобщения значительного количества экспериментальных данных. «Приращение энтропии при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система».