10 класс

Количество вещества. Масса вещества

Концентрация молекул- число молекул в единице объема  n = N/v
Относительная молекулярная масса (атомная) вещества Mr равна отношению массы m0 молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода C
               Mr = m0 /  0,12m0  С  ;
Молярная масса вещества   - масса вещества, взятого в количестве                     1 моль                               М =  10 -3 Mr кг моль-1 ;
                                                  М = m0 NА
1моль – это количество вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов, сколько атомов содержится в углероде массой 12г.
В одном моле любого вещества содержится одно и тоже число атомов и молекул.Это число называется постоянной Авогадро
                                                              NА = 6,02 1023 моль-1  ;
Количество вещества равно отношению числа молекул N в данном теле к постоянной Авогадро NА                    
                                                  V = N/NА ;
Количества вещества равно отношению массы вещества к его молярной массе
                                                  V =  m / М ;
Число молекул                       N = V NА  ; N =  NА m / М ;
Масса вещества                 m = m0 N;   где m0 масса атома (молекулы)

                             









Термодинамика
Раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями
Внутренняя энергия
Внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий хаотического движения всех молекул относительно центра масс тела и потенциальная энергия взаимодействия всех молекул друг с другом                
           U = Eкин + Eпот всех молекул,   для идеального газа:    U=EkN
                                                                                          
т.к. kNA = R,


Внутренняя энергия одноатомного идеального газа вычисляется по формуле(1)                                                                                                        Молекула одноатомного идеального газа имеет 3 степени свободы, т.е. может свободно перемещаться в трёх направлениях: вперёд-назад, вправо-влево, вверх-вниз.                                            
(2  )  
                                                                                                                                                             Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре (1).Внутренняя энергия зависит от макроскопических параметров: температуры и объема(1),(2).
Работа в термодинамике                         
               Aгаза=P(V2-V1)
           Aвнешней силы= - P(V2-V1)


Количество теплоты  
                                                                                                                                               Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называют теплообменом или теплопередачей, а количество переданной при этом энергии - количеством теплоты Q.                                                                                                                           Для изменения температуры тела на Δt градусов необходимо передать телу количество теплоты Q = mcΔtгде m – масса тела, c – удельная теплоёмкость, Δt – изменение температуры.                                                                                                                                                           Для вычисления количества теплоты, необходимого для фазового перехода, нужно найти произведение массы тела на удельную теплоты этого фазового перехода.


При плавлении и кристаллизации Q = ±λ
При парообразовании и конденсации  Q = ±rm





Первый закон термодинамики 
Количество теплоты, полученное системой, расходуется на изменение её внутренней энергии и на работу, производимую системой против внешних сил  
                                                   Q=∆U+A


Закон Кулона
Зако́н Куло́на — это закон, описывающий силы взаимодействия  междуточечными электрическими зарядами
Точечный заряд - это заряженное тело, размер которого много меньше расстояния его возможного действия на другие тела                                                                                           Определение закона Кулона
Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме
прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратно пропорциональна
 квадрату расстояния между ними.
                                                                                          Где  q1 и q2 - заряды; r - расстояние между зарядами; k - коэффициент пропорциональности, равный силе взаимодействия единичных зарядов на расстоянии, равном единице длины


Силы взаимодействия двух  точечных заряженных тел направлены вдоль прямой,
соединяющей эти тела
Если заряды имеют одинаковые знаки, то они взаимно отталкиваются. А если противоположные - взаимно притягиваются
Единицы заряда -1 Кулон   1 мкКл = 10 – 6  Кл;         1 нКл = 10 – 9 Кл;
Один Кулон – это заряд проходящий за 1 с через поперечное
сечение проводника при силе тока 1А.
Заряд в 1 Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов,
по 1 Кл каждый, расположенных на расстоянии 1 км друг от друга, чуть
 меньше силы, с которой земной шар притягивает груз массой 1 т.
Минимальный заряд – это заряд элементарных частиц: электрона

ТВЕРДЫЕ ТЕЛА. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕЛА. АМОРФНЫЕ ТЕЛА

Твердые тела отличаются постоянством формы и объема и делятся на кристаллические и аморфные.


Кристаллические тела

Кристаллические тела (кристаллы)- это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают упорядоченные положения в пространстве.

Частицы кристаллических тел образуют в пространстве правильную кристаллическую пространственную решетку.


Каждому химическому веществу, находящемуся в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая решетка, которая задает физические свойства кристалла.


Много лет назад в Петербурге на одном из неотапливаемых складов лежали большие запасы белых оловянных блестящих пуговиц. И вдруг они начали темнеть, терять блеск и рассыпаться в порошок. За несколько дней горы пуговиц превратились в груду серого порошка. "Оловянная чума" - так к прозвали эту «болезнь» белого олова.


А это была всего лишь перестройка порядка атомов в кристаллах олова. Олово, переходя из белой разновидности в серую, рассыпается в порошок.


И белое и серое олово — это кристаллы олова, но при низкой температуре изменяется их кристаллическая структура, а в результате меняются физические свойства вещества.


Кристаллы могут иметь различную форму и ограничены плоскими гранями.


В природе существуют:


а) монокристаллы - это одиночные однородные кристаллы, имеющие форму правильных многоугольников и обладающие непрерывной кристаллической решеткой


Монокристаллы поваренной соли.

б) поликристаллы - это кристаллические тела, сросшиеся из мелких, хаотически расположенных кристаллов

Большинство твердых тел имеет поликристаллическую структуру (металлы, камни, песок, сахар).


Поликристаллы висмута.

Анизотропия кристаллов


В кристаллах наблюдается анизотропия - зависимость физических свойств ( механической прочности, электропроводности, теплопроводности, преломления и поглощения света, дифракции и др.) от направления внутри кристалла.


Анизотропия наблюдается в основном в монокристаллах.


В поликристаллах (например, в большом куске металла) анизотропия в обычном состоянии не проявляется.

Поликристаллы состоят из большого количества мелких кристаллических зерен. Хотя каждый из них обладает анизотропией, но за счет беспорядочности их расположения поликристаллическое тело в целом утрачивает анизотропию.

Любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре плавления: железо — при 1530°,олово — при 232°, кварц — при 1713°, ртуть— при минус 38°.


Нарушить порядок расположения в кристалле частицы могут, только если он начал плавиться.


Пока есть порядок частиц, есть кристаллическая решетка - существует кристалл. Нарушился строй частиц - значит, кристалл расплавился - превратился в жидкость, или испарился - перешел в пар.



Аморфные тела


Аморфные тела не имеют строгого порядка в расположении атомов и молекул (стекло, смола, янтарь, канифоль).


В амофных телах наблюдается изотропия - их физические свойства одинаковы по всем направлениям.


При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства (при ударах раскалываются на куски как твердые тела) и текучесть (при длительном воздействии текут как жидкости).


При низких температурах аморфные тела по своим свойствам напоминают твердые тела, а при высоких температурах - подобны очень вязким жидкостям.


Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления, а значит,и температуры кристаллизации.

При нагревании они постепенно размягчаются.

Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями.



Интересно!


Одно и то же вещество может встречаться и в кристаллическом и в некристаллическом виде.


В жидком расплаве вещества частицы движутся совершенно беспорядочно.

Если, например, расплавить сахар:

Если расплав застывает медленно, спокойно, то частицы собираются в ровные ряды и образуются кристаллы. Так получается сахарный песок или кусковой сахар.


Если остывание происходит очень быстро, то частицы не успевают построиться правильными рядами и расплав затвердевает некристаллическим. Так, если вылить расплавленный сахар в холодную воду или на очень холодное блюдце, образуется сахарный леденец, некристаллический сахар.


Удивительно!


С течением времени некристаллическое вещество может «переродиться», или, точнее, закристаллизоваться, частицы в них собираются в правильные ряды.


Только срок для разных веществ различен:для сахара это несколько месяцев, а для камня — миллионы лет.


Пусть леденец полежит спокойно месяца два-три.Он покроется рыхлой корочкой. Посмотрите на нее в лупу: это мелкие кристаллики сахара. В некристаллическом сахаре начался рост кристаллов. Подождите еще несколько месяцев — и уже не только корочка, но и весь леденец закристаллизуется.


Даже наше обыкновенное оконное стекло может закристаллизоваться. Очень старое стекло становится иногда совершенно мутным,потому что в нем образуется масса мелких непрозрачных кристаллов.


На стекольных заводах иногда в печи образуется «козел», то есть глыба кристаллического стекла. Это кристаллическое стекло очень прочное.Легче разрушить печь, чем выбить из нее упрямого «козла».

Исследовав его, ученые создали новый очень прочный материал из стекла - ситалл. Это стеклокристаллический материал, полученный в результате объёмной кристаллизации стекла.


Любопытно!


Могут существовать разные кристаллические формы одного и того же вещества.

Например, углерод.


Графит - это кристаллический углерод. Из графита сделаны стержни карандашей, которые оставляют след на бумаге при легком надавливании. Структура графита слоиста. Слои графита легко сдвигаются, поэтому чешуйки графита пристают к бумаге при письме.


Но существует и другая форма кристаллического углерода — алмаз.


Так расположены атомы углерода в кристалле графита (слева) и алмаза (справа).


Алмаз — самый твердый на земле минерал.


Алмазом режут стекло и распиливают камни, применяют для бурения глубинных скважинах, полируют сверхтвердые сплавы, алмазы необходимы для производства тончайшей металлической проволоки диаметром до тысячных долей миллиметра, например, вольфрамовых нитей для электроламп.

ВЗАИМНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ. ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА.

Взаимные превращения жидкостей и газов - это процессы перехода вещества из одного состояния в другое.

Испарение

Испарение – это процесс перехода жидкости в пар (газообразное состояние).

Испарение происходит при любой температуре жидкости.

Пар - это газообразное состояние вещества, в которое переходят жидкости при испарении.


Молекулы жидкости при тепловом движении движутся с разными скоростями. Самые быстрые молекулы способны преодолеть притяжение остальных молекул и  выскочить   из жидкости.

Эти молекулы  образуют   пары в воздухе.

Скорость испарения жидкости зависит от:


- температуры  (чем выше температура жидкости,  тем большей скоростью обладают ее молекулы)

- от площади поверхности испаряющейся жидкости (чем больше площадь поверхности, тем большее число быстрых молекул покидает жидкость)
-  от наличия ветра над поверхностью жидкости

Так как при испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, обладающие соответственно большей кинетической энергией,  средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшается, значит  температура жидкости при испарении  понижается.

Насыщенный пар

Рассмотрим процесс образования  насыщенного пара:


В сосуд наливаем жидкость и закрываем его. Жидкость в сосуде начинает испаряться, и плотность пара над жидкостью в сосуде увеличивается.

 В результате теплового движения часть молекул водяного пара возвращается в жидкость. Чем больше плотность водяных паров в сосуде, тем большее число молекул пара возвращается в жидкость.

Через некоторое время в сосуде устанавливается динамическое равновесие  между жидкостью и паром:

 число молекул, покинувших жидкость за какой-то отрезок времени,  становится равным числу молекул, возвращающихся в жидкость за такой же отрезок времени.

В сосуде образовался насыщенный пар.


Насыщенный пар – это пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Давление насыщенного пара

Давление насыщенного пара это давление пара, при котором  жидкость  находится в равновесии  со своим паром.


где

n - концентрация молекул пара
k - постоянная Больцмана
Т - температура

Давление и концентрация молекул (плотность)  насыщенного пара  при постоянной температуре не зависят от  занимаемого паром объема.


Давление насыщенного пара зависит только от его температуры.


Давление насыщенного пара  растет как вследствие  повышения температуры жидкости, так и вследствие увеличения  концентрации молекул пара.

Ненасыщенный пар

Пар называется ненасыщенным, если его давление меньше давления насыщенного пара при данной температуре.


Давление ненасыщенного пара зависит от его объема:

при уменьшении объема давление увеличивается, а при увеличении объема - уменьшается.


Кипение

Кипение - это процесс парообразования.


При нагревании жидкости   растворенный в жидкости газ  начинает собираться в пузырьки по всему объему жидкости.

В дальнейшем испарение происходит  не только с поверхности жидкости, но и внутрь пузырьков.
Внутри пузырьков образуется   насыщенный пар.
С повышением  температуры жидкости давление насыщенного пара в пузырьках   растет, что ведет к увеличению объема пузырьков.
Под действием выталкивающей силы пузырьки всплывают к поверхности жидкости, лопаются и выбрасывают пар.

Кипение жидкости начинается при температуре, когда давление насыщенного пара в пузырьках  становится равным давлению в жидкости.


Давление в жидкости =  гидростатическому давлению (давлению высоты столба жидкости) + внешнему атмосферному давлению.


Температурой кипения
 называется температура жидкости, при которой давление ее насыщенного пара равно или больше внешнего давления.


Температура кипения жидкости повышается с ростом внешнего атмосферного давления и понижается при его уменьшении.


Например:

В автоклавах для стерилизации медицинских инструментов создается повышенное давление,  и кипение воды происходит при температуре значительно выше 100С.
На высокогорье, где атмосферное давление ниже нормального, температура кипения воды меньше, чем 100С.

Для поддержания кипения к жидкости надо подводить теплоту, которая расходуется на парообразование, т.к. внутренняя энергия пара больше внутренней энергии жидкости такой же массы.


В процессе кипения температура жидкости остается постоянной.


Влажность воздуха


Влажность воздуха – это содержание водяного пара в воздухе.


Атмосферный воздух состоит из смеси газов и водяных паров.


Влажность воздуха характеризуется следующими величинами:



1. Абсолютная влажность воздуха – это масса водяных паров, содержащихся  в 1 куб. метре воздуха при данных условиях.


Абсолютная влажность воздуха может оцениваться:


а)  через   плотность  водяного пара в воздухе, тогда единицы измерения  – г/м3.

б) в  метеорологии -  через  парциальное давление водяного пара, тогда единицы измерения - мм рт. ст. или Па.

Парциальное давление водяного пара – это  давление, которое производил бы водяной пар, если бы остальные газы воздуха отсутствовали.



2. Относительная влажность воздуха -  это отношение парциального  давления водяного пара, содержащегося  в  воздухе при данной температуре,  к давлению насыщенного водяного пара при  той же  температуре.

Единицы измерения относительной влажности - %.


где

р – парциальное давление водяного пара в воздухе   при температуре t
ро -  давление  насыщенного водяного пара  при той же температуре

В прогнозе погоды   указывается  величина относительной влажности воздуха в процентах!


Относительная влажность воздуха показывает как  близко  содержание водяных паров в воздухе к насыщению.

При относительной влажности 100% - в воздухе насыщенный водяной пар.

Прибор для измерения относительной влажности воздуха называется психрометром.

ИЗОПРОЦЕССЫ. ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ

Давление (p), объем (V) и температура (T)  являются основными параметрами  состояния газа.

Всякое изменение состояния  газа  называется термодинамическим процессом.


Термодинамические процессы, протекающие в газе  постоянной  массы  при неизменном значении одного из параметров состояния газа, называются изопроцессами. 

Изопроцессы  являются идеализированной моделью реального процесса в газе.

Изопроцессы подчиняются газовым  законам.


Газовые законы   определяют   количественные зависимости  между двумя параметрами газа при неизменном значении третьего.

Газовые законы справедливы  для любых газов и газовых смесей.



Изотермический процесс ( 
T = const)

Изотермическим процессом называются  изменения  состояния  газа, протекающие при постоянной температуре.


Изотермический процесс   в идеальном газе подчиняется закону Бойля-Мариотта:


Для газа данной массы произведение  давления газа на его объем  постоянно, если  температура газа  не меняется.


 Формулу закона  можно записать иначе


где


 – параметры газа в разные моменты времени



Графическое представление изотермического процесса:


  -  график, отражающий  изотермический процесс,  называется изотермой.

(математически – это гипербола)


На графиках  представлены изотермы  для разных температур газа, где Т1 меньше Т2.



Изобарный процесс ( 
p = const )

Изобарным процессом называются  изменения состояния газа, протекающие при постоянном давлении.


Изобарный процесс в идеальном газе  подчиняется закону Гей-Люсака:


Для газа данной массы  отношение объема  газа к его температуре постоянно, если  давление газа не меняется.


Формулу закона можно записать иначе


где


 – параметры газа в разные моменты времени



Графическое представление изобарного  процесса:


  -  график, отражающий  изобарный  процесс,  называется изобарой.

(математически – это линейная зависимость)


На графиках  представлены изобары   для разных  давлений газа, где р1 меньше р2.



Изохорный процесс ( 
V = const )

Изохорным процессом называются  изменения состояния газа, протекающие при постоянном  объеме.


Изохорный процесс в идеальном газе  подчиняется закону Шарля:


Для газа данной массы  отношение  давления   газа к его температуре постоянно, если  объем  газа не меняется.


Формулу закона можно записать иначе

где


 – параметры газа в разные моменты времени

Графическое представление изохорного  процесса:


  -  график, отражающий  изохорный  процесс,  называется изохорой.

(математически – это линейная зависимость)


На графиках  представлены изохоры   для разных  объемов  газа, где V1 меньше V2.


УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА. 

Состояние  газа  произвольной массы  можно охарактеризовать тремя макроскопическими параметрами – объемом, давлением и температурой.

 Уравнение состояния идеального газа  устанавливает связь между этими параметрами и используется для изучения тепловых процессов в газах.


Существует несколько  выражений  для уравнения состояния идеального газа:


1. Уравнение Менделеева – Клайперона- характеризует состояние газа при тепловом равновесии



где


р  - давление газа (Па)

V – объем газа (м3)
T – температура газа (К)
m – масса газа (кг)
М – молярная масса газа (кг/моль)
R – универсальная газовая постоянная



где


k – постоянная Больцмана

Na  - постоянная Авогадро


2. Уравнение Клайперона-  описывает переход газа из одного состояния в другое


где


 – параметры газа в момент 1

 – параметры газа в момент 2

Дополнительные формулы

1.  другой вид  уравнения состояния идеального газа


где


k - постоянная Больцмана

n – концентрация молекул
Т – температура газа

2. используя  уравнение состояния идеального газа,  можно получить  формулу для определенияплотности газа


3. для смеси газов  справедлив закон Дальтона


где


 и т.д. – парциальные давления газов


Парциальное давление газа -  это давление одного газа из смеси газов, если бы он один занимал  весь используемый для смеси сосуд.

ТЕМПЕРАТУРА. ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ. АБСОЛЮТНАЯ ШКАЛА ТЕМПЕРАТУР. 

Температура

Температура - это мера средней кинетической энергии молекул.

Температура характеризует степень нагретости тел.

Прибор для измерения температуры - термометр.


Принцип действия термометра:


При измерении температуры используется зависимость изменения какого-либо макроскопического параметра (объема, давления, электрического сопротивления и т.д.) вещества от температуры.


В жидкостных термометрах - это изменение объема жидкости.


При контакте двух сред происходит передача энергии от более нагретой среды менее нагретой.

В процессе измерения температура тела и термометра приходят в состояние теплового равновесия.
Термометры

На практике часто используются жидкостные термометры: ртутные (в диапазоне от -35 С до +750 С) и спиртовые (от -80 С до +70 С).


В них используется свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры.


Однако, у каждой жидкости существуют свои особенности изменения объема (расширения) при различных температурах.


В результате сравнения, например, показаний ртутного и спиртового термометров, точное совпадение будет только лишь в двух точках (при температурах 0 С и 100 С).


Этих недостатков лишены газовые термометры.

Первый газовый термометр был создан франц. физиком Ж. Шарлем.


Преимущества газового термометра:


- используется линейная зависимость изменения объема или давления газа от температуры, которая справедлива для всех газов

- точность измерения от 0,003 С до 0,02 С
- интервал температур от -271 С до +1027 С.
Тепловое равновесие

При соприкосновении двух тел различной температуры происходит передача внутренней энергии от более нагретого тела менее нагретому, и температуры обоих тел выравниваются.


Наступает состояние теплового равновесия, при котором все макропараметры (объем, давление, температура) обоих тел остаются в дальнейшем неизменными при неизменных внешних условиях.


Тепловым равновесием называется такое состояние, при котором все макроскопические параметры остаются неизменными сколь угодно долго.

Состояние теплового равновесия системы тел характеризуется температурой: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.


Установлено, что при тепловом равновесии средние кинетические энергии поступательного движения молекул всех газов одинаковы, т.е.


Для разреженных (идеальных) газов величина


и зависит только от температуры, тогда


где k – постоянная Больцмана


Эта зависимость дает возможность ввести новую температурную шкалу – абсолютную шкалу температур,  не  зависящую  от  вещества, используемого для измерения температуры.

Абсолютная шкала температур

- введена англ. физиком У. Кельвином

- нет отрицательных температур

Единица абсолютной температуры в СИ:    [T] = 1K    (Кельвин)

Нулевая температура абсолютной шкалы – это абсолютный ноль ( 0К = -273 С ), самая низкая температура в природе.  В настоящее время достигнута самая низкая температура -  0,0001К.
По величине 1К  равен  1 градусу по шкале Цельсия.





Связь абсолютной шкалы со шкалой Цельсия

Запомни!

В формулах  абсолютная температура обозначается буквой «Т», а температура по шкале Цельсия буквой «t».


После введения абсолютной температуры получаем

новые  выражения для формул:
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул




Давление газа -  основное уравнение МКТ





Средняя квадратичная скорость молекул




И как следствие,   закон Авогадро:


В равных объемах газов при одинаковых температурах  и давлениях  содержится одинаковое  число молекул.

Заметьте, здесь  концентрация молекул также  одинакова!

ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ МКТ. 

Идеальный газ

Идеальный газ - это физическая модель газа, взаимодействие между молекулами которого пренебрежительно мало.

- вводится для математического описания поведения газов.

Реальные разреженные газы ведут себя как идеальный газ!


Свойства идеального газа:

- взаимодействие между молекулами пренебрежительно мало
- расстояние между молекулами много больше размеров молекул
- молекулы - это упругие шары
- отталкивание молекул возможно только при соударении
- движение молекул - по законам Ньютона
- давление газа на стенки сосуда - за счет ударов молекул газа

Скорость молекул газа

В теории газов скорость молекул принято определять через среднее значение квадрата скорости молекул.


Хотя скорости различных молекул сильно отличаются друг от друга, но среднее значение квадрата скорости молекул есть величина постоянная.


Формула для расчета среднего значения квадрата скорости молекул газа:


где

n - число молекул в газе
v - модули скоростей отдельных молекул в газе

В теории газов часто используется понятие кинетической энергии молекул.

Используя среднее значение квадрата скорости молекул, получаем формулу для определения средней кинетической энергии молекул:

Основное уравнение МКТ газа

Основное уравнение МКТ связывает микропараметры частиц ( массу молекулы, среднюю кинетическую энергию молекул, средний квадрат скорости молекул) с макропараметрами газа (р - давление, V - объем, Т - температура). 

Давление газа на стенки сосуда пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы.

Ниже приведены различные выражения для основного уравнения МКТ:

  
  

где


р - давление газа на стенки сосуда(Па)


n - концентрация молекул, т.е. число молекул в единице объема ( 1/м3)

  - масса молекулы (кг)
 - средний квадрат скорости молекул ( м2/с2)

ρ - плотность газа (кг/м3)

 - средняя кинетическая энергия молекул (Дж)


Давление идеального газа на стенки сосуда зависит от концентрации молекул и пропорционально средней кинетической энергии молекул.
Дополнительные расчетные формулы по теме

Формула для расчета концентрации молекул:
 

где


N - число молекул газа

V - объем газа (м3)


Формула для расчета плотности газа:


где


mo - масса молекулы (кг)

n - концентрация молекул (1/м3)

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОЛЕКУЛ. СТРОЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ. 

Силы взаимодействия молекул

Все молекулы вещества взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания.


Доказательство взаимодействия молекул: явление смачивания, сопротивление сжатию и растяжению, малая сжимаемость твердых тел и газов и др.


Причина взаимодействия молекул - это электромагнитные взаимодействия заряженных частиц в веществе.


Как это объяснить?


Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Заряд ядра равен суммарному заряду всех электронов, поэтому в целом атом электрически нейтрален.


Молекула, состоящая из одного или нескольких атомов, тоже электрически нейтральна.


Рассмотрим взаимодействие между молекулами на примере двух неподвижных молекул.


Между телами в природе могут существовать гравитационные и электромагнитные силы.

Так как массы молекул крайне малы, ничтожно малые силы гравитационного взаимодействия между молекулами можно не рассматривать.

На очень больших расстояниях электромагнитного взаимодействия между молекулами тоже нет.


Но, при уменьшении расстояния между молекулами молекулы начинают ориентироваться так, что их обращенные друг к другу стороны будут иметь разные по знаку заряды (в целом молекулы остаются нейтральными), и между молекулами возникают силы притяжения.


При еще большем уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания, как результат взаимодействия отрицательно заряженных электронных оболочек атомов молекул.


В итоге на молекулу действует сумма сил притяжения и отталкивания. На больших расстояниях преобладает сила притяжения (на расстоянии 2-3 диаметров молекулы притяжение максимально), на малых расстояниях сила отталкивания.


Существует такое расстояние между молекулами, на котором силы притяжения становятся равными силам отталкивания. Такое положение молекул называется положением устойчивого равновесия.


Находящиеся на расстоянии друг от друга и связанные электромагнитными силами молекулы обладают потенциальной энергией. В положении устойчивого равновесия потенциальная энергия молекул минимальна.


В веществе каждая молекула взаимодействует одновременно со многими соседними молекулами, что также влияет на величину минимальной потенциальной энергии молекул.


Кроме того, все молекулы вещества находятся в непрерывном движении, т.е. обладают кинетической энергией.


Таким образом, структура вещества и его свойства (твердых, жидких и газообразных тел) определяются соотношением между минимальной потенциальной энергией взаимодействия молекул и запасом кинетической энергии теплового движения молекул. 

Строение и свойства твердых, жидких и газообразных тел

Строение тел объясняется взаимодействием частиц тела и характером их теплового движения.

Твердое тело

Твердые тела имеют постоянную форму и объем, практически несжимаемы.


Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул больше кинетической энергии молекул.


Сильное взаимодействие частиц.


Тепловое движение молекул в твердом теле выражается только лишь колебаниями частиц (атомов, молекул) около положения устойчивого равновесия.

Из-за больших сил притяжения молекулы практически не могут менять свое положение в веществе, этим и объясняется неизменность объема и формы твердых тел.


Большинство твердых тел имеет упорядоченное в пространстве расположение частиц, которые образуют правильную кристаллическую решетку. Частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) расположены в вершинах - узлах кристаллической решетки. Узлы кристаллической решетки совпадают с положением устойчивого равновесия частиц.

Такие твердые тела называются кристаллическими.


Жидкость

Жидкости имеют определенный объем, но не имеют своей формы, они принимают форму сосуда, в которой находятся.


Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул сравнима с кинетической энергией молекул.


Слабое взаимодействие частиц.


Тепловое движение молекул в жидкости выражено колебаниями около положения устойчивого равновесия внутри объема, предоставленного молекуле ее соседями.


Молекулы не могут свободно перемещаться по всему объему вещества, но возможны переходы молекул на соседние места. Этим объясняется текучесть жидкости, способность менять свою форму.

В жидкостях молекулы достаточно прочно связаны друг с другом силами притяжения, что объясняет неизменность объема жидкости.


В жидкости расстояние между молекулами равно приблизительно диаметру молекулы. При уменьшении расстояния между молекулами (сжимании жидкости) резко увеличиваются силы отталкивания, поэтому жидкости несжимаемы.


По своему строению и характеру теплового движения жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами.

Хотя разница между жидкостью и газом значительно больше, чем между жидкостью и твердым телом. Например, при плавлении или кристаллизации объем тела изменяется во много раз меньше, чем при испарении или конденсации.

Газ

Газы не имеют постоянного объема и занимают весь объем сосуда, в котором они находятся.


Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул меньше кинетической энергии молекул.


Частицы вещества практически не взаимодействуют.


Газы характеризуются полной беспорядочностью расположения и движения молекул.

Расстояние между молекулами газа во много раз больше размеров молекул. Малые силы притяжения не могут удержать молекулы друг около друга, поэтому газы могут неограниченно расширяться.


Газы легко сжимаются под действием внешнего давления, т.к. расстояния между молекулами велики, а силы взаимодействия пренебрежимо малы.


Давление газа на стенки сосуда создается ударами движущихся молекул газа.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МКТ. МАССА И РАЗМЕР МОЛЕКУЛ. КОЛИЧЕСТВО ВЕЩЕСТВА. 

МКТ - молекулярно-кинетическая теория.

Цель МКТ
 –это объяснение строения и свойств различных макроскопических тел и тепловых явлений, в них протекающих, движением и взаимодействием частиц, из которых состоят тела.


Макроскопические тела
 -  большие тела, состоящие из огромного числа молекул.


Тепловые явления
 – явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел.


Основные утверждения МКТ

1. Вещество состоит из частиц (молекул и атомов).


2. Между частицами есть промежутки.


3. Частицы беспорядочно и непрерывно движутся.


4. Частицы взаимодействуют друг с другом (притягиваются и отталкиваются).

Подтверждение МКТ:

1. экспериментальное


- механическое дробление вещества; растворение вещества в воде; сжатие и расширение газов; испарение; деформация тел; диффузия; опыт Бригмана: в сосуд заливается масло, сверху на масло  давит поршень, при давлении  10 000 атм  масло начинает просачиваться сквозь стенки стального сосуда;


- диффузия; броуновское движение частиц в жидкости под ударами молекул;


- плохая сжимаемость твердых и жидких тел; значительные усилия для разрыва твердых тел; слияние капель жидкости;


2. прямое


– фотографирование, определение размеров частиц.
Броуновское движение 

Броуновское движение - это тепловое движение взвешенных частиц в жидкости (или газе).


Броуновское движение  стало  доказательством  непрерывного и хаотичного  (теплового) движения молекул вещества.

- открыто английским ботаником  Р. Броуном в 1827 г.
-  дано теоретическое объяснение на основе МКТ А. Эйнштейном в 1905 г.
- экспериментально подтверждено  франц. физиком Ж. Перреном.

Размеры частиц

Диаметр любого атома составляет около  см.
Число молекул в веществе


  
  
где V – объем вещества, Vo – объем одной молекулы

Масса  одной молекулы



  
где m – масса вещества, N – число молекул в веществе

Единица измерения массы в СИ: [m]= 1 кг


В атомной физике массу обычно измеряют в атомных единицах массы (а.е.м.).

Условно принято считать за 1 а.е.м. : 

Относительная молекулярная масса вещества

Для удобства расчетов вводится величина - относительная молекулярная масса вещества.

Массу молекулы любого вещества можно сравнить с 1/12 массы молекулы углерода.

где числитель - это масса молекулы, а знаменатель - 1/12 массы атома углерода


 – величина безразмерная, т.е. не имеет единиц измерения

Относительная атомная масса химического элемента




где числитель - это масса атома, а знаменатель - 1/12 массы атома углерода


 – величина безразмерная, т.е. не имеет единиц измерения

Относительная атомная масса каждого химического элемента дана в таблице Менделеева.
Другой способ определения относительной молекулярной массы вещества

Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных  атомных масс химических элементов, входящих в состав молекулы вещества.


(относительную атомную  массу любого химического элемента берем из таблицы Менделеева!)
Количество вещества

Количество вещества (ν) определяет относительное число молекул в теле.

где N – число молекул в теле, а Na   - постоянная Авогадро


Единица измерения количества вещества в системе СИ:  [ν]= 1 моль


1 моль – это количество вещества, в котором содержится столько молекул (или атомов), сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг.


Запомни!В 1 моле любого вещества  содержится одинаковое  число атомов или молекул!


Но!

Одинаковые количества вещества для разных веществ имеют разную массу!
Постоянная Авогадро

Число атомов в 1 моле любого вещества называют  числом Авогадро или постоянной Авогадро:

Молярная масса

Молярная масса  (M) - это масса вещества, взятого  в одном моле, или иначе - это масса одного моля вещества.
где
 – масса молекулы
  - постоянная Авогадро

Единица измерения молярной массы: [M]=1 кг/моль.
 Дополнительные формулы для решения задач

Эти формулы получаются в результате подстановки вышерассмотренных формул.

Масса любого количества вещества



и формула 7 класса




(плотность х объем)


Количество вещества





Число молекул в веществе





Молярная масса





Масса одной молекулы





Связь между относительной молекулярной массой и молярной массой


Импульс тела. Закон сохранения импульса. Проявление закона сохранения импульса в природе и его использование в технике. 


    Простые наблюдения и опыты доказывают, что покой и движение относительны, скорость тела зависит от выбора системы отсчета; по второму закону Ньютона независимо от того, находилось ли тело в покое или двигалось, изменение скорости его движения может происходить только под действием силы, т. е. в результате взаимодействия с другими телами. Однако существуют величины, которые могут сохраняться при взаимодействии тел. Такими величинами являются энергия и импульс.
    
     Импульсом тела называют векторную физическую величину, являющуюся количественной характеристикой поступательного движения тел. Импульс обозначается р. Импульс тела равен произведению массы тела на его скорость: р = mv. Направление вектора импульса р совпадает с направлением вектора скорости тела 0. Единица измерения импульса — кг • м/с.
    
     Для импульса системы тел выполняется закон сохранения, который справедлив только для замкнутых физических систем. В общем случае замкнутой называют систему, которая не обменивается энергией и массой с телами и полями, не входящими в нее. В механике замкнутой называют систему, на которую не действуют внешние силы или действие этих сил скомпенсировано. В этом случае p1 = р2, где pl — начальный импульс системы, а р2 — конечный. В случае двух тел, входящих в систему, это выражение имеет вид m1v1 + m2v2 = m1"v1" + m2"v2" , где ml и m2 — массы тел, а v1 и v2 — скорости до взаимодействия, v1" и v2" — скорости после взаимодействия (рис. 5). 
    
     ответы на экзамен
    
     Эта формула и является математическим выражением закона сохранения импульса: импульс замкнутой физической системы сохраняется при любых взаимодействиях, происходящих внутри этой системы. Другими словами: в замкнутой физической системе геометрическая сумма импульсов тел до взаимодействия равна геометрической сумме импульсов этих тел после взаимодействия. В случае незамкнутой системы импульс тел системы не сохраняется. Однако если в системе существует направление, по которому внешние силы не действуют или их действие скомпенсировано, то сохраняется проекция импульса на это направление. Кроме того, если время взаимодействия мало (выстрел, взрыв, удар), то за это время даже в случае незамкнутой системы внешние силы незначительно изменяют импульсы взаимодействующих тел. Поэтому для практических расчетов в этом случае тоже можно применять закон сохранения импульса.
    
     Экспериментальные исследования взаимодействий различных тел — от планет и звезд до атомов и элементарных частиц — показали, что в любой системе взаимодействующих тел при отсутствии действия со стороны других тел, не входящих в систему, или равенстве нулю суммы действующих сил геометрическая сумма импульсов тел действительно остается неизменной.
    
     В механике закон сохранения импульса и законы Ньютона связаны между собой. Если на тело массой т в течение времени t действует сила и скорость его движения изменяется от v0 до v, то ускорение движения а тела равно ответы на экзамен Ha основании второго закона Ньютона для силы F можно записать ответы на экзамен, отсюда следует
    
     ответы на экзамен
    
     Ft — векторная физическая величина, характеризующая действие на тело силы за некоторый промежуток времени и равная произведению силы на время ее действия, называется импульсом силы. Единица импульса силы в СИ — Н*с.
    
     Закон сохранения импульса лежит в основе реактивного движения. Реактивное движение — это такое движение тела, которое возникает после отделения от тела его части.
    
     Пусть тело массой т покоилось. От тела отделилась со скоростью vl какая-то его часть массой т1. Тогда оставшаяся часть придет в движение в противоположную сторону со скоростью D2, масса оставшейся части т2. Действительно, сумма импульсов обеих частей тела до отделения была равна нулю и после разделения будет равна нулю:
    
     ответы на экзамен Большая заслуга в развитии теории реактивного движения принадлежит К. Э. Циолковскому.
    
     Он разработал теорию полета тела переменной массы (ракеты) в однородном поле тяготения и рассчитал запасы топлива, необходимые для преодоления силы земного притяжения; основы теории жидкостного реактивного двигателя, а также элементы его конструкции; теорию многоступенчатых ракет, причем предложил два варианта: параллельный (несколько реактивных двигателей работают одновременно) и последовательный (реактивные двигатели работают друг за другом). К. Э. Циолковский строго научно доказал возможность полета в космос с помощью ракет с жидкостным реактивным двигателем, предложил специальные траектории посадки космических аппаратов на Землю, выдвинул идею создания межпланетных орбитальных станций и подробно рассмотрел условия жизни и жизнеобеспечения на них. Технические идеи Циолковского находят применение при создании современной ракетно-космической техники. Движение с помощью реактивной струи по закону сохранения импульса лежит в основе гидрореактивного двигателя. В основе движения многих морских моллюсков (осьминогов, медуз, кальмаров, каракатиц) также лежит реактивный принцип.



Видео " Импульс тела и закон сохранения импульса тела"





при использовании материала с сайта: http://postupim.ru/11/fizika/860

Комментариев нет:

Отправить комментарий