Естествознание. Физика. Лекция №3. Молекулярная физика и термодинамика

 

Лекция №3

Молекулярная физика и термодинамика

План:

1.     Основы молекулярной физики

2.     Основы термодинамика

 

Молекулярно-кинетическая теория- это раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлении о существовании молекул и атомов как мельчайших частиц химического вещества.

Молекулы- это мельчайшие частицы вещества, состав которых и химические свойства такие же, как и у данного вещества.

Атомы – мельчайшие химически неделимые частицы, из которых состоят молекулы.

Ион – это атомы или молекулы у которых имеется избыток или недостаток электронов, то есть заряжены положительно или отрицательно.

В основе молекулярно-кинетической теории лежит 3 основных положения:

1.     Все вещества состоят из частиц (молекул, атомов, ионов)

2.     Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, скорость которого определяет температура вещества

3.     Частицы взаимодействуют между собой, между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, характер которых зависит от расстояния между ними

Диффузия – это процесс взаимного проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества. Диффузия способствует поддержанию однородности состава атмосферного воздуха вблизи Земли, способствует нормальному питанию растений в почве и тд.

Броуновское движение – это тепловое движение взвешенных в жидкости или газе частиц. Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга.

На очень малых расстояниях между молекулами действуют силы отталкивания. На расстояниях, превышающих 2-3 диаметра молекул, действуют силы притяжения.

Идеальный газ – модель реального газа. Идеальный газ – это газ взаимодействие, между молекулами которого пренебрежительно мало.

Относительной молекулярной массой вещества M_r называют отношение массы молекулы на m₀ данного вещества к 1/12 массы атома углерода m₀С:

M_r = m₀ /  m₀C

Например, M_r (СО₂) =44.

M_r(С)=12; M_r(О)=16; M_r(СО₂)= 12+16*2.

Количество вещества v – это число молекул в теле. Количество вещества выражается в молях. Один моль – количество вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов содержится в углероде массой 0.012 кг.

В 1 моле любого вещества содержится одно и тоже число атомов или молекул. Это число атомов обозначается N_a  и_, называется постоянной Авогадро:

N_a=6*10²³ моль^-1

Предельную температуру, при которой давление идеального газа обращается в ноль при фиксированном объёме идеального газа, называется абсолютным нулем температуры. Это самая низкая температура в природе.

Английский ученый Кельвин (1824-1907) ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по абсолютной шкале (шкала Кельвина) соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия. Абсолютному нулю соответствует температура t= - 273⁰ C. В системе СИ называется Кельвином и обозначается буквой К.

 

Основы термодинамики

Теория тепловых процессов, в которых не учитывается молекулярное строение тел, называется термодинамикой Давление, производимое газом на стенки сосудов, объясняется ударами движущихся молекул.  

Наряду с механической энергией, тела обладают еще и энергией, заключенной внутри самих тел, это внутренняя энергия.

Внутренняя энергия макроскопических тел равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул тела и потенциальных энергий взаимодействий всех молекул друг с другом.

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре. При сжатии или расширении меняется внутренняя энергия тела.

Первый закон термодинамики: Изменение внутренней энергии системы, при переходе из одного состояния в другое равно сумме работе внешних сил и количества теплоты, переданного системе: 

∆U=A+Q , где А – это работа, а Q – количество теплоты.

Работа в термодинамике определяется, так же как и в механике, но равна изменению не кинетической энергии, а его внутренней энергии. При сжатии или расширении меняется внутренняя энергия тела.

Закон сохранения энергии:

Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает, количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую

Второй закон термодинамики: Невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.

Второй закон термодинамики имеет важную роль в теории тепловых машин. Тепловыми машинами называют устройства, с помощью которой часть внутренней энергии системы можно превратить в механическую энергию и за счет нее совершить работу.

К таким устройствам относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания и реактивные двигатели. В 1824 году французский инженер С. Карно показал, что максимально возможный коэффициент полезного действия (КПД) тепловых машин определяется формулой 

где Q₁ – затраченное нагревателем количество теплоты, Q₂ – количество теплоты, отбираемое холодильником.

Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета молекулярного строения тел (давление p, объём V, температура t) называют макроскопическими параметрами.

Температура характеризует степень нагретости тела (холодное, теплое, горячее). Для ее измерения был создан прибор, называемый термометром.

В его устройстве использовано свойство тел изменять объём при нагревании или охлаждении. Чаще всего на практике используют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры. При градуировке термометра за начало отчета (0) принимает температуру тающего льда; второй постоянно точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении (шкала Цельсия).

Тепловым равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметр сколь угодно долго остаются неизменными.

Это означает, что в системе не меняется объем и давление, не происходит теплообмен, отсутствуют взаимные превращения газов, жидкостей и твердых тел. Температура тела остается постоянной, имеет строго определенное значение.