Dans le monde qui nous entoure, il existe différents types de phénomènes physiques qui sont directement liés à changement de température corporelle. Depuis l'enfance, nous savons que l'eau froide, lorsqu'elle est chauffée, devient d'abord à peine chaude et seulement après certaine heure chaud.

Avec des mots tels que «froid», «chaud», «chaud», nous définissons différents degrés de «réchauffement» des corps ou, en parlant dans le langage de la physique, différentes températures des corps. Température eau chaude légèrement plus chaude que l'eau froide. Si nous comparons la température de l'air en été et en hiver, la différence de température est évidente.

La température corporelle est mesurée à l'aide d'un thermomètre et s'exprime en degrés Celsius (°C).

Comme on le sait, la diffusion à plus haute température est plus rapide. Il en résulte que la vitesse de déplacement des molécules et la température sont profondément interconnectées. Si vous augmentez la température, la vitesse de déplacement des molécules augmentera, si vous la diminuez, elle diminuera.

Ainsi, nous concluons : la température corporelle est directement liée à la vitesse de déplacement des molécules.

L'eau chaude est constituée exactement des mêmes molécules que l'eau froide. La différence entre eux réside uniquement dans la vitesse de déplacement des molécules.

Les phénomènes liés à l'échauffement ou au refroidissement des corps, un changement de température, sont appelés thermiques. Ceux-ci incluent le chauffage ou le refroidissement de l'air, la fonte du métal, la fonte de la neige.

Les molécules ou atomes, qui sont à la base de tous les corps, sont en mouvement chaotique sans fin. Le nombre de ces molécules et atomes dans les corps qui nous entourent est énorme. Un volume égal à 1 cm³ d'eau contient environ 3,34 x 10²² molécules. Toute molécule a une trajectoire de mouvement très complexe. Par exemple, des particules de gaz se déplaçant à grande vitesse dans différentes directions peuvent entrer en collision à la fois les unes avec les autres et avec les parois de la cuve. Ainsi, ils changent de vitesse et continuent à se déplacer à nouveau.

La figure 1 montre le mouvement aléatoire des particules de peinture dissoutes dans l'eau.

Ainsi, nous faisons une conclusion supplémentaire : le mouvement chaotique des particules qui composent les corps est appelé mouvement thermique.

Le caractère aléatoire est la caractéristique la plus importante du mouvement thermique. L'une des preuves les plus importantes du mouvement des molécules est diffusion et mouvement brownien.(Le mouvement brownien est le mouvement des plus petites particules solides dans un liquide sous l'influence d'impacts moléculaires. Comme le montre l'observation, le mouvement brownien ne peut pas s'arrêter).

Dans les liquides, les molécules peuvent osciller, tourner et se déplacer par rapport à d'autres molécules. Si nous prenons des solides, alors en eux les molécules et les atomes vibrent autour de certaines positions moyennes.

Absolument toutes les molécules du corps participent au mouvement thermique des molécules et des atomes, c'est pourquoi avec un changement de mouvement thermique, l'état du corps lui-même, ses diverses propriétés, change également. Ainsi, si vous augmentez la température de la glace, elle commence à fondre, tout en prenant une forme complètement différente - la glace devient liquide. Si, au contraire, pour abaisser la température, par exemple le mercure, alors il changera ses propriétés et d'un liquide, il se transformera en solide.

J la température corporelle dépend directement de l'énergie cinétique moyenne des molécules. Nous tirons une conclusion évidente : plus la température du corps est élevée, plus l'énergie cinétique moyenne de ses molécules est élevée. A l'inverse, lorsque la température du corps diminue, l'énergie cinétique moyenne de ses molécules diminue.

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Selon vous, qu'est-ce qui détermine la vitesse de dissolution du sucre dans l'eau ? Vous pouvez faire une expérience simple. Prenez deux morceaux de sucre et jetez-en un dans un verre d'eau bouillante, l'autre dans un verre d'eau froide.

Vous verrez comment le sucre se dissout dans l'eau bouillante plusieurs fois plus vite que dans eau froide. La cause de la dissolution est la diffusion. Cela signifie que la diffusion se produit plus rapidement à des températures plus élevées. La diffusion est causée par le mouvement des molécules. Par conséquent, nous concluons que les molécules se déplacent plus rapidement à des températures plus élevées. Autrement dit, la vitesse de leur mouvement dépend de la température. C'est pourquoi le mouvement chaotique aléatoire des molécules qui composent le corps est appelé mouvement thermique.

Mouvement thermique des molécules

Lorsque la température augmente, elle augmente mouvement thermique molécules, les propriétés de la matière changent. Le solide fond, se transforme en liquide, le liquide s'évapore, se transforme en état gazeux. En conséquence, si la température est abaissée, l'énergie moyenne du mouvement thermique des molécules diminuera également et, par conséquent, les processus de modification de l'état d'agrégation des corps se produiront dans le sens opposé: l'eau se condensera en un liquide, le liquide va geler, se transformant en un état solide. En même temps, nous parlons toujours des valeurs moyennes de température et de vitesse moléculaire, car il y a toujours des particules avec des valeurs plus grandes et plus petites de ces valeurs.

Les molécules dans les substances se déplacent, passant une certaine distance, par conséquent, font du travail. Autrement dit, nous pouvons parler de l'énergie cinétique des particules. En raison de leur position relative il y a aussi l'énergie potentielle des molécules. Lorsque Dans la question sur l'énergie cinétique et potentielle des corps, alors nous parlons de l'existence de l'énergie mécanique totale des corps. Si les particules du corps ont une énergie cinétique et potentielle, on peut donc parler de la somme de ces énergies comme d'une quantité indépendante.

L'énergie interne du corps

Prenons un exemple. Si nous lançons une balle élastique sur le sol, l'énergie cinétique de son mouvement est complètement convertie en énergie potentielle au moment où elle touche le sol, puis redevient de l'énergie cinétique lorsqu'elle rebondit. Si nous lançons une balle de fer lourde sur une surface dure et inélastique, la balle atterrira sans rebondir. Ses énergies cinétique et potentielle après l'atterrissage seront égales à zéro. Où est passée l'énergie ? vient-elle de disparaître ? Si nous examinons la balle et la surface après la collision, nous pouvons voir que la balle s'est un peu aplatie, qu'une bosse a été laissée sur la surface et que les deux se sont légèrement réchauffées. C'est-à-dire qu'il y a eu un changement dans la disposition des molécules des corps et que la température a également augmenté. Cela signifie que les énergies cinétiques et potentielles des particules du corps ont changé. L'énergie du corps n'est pas allée nulle part, il est passé dans l'énergie interne du corps. L'énergie interne est appelée énergie cinétique et potentielle de toutes les particules du corps. La collision des corps a provoqué une modification de l'énergie interne, elle a augmenté et l'énergie mécanique a diminué. C'est en quoi il consiste

Thèmes du codeur USE : mouvement thermique des atomes et des molécules de matière, mouvement brownien, diffusion, interaction des particules de matière, preuves expérimentales de la théorie atomistique.

Le grand physicien américain Richard Feynman, l'auteur des célèbres Feynman Lectures on Physics, a écrit les mots remarquables suivants :

– Si, à la suite d'une catastrophe mondiale, toutes les savoir scientifique serait détruit et une seule phrase passerait aux générations futures d'êtres vivants, alors quelle déclaration, composée de la moindre quantité mots, apporterait le plus d'informations ? Je crois que c'est hypothèse atomique(vous pouvez appeler cela non pas une hypothèse, mais un fait, mais cela ne change rien): tous les corps sont constitués d'atomes de petits corps qui sont en mouvement constant, s'attirent à courte distance, mais se repoussent si l'un d'eux est pressé plus près de l'autre. Cette seule phrase... contient une quantité incroyable d'informations sur le monde, il vous suffit d'y appliquer un peu d'imagination et un peu de considération.

Ces mots contiennent l'essence de la théorie cinétique moléculaire (MKT) de la structure de la matière. À savoir, les principales dispositions du MKT sont les trois déclarations suivantes.

1. Toute substance est constituée des plus petites particules de molécules et d'atomes. Ils sont situés discrètement dans l'espace, c'est-à-dire à certaines distances les uns des autres.
2. Les atomes ou les molécules d'une substance sont dans un état de mouvement aléatoire (ce mouvement est appelé mouvement thermique), qui ne s'arrête jamais.
3. Les atomes ou les molécules d'une substance interagissent les uns avec les autres par des forces d'attraction et de répulsion, qui dépendent des distances entre les particules.

Ces dispositions sont une généralisation de nombreuses observations et faits expérimentaux. Examinons de plus près ces dispositions et donnons leur justification expérimentale.

Par exemple, est une molécule d'eau composée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. En le divisant en atomes, nous n'aurons plus affaire à une substance appelée "eau". De plus, en divisant les atomes et en composants, nous obtenons un ensemble de protons, de neutrons et d'électrons et perdons ainsi l'information qu'au départ, il s'agissait d'hydrogène et d'oxygène.

Les atomes et les molécules sont appelés simplement particules substances. Ce qu'est exactement une particule - un atome ou une molécule - dans chaque cas spécifique n'est pas difficile à établir. S'il s'agit de élément chimique, alors la particule sera un atome ; si considéré substance complexe, alors sa particule est une molécule constituée de plusieurs atomes.

De plus, la première proposition du MKT stipule que les particules de matière ne remplissent pas l'espace en continu. Les particules sont disposées discrètement, c'est-à-dire en des points distincts. Entre les particules, il existe des espaces dont la taille peut varier dans certaines limites.

En faveur de la première position du MKT est le phénomène dilatation thermique tél. À savoir, lorsqu'elles sont chauffées, les distances entre les particules de la substance augmentent et les dimensions du corps augmentent. Lors du refroidissement, au contraire, les distances entre les particules diminuent, à la suite de quoi le corps se contracte.

Une confirmation frappante de la première position du MKT est également la diffusion- pénétration mutuelle des substances adjacentes les unes dans les autres.

Par exemple, sur la fig. 1 montre le processus de diffusion dans un liquide. Les particules du soluté sont placées dans un verre d'eau et se situent d'abord dans la partie supérieure gauche du verre. Au fil du temps, les particules se déplacent (comme on dit, diffuser) d'une zone de forte concentration à une zone de faible concentration. Au final, la concentration de particules devient la même partout - les particules sont réparties uniformément dans tout le volume du liquide.

Riz. 1. Diffusion dans un liquide

Comment expliquer la diffusion du point de vue de la théorie moléculaire-cinétique ? Très simplement : les particules d'une substance pénètrent dans les interstices entre les particules d'une autre substance. Plus la diffusion est rapide, plus ces écarts sont grands - par conséquent, les gaz se mélangent plus facilement les uns aux autres (dans lesquels les distances entre les particules sont nombreuses plus de tailles particules elles-mêmes).

Mouvement thermique des atomes et des molécules

Rappelons encore une fois le libellé de la deuxième disposition du MKT : les particules de matière effectuent un mouvement aléatoire (également appelé mouvement thermique) qui ne s'arrête jamais.

La confirmation expérimentale de la deuxième position du MKT est à nouveau le phénomène de diffusion, car la pénétration mutuelle des particules n'est possible qu'avec leur mouvement continu ! Mais la preuve la plus frappante du mouvement chaotique éternel des particules de matière est mouvement brownien. C'est le nom du mouvement erratique continu particules browniennes- particules ou grains de poussière (taille cm) en suspension dans un liquide ou un gaz.

Le mouvement brownien tire son nom du botaniste écossais Robert Brown, qui a vu au microscope la danse continue des particules de pollen en suspension dans l'eau. Comme preuve que ce mouvement prend une éternité, Brown a trouvé un morceau de quartz avec une cavité remplie d'eau. Malgré le fait que l'eau y est arrivée il y a plusieurs millions d'années, les particules qui y sont arrivées ont continué leur mouvement, ce qui n'était pas différent de ce qui a été observé dans d'autres expériences.

La raison du mouvement brownien est qu'une particule en suspension subit des impacts non compensés des molécules de liquide (gaz), et en raison du mouvement chaotique des molécules, l'ampleur et la direction de l'impact résultant sont absolument imprévisibles. Par conséquent, une particule brownienne décrit des trajectoires complexes en zigzag (Fig. 2).

Riz. 2. Mouvement brownien

Soit dit en passant, le mouvement brownien peut également être considéré comme une preuve du fait même de l'existence de molécules, c'est-à-dire qu'il peut également servir de justification expérimentale de la première position du MKT.

Interaction des particules de matière

La troisième position du MKT parle de l'interaction des particules de matière : les atomes ou les molécules interagissent entre eux par des forces d'attraction et de répulsion, qui dépendent des distances entre les particules : à mesure que les distances augmentent, les forces d'attraction commencent à prédominer, et à mesure que les distances diminuent, les forces répulsives.

La validité de la troisième position du MKT est mise en évidence par les forces élastiques résultant des déformations des corps. Lorsqu'un corps est étiré, les distances entre ses particules augmentent et les forces d'attraction des particules entre elles commencent à prévaloir. Lorsqu'un corps est comprimé, les distances entre les particules diminuent et, par conséquent, les forces répulsives prédominent. Dans les deux cas, la force élastique est dirigée dans le sens opposé à la déformation.

Une autre confirmation de l'existence de forces d'interaction intermoléculaire est la présence de trois états agrégés de la matière.

Dans les gaz, les molécules sont séparées les unes des autres par des distances dépassant largement les dimensions des molécules elles-mêmes (dans l'air dans des conditions normales, d'environ 1000 fois). À de telles distances, les forces d'interaction entre les molécules sont pratiquement absentes, les gaz occupent donc tout le volume qui leur est fourni et sont facilement compressés.

Dans les liquides, les espaces entre les molécules sont comparables à la taille des molécules. Les forces d'attraction moléculaire sont très tangibles et assurent la conservation du volume par les liquides. Mais ces forces ne sont pas assez fortes pour que les liquides conservent leur forme - les liquides, comme les gaz, prennent la forme d'un récipient.

Dans les solides, les forces d'attraction entre particules sont très fortes : corps solides conserver non seulement le volume, mais aussi la forme.

Le passage d'une substance d'un état d'agrégation à un autre est le résultat d'une modification de l'amplitude des forces d'interaction entre les particules de la substance. Les particules elles-mêmes restent inchangées.

Cette leçon traite du concept de mouvement thermique et d'une quantité physique telle que la température.

Les phénomènes thermiques dans la vie humaine sont d'une grande importance. Nous les rencontrons à la fois lors des prévisions météorologiques et lors de l'ébullition de l'eau ordinaire. Les phénomènes thermiques sont associés à des processus tels que la création de nouveaux matériaux, la fusion de métaux, la combustion de carburant, la création de nouveaux types de carburant pour les voitures et les avions, etc.

La température est l'un des concepts les plus importants associés aux phénomènes thermiques, car c'est souvent la température qui est la caractéristique la plus importante du déroulement des processus thermiques.

Définition.phénomènes thermiques- ce sont des phénomènes liés à l'échauffement ou au refroidissement des corps, ainsi qu'à une modification de leur état d'agrégation (Fig. 1).

Riz. 1. Fonte de la glace, chauffage de l'eau et évaporation

Tous les phénomènes thermiques sont associés à Température.

Tous les corps sont caractérisés par l'état de leur équilibre thermique. Caractéristique principale l'équilibre thermique est la température.

Définition.Température est une mesure de la "chaleur" du corps.

La température étant une grandeur physique, elle peut et doit être mesurée. Un instrument utilisé pour mesurer la température s'appelle thermomètre(du grec. thermique- "chaleureux", mètreo- "Je mesure") (Fig. 2).

Riz. 2. Thermomètre

Le premier thermomètre (ou plutôt son analogue) a été inventé par Galileo Galilei (Fig. 3).

Riz. 3. Galilée Galilée (1564-1642)

L'invention de Galilée, qu'il présenta à ses étudiants lors de conférences à l'université à la fin du XVIe siècle (1597), s'appelait thermoscope. Le fonctionnement de tout thermomètre repose sur le principe suivant : propriétés physiques les substances changent avec la température.

L'expérience de Galilée se composait de ce qui suit : il prit une fiole avec une longue tige et la remplit d'eau. Puis il prit un verre d'eau et retourna la fiole en la plaçant dans un verre. Une partie de l'eau, bien sûr, s'est répandue, mais en conséquence, un certain niveau d'eau est resté dans la jambe. Si maintenant le ballon (qui contient de l'air) est chauffé, le niveau d'eau baissera et s'il est refroidi, au contraire, il augmentera. Cela est dû au fait que lorsqu'elles sont chauffées, les substances (en particulier l'air) ont tendance à se dilater, et lorsqu'elles sont refroidies, elles se rétrécissent (c'est pourquoi les rails sont rendus discontinus et les fils entre les pôles s'affaissent parfois un peu).

Riz. 4. Expérience de Galilée

Cette idée a formé la base du premier thermoscope (Fig. 5), qui a permis d'estimer le changement de température (il est impossible de mesurer avec précision la température avec un tel thermoscope, car ses lectures dépendront fortement de la pression atmosphérique).

Riz. 5. Copie du thermoscope de Galilée

Dans le même temps, l'échelle dite des degrés a été introduite. Le mot même diplôme en latin signifie "étape".

À ce jour, trois échelles principales ont survécu.

1. Celsius

L'échelle la plus utilisée, connue de tous depuis l'enfance, est l'échelle Celsius.

Anders Celsius (Fig. 6) - astronome suédois, qui a proposé l'échelle de température suivante : - point d'ébullition de l'eau ; - point de congélation de l'eau. De nos jours, nous sommes tous habitués à l'échelle Celsius inversée.

Riz. 6 Andrés Celsius (1701-1744)

Noter: Celsius lui-même disait qu'un tel choix d'échelle était dû à un simple fait : en revanche, il n'y aurait pas de température négative en hiver.

2. Échelle Fahrenheit

Angleterre, États-Unis, France, l'Amérique latine et certains autres pays, l'échelle Fahrenheit est populaire.

Gabriel Fahrenheit (Fig. 7) est un chercheur allemand, ingénieur qui a le premier appliqué sa propre échelle à la fabrication du verre. L'échelle Fahrenheit est plus fine : la dimension de l'échelle Fahrenheit est inférieure au degré de l'échelle Celsius.

Riz. 7 Gabriel Fahrenheit (1686-1736)

3. Échelle de Réaumur

L'échelle technique a été inventée par le chercheur français R.A. Réaumur (fig. 8). Selon cette échelle, il correspond au point de congélation de l'eau, mais Réaumur a choisi une température de 80 degrés comme point d'ébullition de l'eau.

Riz. 8. René Antoine Réaumur (1683-1757)

En physique, ce qu'on appelle échelle absolue - Échelle Kelvin(Fig. 8). 1 degré Celsius est égal à 1 degré Kelvin, mais la température y correspond approximativement (Fig. 9).

Riz. 9. William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907)

Riz. 10. Échelles de température

Rappelez-vous que lorsque la température corporelle change, sa cotes linéaires(lorsqu'il est chauffé, le corps se dilate, lorsqu'il est refroidi, il se rétrécit). C'est lié au comportement des molécules. Lorsqu'elles sont chauffées, la vitesse de déplacement des particules augmente, respectivement, elles commencent à interagir plus souvent et le volume augmente (Fig. 11).

Riz. 11. Modification des dimensions linéaires

Nous pouvons en conclure que la température est associée au mouvement des particules qui composent les corps (ceci s'applique aux corps solides, liquides et gazeux).

Le mouvement des particules dans les gaz (Fig. 12) est aléatoire (puisque les molécules et les atomes dans les gaz n'interagissent pratiquement pas).

Riz. 12. Mouvement des particules dans les gaz

Le mouvement des particules dans les liquides (Fig. 13) est "sautant", c'est-à-dire que les molécules conduisent " sédentaire vie", mais sont capables de "sauter" d'un endroit à un autre. Cela détermine la fluidité des liquides.

Riz. 13. Mouvement des particules dans les liquides

Le mouvement des particules dans les solides (Fig. 14) est appelé oscillatoire.

Riz. 14. Mouvement des particules dans les solides

Ainsi, toutes les particules sont en mouvement continu. Ce mouvement de particules s'appelle mouvement thermique(mouvement aléatoire, chaotique). Ce mouvement ne s'arrête jamais (tant que le corps a une température). La présence de mouvement thermique a été confirmée en 1827 par le botaniste anglais Robert Brown (Fig. 15), après qui ce mouvement est appelé mouvement brownien.

Riz. 15. Robert Brown (1773-1858)

A ce jour, on sait que le basse température, ce qui peut être réalisé est d'environ . C'est à cette température que le mouvement des particules s'arrête (cependant, le mouvement à l'intérieur des particules elles-mêmes ne s'arrête pas).

L'expérience de Galilée a été décrite plus tôt, et en conclusion, considérons une autre expérience - l'expérience du scientifique français Guillaume Amonton (Fig. 15), qui en 1702 a inventé le soi-disant thermomètre à gaz. Avec des modifications mineures, ce thermomètre a survécu jusqu'à ce jour.

Riz. 15.Guillaume Amonton (1663-1705)

L'expérience d'Amonton

Riz. 16. Expérience d'Amonton

Prenez un flacon avec de l'eau et bouchez-le avec un bouchon à tube fin. Si vous chauffez maintenant l'eau, en raison de la dilatation de l'eau, son niveau dans le tube augmentera. Selon le niveau de montée d'eau dans le tube, il est possible de tirer une conclusion sur le changement de température. Avantage Thermomètre Amonton c'est qu'il ne dépend pas de la pression atmosphérique.

Dans cette leçon, nous avons considéré un élément aussi important quantité physique, comment Température. Nous avons étudié les méthodes de sa mesure, ses caractéristiques et ses propriétés. Dans la prochaine leçon, nous allons explorer le concept énergie interne .

Bibliographie

1. Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Éd. Orlova V.A., Roizena I.I. Physique 8.-M. : Mnemosyne.
2. Perychkine A.V. Physique 8.-M. : Outarde, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Physique 8.-M. : Lumières.

1. Portail Internet "class-fizika.narod.ru" ()
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Devoirs

1. N° 1-4 (paragraphe 1). Perychkine A.V. Physique 8.-M. : Outarde, 2010.

2. Pourquoi le thermoscope de Galileo ne peut-il pas être calibré ?

3. Clou de fer chauffé sur le poêle :

Comment la vitesse des molécules de fer a-t-elle changé ?

Comment la vitesse de déplacement des molécules changera-t-elle si l'ongle est abaissé dans de l'eau froide ?

Comment cela modifie-t-il la vitesse des molécules d'eau ?

Comment évolue le volume de l'ongle au cours de ces expériences ?

4. Ballon sorti de la pièce dans le froid :

Comment le volume de la balle va-t-il changer ?

Comment la vitesse de déplacement des molécules d'air à l'intérieur du ballon changera-t-elle ?

Comment la vitesse des molécules à l'intérieur de la balle changera-t-elle si elle est renvoyée dans la pièce et, en plus, placée dans la batterie ?

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Physique moléculaire et thermodynamique

Ce manuel est consacré à la deuxième section ¾Physique moléculaire. Thermodynamique¿ du codeur USE en physique. Il couvre les sujets suivants.

Mouvement thermique des atomes et des molécules de matière. Mouvement brownien. La diffusion. Preuve expérimentale de la théorie atomistique. Interaction de particules de matière.

Modèles de la structure des gaz, des liquides et des solides.

Modèle de gaz parfait. Relation entre la pression et l'énergie cinétique moyenne du mouvement thermique des molécules de gaz parfait. température absolue. Lien entre la température du gaz et l'énergie cinétique moyenne de ses particules. Équation p = nkT . Équation de Mendeleïev de Clapeyron.

Isoprocessus : processus isothermes, isochoriques, isobares, adiabatiques.

Paires saturées et insaturées. L'humidité de l'air.

Changements dans les états agrégés de la matière : évaporation et condensation, ébullition liquide, fusion et cristallisation. Changement d'énergie dans les transitions de phase.

Énergie interne. Bilan thermique. Transfert de chaleur. Quantité de chaleur. Chaleur spécifique substances. Équation du bilan thermique.

Travail en thermodynamique. Première loi de la thermodynamique.

Principes de fonctionnement des machines thermiques. efficacité du moteur thermique. La deuxième loi de la thermodynamique. Problèmes d'énergie et de protection de l'environnement.

Le manuel contient également du matériel supplémentaire qui n'est pas inclus dans UTILISER le codeur(mais inclus dans programme scolaire!). Ce matériel vous permet de mieux comprendre les sujets abordés.

1.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3 Liquides . . . . . . dix

	Formules de base de la physique moléculaire
	Température
		Système thermodynamique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Équilibre thermique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		échelle de température. Température absolue . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Équation d'état des gaz parfaits
		Énergie cinétique moyenne des particules de gaz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2 L'équation de base du MKT d'un gaz parfait. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.3 Énergie des particules et température des gaz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6.1 Processus thermodynamique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.2 Processus isotherme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.3 Graphiques de processus isothermes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

6.4 Processus isobare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6.5 Graphiques du processus isobare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

	Processus isochore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Tracés de processus isochoriques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 Vapeur saturée

7.1 Évaporation et condensation

7.2 équilibre dynamique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.3 Propriétés de la vapeur saturée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

8.1 Énergie interne d'un gaz parfait monoatomique. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

8.2 Fonction d'état. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.3 Changement d'énergie interne : faire du travail. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.4 Changement d'énergie interne : transfert de chaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.5 Conductivité thermique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

10 Transitions de phase

10.1 Fusion et cristallisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

10.2 Tableau de fusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

10.3 Chaleur spécifique de fusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

10.4 Tableau de cristallisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

10.5 Vaporisation et condensation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

10.6 Ébullition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

10.7 Programme d'ébullition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

10.8 Courbe de condensation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11 Première loi de la thermodynamique

11.1 Le travail d'un gaz dans un processus isobare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

11.2 Le gaz fonctionne dans un processus arbitraire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.3 Travaux effectués au gaz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.4 Première loi de la thermodynamique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

11.5 Application de la première loi de la thermodynamique aux isoprocessus. . . . . . . . . . . . . 46

11.6 processus adiabatique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.1 Moteurs thermiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

12.2 Machines frigorifiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

13.1 Irréversibilité des processus dans la nature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

13.2 Postulats de Clausius et Kelvin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1 Points clés théorie de la cinétique moléculaire

Le grand physicien américain Richard Feynman, l'auteur du célèbre cours ¾Feynman Lectures on Physics¿, possède des mots merveilleux :

Si, à la suite d'une sorte de catastrophe mondiale, toutes les connaissances scientifiques accumulées étaient détruites et qu'une seule phrase était transmise aux générations futures d'êtres vivants, alors quelle déclaration, composée du plus petit nombre de mots, apporterait le plus information? Je crois qu'il s'agit d'une hypothèse atomique (vous pouvez appeler cela non pas une hypothèse, mais un fait, mais cela ne change rien): tous les corps sont composés d'atomes de petits corps qui sont en mouvement constant, s'attirent à une petite distance, mais repoussez si l'un d'eux appuie plus fort sur l'autre. Dans cette seule phrase. . . contient une quantité incroyable d'informations sur le monde, il suffit d'y mettre un peu d'imagination et un peu de réflexion.

Ces mots contiennent l'essence de la théorie cinétique moléculaire (MKT) de la structure de la matière. À savoir, les principales dispositions du MKT sont les trois déclarations suivantes.

1. Toute substance est constituée des plus petites particules de molécules et d'atomes. Ils sont situés discrètement dans l'espace, c'est-à-dire à certaines distances les uns des autres.

2. Les atomes ou les molécules de matière sont dans un état de mouvement aléatoire 1 , qui ne se termine jamais.

3. Les atomes ou les molécules d'une substance interagissent les uns avec les autres par des forces d'attraction et de répulsion, qui dépendent des distances entre les particules.

Ces dispositions sont une généralisation de nombreuses observations et faits expérimentaux. Examinons de plus près ces dispositions et donnons leur justification expérimentale.

1.1 Atomes et molécules

Prenons un morceau de papier et commençons à le diviser en parties de plus en plus petites. Aurons-nous des morceaux de papier à chaque étape, ou quelque chose de nouveau apparaîtra-t-il à un moment donné ?

La première position du MKT nous dit que la matière n'est pas divisible à l'infini. Tôt ou tard nous atteindrons les ¾ Dernière frontière¿ les plus petites particules d'une substance donnée. Ces particules sont des atomes et des molécules. Ils peuvent également être divisés en parties, mais alors la substance d'origine cessera d'exister.

Un atome est la plus petite particule d'un élément chimique donné qui conserve toute sa Propriétés chimiques. Il n'y a pas tellement d'éléments chimiques, ils sont tous résumés dans le tableau périodique.

Une molécule est la plus petite particule d'une substance donnée (n'étant pas un élément chimique) qui conserve toutes ses propriétés chimiques. Une molécule est composée de deux ou plusieurs atomes d'un ou plusieurs éléments chimiques.

Par exemple, H2O est une molécule d'eau composée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. En le divisant en atomes, on n'aura plus affaire à une substance appelée ¾eau¿. De plus, en divisant les atomes H et O en leurs composants, nous obtenons un ensemble de protons, de neutrons et d'électrons, et perdons ainsi l'information selon laquelle il s'agissait au départ d'hydrogène et d'oxygène.

1 Ce mouvement est appelé mouvement thermique.

La taille d'un atome ou d'une molécule (constituée d'un petit nombre d'atomes) est d'environ 10 8 cm, une valeur si petite que l'atome ne peut être vu avec aucun microscope optique.

Les atomes et les molécules sont appelés, pour faire court, simplement des particules de matière. Ce qu'est exactement une particule, un atome ou une molécule dans chaque cas particulier n'est pas difficile à établir. Si nous parlons d'un élément chimique, alors un atome sera une particule; si une substance complexe est considérée, alors sa particule est une molécule composée de plusieurs atomes.

De plus, la première proposition du MKT stipule que les particules de matière ne remplissent pas l'espace en continu. Les particules sont localisées discrètement, c'est-à-dire comme en des points séparés. Entre les particules, il existe des espaces dont la taille peut varier dans certaines limites.

Le phénomène de dilatation thermique des corps témoigne en faveur de la première position du MKT. À savoir, lorsqu'elles sont chauffées, les distances entre les particules de la substance augmentent et les dimensions du corps augmentent. Lors du refroidissement, au contraire, les distances entre les particules diminuent, à la suite de quoi le corps se contracte.

La diffusion, la pénétration mutuelle des substances en contact les unes dans les autres, est également une confirmation frappante de la première position du MKT.

Par exemple, sur la fig. 1 montre2 le processus de diffusion dans un liquide. Les particules du soluté sont placées dans un verre d'eau et se situent d'abord dans la partie supérieure gauche du verre. Au fil du temps, les particules se déplacent (disons diffuses) d'une région de forte concentration vers une région de faible concentration. Au final, la concentration des particules devient la même partout, les particules sont uniformément réparties dans tout le volume du liquide.

Riz. 1. Diffusion dans un liquide

Comment expliquer la diffusion du point de vue de la théorie moléculaire-cinétique ? Très simplement : les particules d'une substance pénètrent dans les interstices entre les particules d'une autre substance. Plus la diffusion est rapide, plus ces espaces sont grands ; par conséquent, les gaz se mélangent plus facilement les uns aux autres (dans lequel les distances entre les particules sont beaucoup plus grandes que la taille des particules elles-mêmes).

1.2 Mouvement thermique des atomes et des molécules

Rappelons encore une fois la formulation de la deuxième proposition du MKT : les particules de matière effectuent un mouvement aléatoire (également appelé mouvement thermique), qui ne s'arrête jamais.

La confirmation expérimentale de la deuxième position du MKT est à nouveau le phénomène de diffusion, car la pénétration mutuelle des particules n'est possible qu'avec leur mouvement continu !

2 Image tirée de fr.wikipedia.org.

Mais la preuve la plus frappante du mouvement chaotique éternel des particules de matière est le mouvement brownien. C'est le nom du mouvement aléatoire continu des particules browniennes de particules de poussière ou de grains (taille de 10 5 à 104 cm) en suspension dans un liquide ou un gaz.

Le mouvement brownien tire son nom du botaniste écossais Robert Brown, qui a vu au microscope la danse continue des particules de pollen en suspension dans l'eau. Comme preuve que ce mouvement prend une éternité, Brown a trouvé un morceau de quartz avec une cavité remplie d'eau. Malgré le fait que l'eau y est arrivée il y a plusieurs millions d'années, les particules qui y sont arrivées ont continué leur mouvement, ce qui n'était pas différent de ce qui a été observé dans d'autres expériences.

La raison du mouvement brownien est qu'une particule en suspension subit des impacts non compensés des molécules de liquide (gaz), et en raison du mouvement chaotique des molécules, l'ampleur et la direction de l'impact résultant sont absolument imprévisibles. Ainsi, une particule brownienne décrit des trajectoires complexes en zigzag (Fig. 2)3.

Riz. 2. Mouvement brownien

La taille des particules browniennes est de 1 000 à 10 000 fois la taille d'un atome. D'une part, une particule brownienne est suffisamment petite et « sent » toujours qu'un nombre différent de molécules la frappent dans différentes directions ; cette différence dans le nombre d'impacts conduit à des déplacements notables de la particule brownienne. D'autre part, les particules browniennes sont suffisamment grandes pour être vues au microscope.

Soit dit en passant, le mouvement brownien peut également être considéré comme une preuve du fait même de l'existence de molécules, c'est-à-dire qu'il peut également servir de justification expérimentale de la première position du MKT.

1.3 Interaction des particules de matière

La troisième position du MKT parle de l'interaction des particules d'une substance : les atomes ou les molécules interagissent les uns avec les autres par des forces d'attraction et de répulsion, qui dépendent des distances entre les particules : à mesure que les distances augmentent, les forces d'attraction commencent à l'emportent, avec une diminution de la force répulsive.

La validité de la troisième position du MKT est mise en évidence par les forces élastiques résultant des déformations des corps. Lorsqu'un corps est étiré, les distances entre ses particules augmentent et les forces d'attraction des particules entre elles commencent à prévaloir. Lorsqu'un corps est comprimé, les distances entre les particules diminuent et, par conséquent, les forces répulsives prédominent. Dans les deux cas, la force élastique est dirigée dans le sens opposé à la déformation.

3 Image du site nv-magadan.narod.ru.

Une autre confirmation de l'existence de forces d'interaction intermoléculaire est la présence de trois états agrégés de la matière.

DANS Dans les gaz, les molécules sont séparées les unes des autres par des distances dépassant largement les dimensions des molécules elles-mêmes (dans l'air dans des conditions normales, d'environ 1000 fois). À de telles distances, les forces d'interaction entre les molécules sont pratiquement absentes, les gaz occupent donc tout le volume qui leur est fourni et sont facilement compressés.

DANS Dans les liquides, les espaces entre les molécules sont comparables à la taille des molécules. Les forces d'attraction moléculaire sont très tangibles et assurent la conservation du volume par les liquides. Mais ces forces ne sont pas assez fortes pour que les liquides conservent leur forme, et les liquides, comme les gaz, prennent la forme d'un récipient.

DANS Dans les solides, les forces d'attraction entre les particules sont très fortes : les solides conservent non seulement le volume, mais aussi la forme.

Le passage d'une substance d'un état d'agrégation à un autre est le résultat d'une modification de l'amplitude des forces d'interaction entre les particules de la substance. Les particules elles-mêmes restent inchangées.