A minket körülvevő világban különféle fizikai jelenségek léteznek, amelyek közvetlenül kapcsolódnak egymáshoz a testhőmérséklet változása. Gyerekkorunk óta tudjuk, hogy a hideg víz felmelegítve eleinte alig melegszik fel, majd csak azután pontos idő forró.

Az olyan szavakkal, mint a „hideg”, „meleg”, „meleg”, a testek „felmelegedésének” különböző fokait, vagy a fizika nyelvén szólva a testek különböző hőmérsékletét határozzuk meg. Hőfok meleg víz valamivel melegebb, mint a hideg víz. Ha összehasonlítjuk a nyári és a téli levegő hőmérsékletét, akkor nyilvánvaló a hőmérsékletkülönbség.

A testhőmérsékletet hőmérővel mérik, és Celsius-fokban (°C) fejezik ki.

Mint ismeretes, a diffúzió magasabb hőmérsékleten gyorsabb. Ebből az következik, hogy a molekulák mozgási sebessége és a hőmérséklet szorosan összefügg egymással. Ha növeli a hőmérsékletet, akkor a molekulák mozgási sebessége nő, ha csökkenti, akkor csökken.

Így arra a következtetésre jutunk: a testhőmérséklet közvetlenül összefügg a molekulák mozgási sebességével.

A forró víz pontosan ugyanazokból a molekulákból áll, mint a hideg víz. A különbség csak a molekulák mozgási sebességében van.

Termikusnak nevezzük azokat a jelenségeket, amelyek a testek felmelegedésével vagy lehűlésével, a hőmérséklet változásával kapcsolatosak. Ide tartozik a levegő fűtése vagy hűtése, fémolvadás, hóolvadás.

A molekulák vagy atomok, amelyek minden test alapját képezik, végtelenül kaotikus mozgásban vannak. Az ilyen molekulák és atomok száma a minket körülvevő testekben óriási. Egy 1 cm³ víznek megfelelő térfogat körülbelül 3,34 x 102² molekulát tartalmaz. Bármely molekulának nagyon összetett mozgáspályája van. Például a nagy sebességgel, különböző irányokba mozgó gázrészecskék egymásnak és az edény falának is ütközhetnek. Így változtatnak sebességükön, és ismét továbbhaladnak.

Az 1. ábra a vízben oldott festékrészecskék véletlenszerű mozgását mutatja.

Tehát még egy következtetést vonunk le: a testeket alkotó részecskék kaotikus mozgását hőmozgásnak nevezzük.

A véletlenszerűség a hőmozgás legfontosabb jellemzője. A molekulák mozgásának egyik legfontosabb bizonyítéka az diffúzió és Brown-mozgás.(A Brown-mozgás a folyadékban lévő legkisebb szilárd részecskék mozgása molekuláris hatások hatására. A megfigyelések szerint a Brown-mozgás nem állhat meg).

A folyadékokban a molekulák oszcillálhatnak, foroghatnak és mozoghatnak más molekulákhoz képest. Ha szilárd anyagokat vesszük, akkor bennük a molekulák és az atomok valamilyen átlagos pozíció körül rezegnek.

A molekulák és atomok hőmozgásában a test abszolút összes molekulája részt vesz, ezért a hőmozgás változásával magának a testnek az állapota, különféle tulajdonságai is megváltoznak. Így, ha növeli a jég hőmérsékletét, az olvadni kezd, miközben teljesen más formát vesz fel - a jég folyadékká válik. Ha éppen ellenkezőleg, például a higany hőmérsékletét csökkentik, akkor megváltozik a tulajdonságai, és folyékonyból szilárd anyaggá alakul.

T a testhőmérséklet közvetlenül függ a molekulák átlagos kinetikus energiájától. Kézenfekvő következtetést vonunk le: minél magasabb a test hőmérséklete, annál nagyobb molekuláinak átlagos kinetikus energiája. Ezzel szemben a testhőmérséklet csökkenésével a molekulák átlagos kinetikus energiája csökken.

Ha kérdése van, vagy szeretne többet megtudni a hőmozgásról és a hőmérsékletről, regisztráljon weboldalunkon, és kérje oktató segítségét.

Van kérdésed? Nem tudja, hogyan csinálja meg a házi feladatát?
Ha oktatói segítséget szeretne kérni - regisztráljon.
Az első óra ingyenes!

oldalon, az anyag teljes vagy részleges másolásakor a forrásra mutató hivatkozás szükséges.

Ön szerint mi határozza meg a cukor vízben való oldódási sebességét? Elvégezhet egy egyszerű kísérletet. Vegyünk két darab cukrot, és dobjuk az egyiket egy pohár forrásban lévő, a másikat egy pohár hideg vízbe.

Látni fogja, hogyan oldódik fel a cukor a forrásban lévő vízben többszörösen gyorsabban, mint a benne hideg víz. A feloldódás oka a diffúzió. Ez azt jelenti, hogy magasabb hőmérsékleten gyorsabban megy végbe a diffúzió. A diffúziót a molekulák mozgása okozza. Ezért arra a következtetésre jutottunk, hogy a molekulák gyorsabban mozognak magasabb hőmérsékleten. Vagyis mozgásuk sebessége a hőmérséklettől függ. Ezért nevezzük a testet alkotó molekulák véletlenszerű kaotikus mozgását hőmozgásnak.

Molekulák termikus mozgása

A hőmérséklet emelkedésével nő hőmozgás molekulák, az anyag tulajdonságai megváltoznak. A szilárd anyag megolvad, folyadékká alakul, a folyadék elpárolog, gáz halmazállapotúvá válik. Ennek megfelelően, ha a hőmérsékletet csökkentjük, akkor a molekulák hőmozgásának átlagos energiája is csökken, és ennek megfelelően a testek aggregációs állapotát megváltoztató folyamatok ellentétes irányúak: a víz folyadékká kondenzálódik, a a folyadék megfagy, szilárd halmazállapotúvá válik. Ugyanakkor mindig a hőmérséklet és a molekulasebesség átlagértékeiről beszélünk, mivel mindig vannak olyan részecskék, amelyeknek ezek az értékek nagyobb és kisebbek.

Az anyagokban lévő molekulák egy bizonyos távolságot áthaladva mozognak, ezért bizonyos munkát végeznek. Vagyis a részecskék mozgási energiájáról beszélhetünk. Ennek következtében az ő relatív pozíció ott van a molekulák potenciális energiája is. Mikor kérdéses a testek mozgási és potenciális energiájáról, akkor a testek teljes mechanikai energiájának létezéséről beszélünk. Ha a test részecskéi rendelkeznek kinetikai és potenciális energiával, akkor ezeknek az energiáknak az összegéről beszélhetünk független mennyiségként.

A test belső energiája

Vegyünk egy példát. Ha egy rugalmas labdát a padlóra dobunk, akkor a mozgásának kinetikus energiája teljesen átalakul potenciális energiává abban a pillanatban, amikor megérinti a padlót, majd ismét mozgási energiává válik, amikor visszapattan. Ha nehéz vaslabdát dobunk kemény, rugalmatlan felületre, akkor a labda pattanás nélkül landol. Kinetikai és potenciális energiája a leszállás után egyenlő lesz nullával. Hová tűnt az energia? Csak úgy eltűnt? Ha az ütközés után megvizsgáljuk a labdát és a felületet, akkor azt láthatjuk, hogy a labda kissé ellaposodott, horpadás maradt a felületen, és mindkettő kissé felmelegedett. Azaz megváltozott a testek molekuláinak elrendeződése, és a hőmérséklet is emelkedett. Ez azt jelenti, hogy a test részecskéinek kinetikai és potenciális energiái megváltoztak. A test energiája nem tűnt el sehova, átment a test belső energiájába. A belső energiát a test összes részecskéjének kinetikai és potenciális energiájának nevezzük. A testek ütközése a belső energia változását idézte elő, az növekedett, a mechanikai energia csökkent. Ez az, amiből áll

A USE kódoló témái: atomok és anyagmolekulák hőmozgása, Brown-mozgás, diffúzió, anyagrészecskék kölcsönhatása, az atomisztikus elmélet kísérleti bizonyítékai.

A nagy amerikai fizikus, Richard Feynman, a híres Feynman Lectures on Physics szerzője a következő figyelemre méltó szavakat írta:

– Ha valamilyen globális katasztrófa következtében az összes felhalmozott tudományos tudás megsemmisülne, és csak egy mondat szállna át az élőlények következő generációira, akkor milyen kijelentésből áll legkisebb mennyiségben szavakkal, a legtöbb információt hozná? Szerintem az atomi hipotézis(nevezhetjük nem hipotézisnek, hanem ténynek, de ez nem változtat semmit): minden test kis testek atomjaiból áll, amelyek állandó mozgásban vannak, kis távolságra vonzzák, de taszítják, ha az egyik közelebb nyomódott a másikhoz. Az az egy mondat... hihetetlen mennyiségű információt tartalmaz a világról, csak egy kis fantáziát és egy kis megfontolást kell hozzá alkalmazni.

Ezek a szavak tartalmazzák az anyag szerkezetének molekuláris-kinetikai elméletének (MKT) lényegét. Az MKT főbb rendelkezései ugyanis a következő három állítás.

1. Bármely anyag molekulák és atomok legkisebb részecskéiből áll. Ezek diszkréten helyezkednek el a térben, azaz bizonyos távolságra egymástól.
2. Egy anyag atomjai vagy molekulái véletlenszerű mozgás állapotában vannak (ezt a mozgást termikus mozgásnak nevezik), ami soha nem áll meg.
3. Egy anyag atomjai vagy molekulái kölcsönhatásba lépnek egymással vonzási és taszító erők hatására, amelyek a részecskék távolságától függenek.

Ezek a rendelkezések számos megfigyelés és kísérleti tény általánosításai. Nézzük meg közelebbről ezeket a rendelkezéseket, és adjuk meg kísérleti igazolásukat.

Például egy vízmolekula, amely két hidrogénatomból és egy oxigénatomból áll. Atomokra osztva többé nem fogunk foglalkozni a „víz” nevű anyaggal. Továbbá az atomok felosztásával és részekre osztva protonok, neutronok és elektronok halmazát kapjuk, és ezzel elveszítjük azt az információt, hogy ezek először hidrogén és oxigén voltak.

Az atomokat és molekulákat egyszerűen nevezzük részecskék anyagokat. Hogy pontosan mi a részecske - atom vagy molekula - minden egyes esetben nem nehéz megállapítani. Ha arról van szó kémiai elem, akkor a részecske atom lesz; ha figyelembe vesszük összetett anyag, akkor részecskéje több atomból álló molekula.

Továbbá az MKT első tétele kimondja, hogy az anyagrészecskék nem töltik ki folyamatosan a teret. A részecskék elrendeződnek diszkréten, vagyis külön pontokon. A részecskék között rések vannak, amelyek mérete bizonyos határokon belül változhat.

Az MKT első pozíciója mellett szól a jelenség hőtágulás tel. Ugyanis hevítéskor az anyag részecskéi közötti távolságok megnőnek, a test méretei megnőnek. Lehűléskor a részecskék közötti távolságok csökkennek, aminek következtében a test összehúzódik.

Feltűnő megerősítése az MKT első pozíciójának is diffúzió- a szomszédos anyagok kölcsönös behatolása egymásba.

Például a 2. ábrán. Az 1. ábra a folyadékban történő diffúzió folyamatát mutatja. Az oldott anyag részecskéit egy pohár vízbe helyezzük, és először a pohár bal felső részében helyezkednek el. Idővel a részecskék mozognak (ahogy mondják, diffúz) nagy koncentrációjú területről alacsony koncentrációjú területre. Végül a részecskék koncentrációja mindenhol azonos lesz - a részecskék egyenletesen oszlanak el a folyadék teljes térfogatában.

Rizs. 1. Diffúzió folyadékban

Hogyan magyarázható a diffúzió a molekuláris-kinetikai elmélet szemszögéből? Nagyon egyszerűen: az egyik anyag részecskéi behatolnak a másik anyag részecskéi közötti résbe. Minél gyorsabban megy a diffúzió, minél nagyobbak ezek a rések – ezért a gázok legkönnyebben keverednek egymással (amiben a részecskék közötti távolságok nagyok több méretben maguk a részecskék).

Atomok és molekulák termikus mozgása

Emlékezzünk még egyszer az MKT második rendelkezésének szövegére: az anyag részecskéi véletlenszerű mozgást (más néven hőmozgást) hajtanak végre, amely soha nem áll le.

Az MKT második pozíciójának kísérleti igazolása ismét a diffúzió jelensége, mert a részecskék kölcsönös behatolása csak folyamatos mozgásukkal lehetséges! De az anyagrészecskék örök kaotikus mozgásának legszembetűnőbb bizonyítéka az Brown-mozgás. Ez a neve a folyamatos szabálytalan mozgásnak barna részecskék- folyadékban vagy gázban szuszpendált (cm méretű) porszemcsék vagy szemcsék.

A Brown-mozgás Robert Brown skót botanikus tiszteletére kapta a nevét, aki mikroszkóppal látta a vízben szuszpendált pollenszemcsék folyamatos táncát. Annak bizonyítékaként, hogy ez a mozgás örökké tart, Brown talált egy kvarcdarabot, amelynek ürege tele van vízzel. Annak ellenére, hogy a víz sok millió évvel ezelőtt került oda, az oda került molyok folytatták mozgásukat, ami nem különbözött a többi kísérletben megfigyelttől.

A Brown-mozgás oka, hogy a lebegő részecskék nem kompenzálják a folyadék (gáz) molekulák hatását, és a molekulák kaotikus mozgása miatt a becsapódás mértéke és iránya abszolút kiszámíthatatlan. Ezért egy Brown-részecske összetett cikk-cakk pályákat ír le (2. ábra).

Rizs. 2. Brown-mozgás

A Brown-mozgás egyébként önmagában a molekulák létezésének ténye bizonyítékának is tekinthető, vagyis az MKT első pozíciójának kísérleti alátámasztására is szolgálhat.

Az anyag részecskéinek kölcsönhatása

Az MKT harmadik álláspontja az anyagrészecskék kölcsönhatásáról beszél: az atomok vagy molekulák kölcsönhatásba lépnek egymással a részecskék távolságától függő vonzási és taszító erők hatására: a távolságok növekedésével a vonzás, a távolságok csökkenésével pedig a taszító erők kezdenek uralkodni.

Az MKT harmadik pozíciójának érvényességét a testek alakváltozásaiból eredő rugalmas erők bizonyítják. Amikor egy testet megnyújtanak, a részecskéi közötti távolság megnő, és a részecskék egymáshoz való vonzóerei kezdenek érvényesülni. Ha egy testet összenyomnak, a részecskék közötti távolságok csökkennek, és ennek eredményeként a taszító erők dominálnak. A rugalmas erő mindkét esetben az alakváltozással ellentétes irányba irányul.

Az intermolekuláris kölcsönhatás erőinek létezésének másik megerősítése három halmazállapotú anyag jelenléte.

A gázokban a molekulákat a molekulák méreteit jelentősen meghaladó távolságok választják el egymástól (levegőben normál körülmények között körülbelül 1000-szeresére). Ilyen távolságokon gyakorlatilag hiányoznak a molekulák közötti kölcsönhatási erők, ezért a gázok a számukra biztosított teljes térfogatot elfoglalják és könnyen összenyomódnak.

Folyadékokban a molekulák közötti távolság a molekulák méretéhez hasonlítható. A molekuláris vonzás erői nagyon kézzelfoghatóak és biztosítják a folyadékok térfogatának megőrzését. De ezek az erők nem elég erősek ahhoz, hogy a folyadékok megőrizzék alakjukat – a folyadékok, akárcsak a gázok, edény formáját öltik.

Szilárd testekben a részecskék közötti vonzási erők nagyon erősek: szilárd testek nem csak a térfogatot, hanem a formát is megtartja.

Az anyag átmenete az egyik aggregációs állapotból a másikba az anyag részecskéi közötti kölcsönhatási erők nagyságának változásának eredménye. Maguk a részecskék változatlanok maradnak.

Ez a lecke a hőmozgás fogalmát és egy olyan fizikai mennyiséget tárgyal, mint a hőmérséklet.

A hőjelenségek az emberi életben nagy jelentőséggel bírnak. Mind az időjárás-előrejelzés, mind a közönséges víz forralása közben találkozunk velük. A hőjelenségek olyan folyamatokhoz kapcsolódnak, mint az új anyagok létrehozása, a fémek olvadása, az üzemanyag elégetése, új típusú üzemanyagok létrehozása autókhoz és repülőgépekhez stb.

A hőmérséklet a hőjelenségekkel kapcsolatos egyik legfontosabb fogalom, hiszen gyakran a hőmérséklet a legfontosabb jellemzője a hőfolyamatok lefolyásának.

Meghatározás.hőjelenségek- ezek a testek felmelegedésével vagy lehűlésével, valamint aggregációs állapotuk megváltozásával kapcsolatos jelenségek (1. ábra).

Rizs. 1. Jégolvasztás, vízmelegítés és párologtatás

Minden hőjelenséghez kapcsolódik hőfok.

Minden testet az állapota jellemez termikus egyensúly. Fő jellemző termikus egyensúly a hőmérséklet.

Meghatározás.Hőfok a test "melegének" mértéke.

Mivel a hőmérséklet fizikai mennyiség, lehet és kell is mérni. A hőmérséklet mérésére szolgáló műszert ún hőmérő(görögből. termo- "melegen", metreo- „mérem”) (2. ábra).

Rizs. 2. Hőmérő

Az első hőmérőt (vagy inkább analógját) Galileo Galilei találta fel (3. ábra).

Rizs. 3. Galileo Galilei (1564-1642)

Galilei találmányát, amelyet a 16. század végén (1597) egyetemi előadásokon mutatott be hallgatóinak, az ún. termoszkóp. Bármely hőmérő működése a következő elven alapul: fizikai tulajdonságok az anyagok a hőmérséklettel változnak.

Galilei tapasztalatai a következőkből állt: vett egy hosszú szárú lombikot és megtöltötte vízzel. Aztán vett egy pohár vizet, és fejjel lefelé fordította a lombikot, és beletette egy pohárba. A víz egy része természetesen kiömlött, de ennek következtében bizonyos mennyiségű víz maradt a lábban. Ha most a lombikot (amely levegőt tartalmaz) felmelegítjük, akkor a víz szintje csökken, és ha lehűtjük, akkor éppen ellenkezőleg, emelkedik. Ennek az az oka, hogy hevítéskor az anyagok (különösen a levegő) hajlamosak tágulni, hűtve pedig szűkülni (ezért a sínek nem folytonosak, és az oszlopok közötti vezetékek néha kissé megereszkednek).

Rizs. 4. A Galileo tapasztalatai

Ez az ötlet képezte az első termoszkóp alapját (5. ábra), amely lehetővé tette a hőmérséklet változásának becslését (ilyen termoszkóppal nem lehet pontosan mérni a hőmérsékletet, mivel a leolvasások erősen függenek a légköri nyomástól).

Rizs. 5. Galilei termoszkóp másolata

Ezzel egyidejűleg bevezették az úgynevezett fokozati skálát is. Maga a szó fokozat latinul „lépést” jelent.

A mai napig három fő mérleg maradt fenn.

1. Celsius

A legszélesebb körben használt skála, amelyet mindenki gyermekkora óta ismer, a Celsius-skála.

Anders Celsius (6. ábra) - svéd csillagász, aki a következő hőmérsékleti skálát javasolta: - víz forráspontja; - a víz fagyáspontja. Manapság mindannyian hozzászoktunk a fordított Celsius-skálához.

Rizs. 6 Andres Celsius (1701-1744)

Jegyzet: Celsius maga mondta, hogy a skála ilyen megválasztását egy egyszerű tény okozta: másrészt télen nem lesz negatív hőmérséklet.

2. Fahrenheit skála

Anglia, USA, Franciaország, latin Amerikaés néhány más országban a Fahrenheit skála népszerű.

Gabriel Fahrenheit (7. ábra) német kutató, mérnök, aki először alkalmazta saját skáláját az üveggyártásban. A Fahrenheit skála vékonyabb: a Fahrenheit skála mérete kisebb, mint a Celsius-skála foka.

Rizs. 7 Gabriel Fahrenheit (1686-1736)

3. Réaumur skála

A technikai skálát a francia kutató, R.A. Réaumur (8. kép). Ez a skála szerint a víz fagyáspontjának felel meg, de Réaumur 80 fokos hőmérsékletet választott a víz forráspontjának.

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

A fizikában az ún abszolút skála - Kelvin skála(8. ábra). 1 Celsius-fok egyenlő 1 Kelvin-fokkal, de a hőmérséklet kb. (9. ábra).

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

Rizs. 10. Hőmérséklet-mérleg

Emlékezzünk vissza, hogy amikor a testhőmérséklet megváltozik, az lineáris méretek(hevítéskor a test kitágul, lehűtve szűkül). Ez összefügg a molekulák viselkedésével. Melegítéskor a részecskék mozgási sebessége növekszik, gyakrabban kezdenek kölcsönhatásba lépni, és nő a térfogat (11. ábra).

Rizs. 11. Lineáris méretek megváltoztatása

Ebből arra következtethetünk, hogy a hőmérséklet a testeket alkotó részecskék mozgásával függ össze (ez szilárd, folyékony és gáznemű testekre vonatkozik).

A részecskék mozgása a gázokban (12. ábra) véletlenszerű (mivel a gázokban lévő molekulák és atomok gyakorlatilag nem lépnek kölcsönhatásba).

Rizs. 12. Részecskék mozgása gázokban

A részecskék mozgása a folyadékokban (13. ábra) "ugrás", vagyis a molekulák vezetnek " ülőéletet", de képesek "ugrani" egyik helyről a másikra. Ez határozza meg a folyadékok folyékonyságát.

Rizs. 13. A részecskék mozgása folyadékokban

A részecskék mozgását szilárd testekben (14. ábra) oszcillációsnak nevezzük.

Rizs. 14. Részecskék mozgása szilárd anyagokban

Így minden részecske folyamatos mozgásban van. A részecskék ezen mozgását ún hőmozgás(véletlenszerű, kaotikus mozgás). Ez a mozgás soha nem áll meg (amíg a test hőmérséklete van). A hőmozgás jelenlétét 1827-ben Robert Brown angol botanikus erősítette meg (15. ábra), akiről ezt a mozgást az ún. barna mozgás.

Rizs. 15. Robert Brown (1773-1858)

A mai napig ismert, hogy a alacsony hőmérséklet, ami elérhető kb. Ezen a hőmérsékleten a részecskék mozgása leáll (a részecskék belsejében azonban nem áll le).

Galilei tapasztalatait korábban leírták, és befejezésül egy másik tapasztalatot veszünk figyelembe - Guillaume Amonton francia tudós tapasztalatát (15. ábra), aki 1702-ben feltalálta az ún. gázhőmérő. Kisebb változtatásokkal ez a hőmérő a mai napig fennmaradt.

Rizs. 15. Guillaume Amonton (1663-1705)

Amonton tapasztalat

Rizs. 16. Amonton tapasztalatai

Vegyünk egy lombikot vízzel, és dugjuk be egy vékony csővel ellátott dugóval. Ha most felmelegíti a vizet, akkor a víz tágulása miatt a csőben lévő szintje megnő. A csőben a vízemelkedés mértéke alapján következtetést vonhatunk le a hőmérséklet változására vonatkozóan. Előny Amonton hőmérő az, hogy nem függ a légköri nyomástól.

Ebben a leckében olyan fontosnak tartottunk fizikai mennyiség, mint hőfok. Tanulmányoztuk mérési módszereit, jellemzőit és tulajdonságait. A következő leckében a koncepciót vizsgáljuk meg belső energia .

Bibliográfia

1. Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Szerk. Orlova V.A., Roizena I.I. Fizika 8. - M.: Mnemosyne.
2. Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Túzok, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizika 8. - M.: Felvilágosodás.

1. "class-fizika.narod.ru" internetes portál ()
2. „school.xvatit.com” internetes portál ()
3. "ponimai.su" internetes portál ()

Házi feladat

1. 1-4. (1) bekezdés). Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Túzok, 2010.

2. Miért nem kalibrálható a Galileo termoszkóp?

3. A tűzhelyen melegített vasszög:

Hogyan változott a vasmolekulák sebessége?

Hogyan változik a molekulák mozgási sebessége, ha a körmöt hideg vízbe engedjük?

Hogyan változtatja meg ez a vízmolekulák sebességét?

Hogyan változik a köröm térfogata a kísérletek során?

4. Ballon kiköltözött a szobából a hidegbe:

Hogyan változik a labda hangereje?

Hogyan fog megváltozni a légmolekulák mozgási sebessége a ballonban?

Hogyan fog megváltozni a molekulák sebessége a golyóban, ha visszajuttatjuk a helyiségbe, és ráadásul az akkumulátorba helyezzük?

IV Jakovlev | Fizikai anyagok | MathUs.ru

Molekuláris fizika és termodinamika

Ez a kézikönyv a második fejezetnek (Molekuláris fizika) szól. A USE kodifikátor termodinamikája a fizikában. A következő témákat fedi le.

Atomok és anyagmolekulák termikus mozgása. Brown-mozgás. Diffúzió. Az atomisztikus elmélet kísérleti bizonyítékai. Az anyag részecskéinek kölcsönhatása.

Gázok, folyadékok és szilárd anyagok szerkezetének modelljei.

Ideális gázmodell. Összefüggés a nyomás és az ideális gázmolekulák hőmozgásának átlagos kinetikus energiája között. abszolút hőmérséklet. A gáz hőmérsékletének kapcsolata részecskéi átlagos kinetikus energiájával. p = nkT egyenlet. Mengyelejev Clapeyron egyenlete.

Izofolyamatok: izoterm, izokhorikus, izobár, adiabatikus folyamatok.

Telített és telítetlen párok. A levegő páratartalma.

Az aggregált halmazállapotok változása: párolgás és kondenzáció, folyadékforrás, olvadás és kristályosodás. Energiaváltozás a fázisátalakulásokban.

Belső energia. Termikus egyensúly. Hőátadás. A hőmennyiség. Fajlagos hő anyagokat. Hőmérleg egyenlete.

Termodinamikai munka. A termodinamika első főtétele.

Termikus gépek működési elvei. hőmotor hatásfoka. A termodinamika második főtétele. Az energia és a környezetvédelem problémái.

A kézikönyv további anyagokat is tartalmaz, amelyeket nem tartalmaz HASZNÁLJA a kódolót(de benne van iskolai tananyag!). Ez az anyag lehetővé teszi a tárgyalt témák jobb megértését.

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

2.3 Folyadékok . . . . . . tíz

	A molekuláris fizika alapképletei
	Hőfok
		Termodinamikai rendszer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Termikus egyensúly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		hőmérsékleti skála. Abszolút hőmérséklet . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Ideális gáz állapotegyenlete
		A gázrészecskék átlagos kinetikus energiája. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2 Az ideális gáz MKT alapegyenlete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.3 A részecske energia és a gáz hőmérséklete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6.1 Termodinamikai folyamat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.2 Izoterm folyamat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.3 Izoterm folyamatgrafikonok. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

6.4 Izobár folyamat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6.5 Az izobár folyamat ábrái. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

	Izokórikus folyamat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Izokórikus folyamatábrák. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 Telített gőz

7.1 Párolgás és kondenzáció

7.2 dinamikus egyensúly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.3 Telített gőz tulajdonságai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

8.1 Monatomikus ideális gáz belső energiája. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

8.2 Állapot funkció. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.3 Belső energia változása: munkavégzés. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.4 Belső energia változása: hőátadás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.5 Hővezető. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

10 Fázisátmenetek

10.1 Olvadás és kristályosodás. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

10.2 Olvadási diagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

10.3 Fajlagos olvadási hő. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

10.4 Kristályosodási diagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

10.5 Párolgás és kondenzáció. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

10.6 Forrás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

10.7 Forralási ütemterv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

10.8 Kondenzációs görbe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11 A termodinamika első főtétele

11.1 Gáz munkája izobár folyamatban. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

11.2 Gázmunka önkényes folyamatban. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.3 Gázzal végzett munka. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.4 A termodinamika első főtétele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

11.5 A termodinamika első főtételének alkalmazása izofolyamatokra. . . . . . . . . . . . . 46

11.6 adiabatikus folyamat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.1 Hőmotorok. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

12.2 Hűtőgépek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

13.1 A természetben zajló folyamatok visszafordíthatatlansága. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

13.2 Clausius és Kelvin posztulátumai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1 Alapvető rendelkezések molekuláris kinetikai elmélet

A nagy amerikai fizikus, Richard Feynman, a híres ¾Feynman Lectures on Physics¿ kurzus szerzője csodálatos szavakkal rendelkezik:

Ha valamiféle globális katasztrófa következtében az összes felhalmozott tudományos ismeret megsemmisülne, és csak egy mondat szállna át az élőlények jövő nemzedékeire, akkor melyik a legkevesebb szóból álló kijelentés hozná a legtöbbet információ? Úgy gondolom, hogy ez egy atomi hipotézis (nem hipotézisnek, hanem ténynek nevezhetjük, de ez nem változtat semmit): minden test kis testek atomjaiból áll, amelyek állandó mozgásban vannak, kis távolságra vonzzák magukhoz, de taszítsd, ha egyikük erősebben nyomja a másikat. Ebben az egy mondatban. . . hihetetlen mennyiségű információt tartalmaz a világról, csak egy kis képzelőerőt és egy kis gondolkodást kell beletenni.

Ezek a szavak tartalmazzák az anyag szerkezetének molekuláris-kinetikai elméletének (MKT) lényegét. Az MKT főbb rendelkezései ugyanis a következő három állítás.

1. Bármely anyag molekulák és atomok legkisebb részecskéiből áll. Ezek diszkréten helyezkednek el a térben, azaz bizonyos távolságra egymástól.

2. Az anyag atomjai vagy molekulái véletlenszerű mozgásállapotban vannak 1 , amely soha nem ér véget.

3. Egy anyag atomjai vagy molekulái kölcsönhatásba lépnek egymással vonzási és taszító erőkkel, amelyek a részecskék távolságától függenek.

Ezek a rendelkezések számos megfigyelés és kísérleti tény általánosításai. Nézzük meg közelebbről ezeket a rendelkezéseket, és adjuk meg kísérleti igazolásukat.

1.1 Atomok és molekulák

Vegyünk egy darab papírt, és kezdjük el egyre kisebb részekre osztani. Minden lépésnél kapunk-e papírdarabkákat, vagy valamikor valami új jelenik meg?

Az MKT első álláspontja azt sugallja, hogy az anyag nem osztható korlátlanul. Előbb-utóbb elérjük a ¾-et utolsó határ¿ egy adott anyag legkisebb részecskéi. Ezek a részecskék atomok és molekulák. Részekre is oszthatók, de akkor az eredeti anyag megszűnik.

Az atom egy adott kémiai elem legkisebb részecskéje, amely az összes elemét megtartja Kémiai tulajdonságok. Nincs olyan sok kémiai elem, ezek mindegyikét a periódusos rendszer foglalja össze.

A molekula egy adott anyag legkisebb részecskéje (nem kémiai elem), amely megőrzi minden kémiai tulajdonságát. Egy molekula egy vagy több kémiai elem két vagy több atomjából áll.

Például a H2O egy vízmolekula, amely két hidrogénatomból és egy oxigénatomból áll. Ha atomokra osztjuk, akkor többé nem fogunk foglalkozni a ¾víz¿ nevű anyaggal. Továbbá a H és O atomok alkotórészekre osztásával protonok, neutronok és elektronok halmazát kapjuk, és ezáltal elveszítjük azt az információt, hogy először hidrogén és oxigén volt.

1 Ezt a mozgást termikus mozgásnak nevezzük.

A kis számú atomból álló atom vagy molekula mérete körülbelül 10 8 cm, ez olyan kicsi érték, hogy az atomot semmilyen optikai mikroszkóppal nem lehet látni.

Az atomokat és molekulákat röviden egyszerűen anyagrészecskéknek nevezzük. Nem nehéz megállapítani, hogy minden egyes esetben pontosan mi a részecske, atom vagy molekula. Ha kémiai elemről beszélünk, akkor az atom részecske lesz; ha egy összetett anyagot tekintünk, akkor annak részecskéje több atomból álló molekula.

Továbbá az MKT első tétele kimondja, hogy az anyagrészecskék nem töltik ki folyamatosan a teret. A részecskék diszkréten helyezkednek el, vagyis mintha külön pontokban lennének. A részecskék között rések vannak, amelyek mérete bizonyos határokon belül változhat.

A testek hőtágulásának jelensége az MKT első pozíciója mellett tanúskodik. Ugyanis hevítéskor az anyag részecskéi közötti távolságok megnőnek, a test méretei megnőnek. Lehűléskor a részecskék közötti távolságok csökkennek, aminek következtében a test összehúzódik.

A diffúzió, az egymással érintkező anyagok egymásba való kölcsönös behatolása is feltűnő megerősítése az MKT első pozíciójának.

Például a 2. ábrán. Az 1. ábra a folyadékban történő diffúzió folyamatát mutatja2. Az oldott anyag részecskéit egy pohár vízbe helyezzük, és először a pohár bal felső részében helyezkednek el. Idővel a részecskék elmozdulnak (mondjuk, diffundálnak) a magas koncentrációjú régióból az alacsony koncentrációjú régióba. Végül a részecskék koncentrációja mindenhol azonos lesz, a részecskék egyenletesen oszlanak el a folyadék térfogatában.

Rizs. 1. Diffúzió folyadékban

Hogyan magyarázható a diffúzió a molekuláris-kinetikai elmélet szemszögéből? Nagyon egyszerűen: az egyik anyag részecskéi behatolnak a másik anyag részecskéi közötti résbe. Minél gyorsabban megy végbe a diffúzió, minél nagyobbak ezek a rések, ezért a gázok legkönnyebben keverednek egymással (amiben a részecskék távolsága sokkal nagyobb, mint maguknak a részecskéknek a mérete).

1.2 Atomok és molekulák termikus mozgása

Emlékezzünk vissza még egyszer az MKT második tételének megfogalmazására: az anyag részecskéi véletlenszerű mozgást (más néven hőmozgást) hajtanak végre, ami soha nem áll le.

Az MKT második pozíciójának kísérleti igazolása ismét a diffúzió jelensége, mert a részecskék kölcsönös behatolása csak folyamatos mozgásukkal lehetséges!

2 Kép az en.wikipedia.org webhelyről.

De az anyagrészecskék örök kaotikus mozgásának legszembetűnőbb bizonyítéka a Brown-mozgás. Ez a folyadékban vagy gázban szuszpendált porrészecskék vagy szemcsék (10 5 - 104 cm méretű) Brown-szemcséinek folyamatos véletlenszerű mozgásának a neve.

A Brown-mozgás Robert Brown skót botanikus tiszteletére kapta a nevét, aki mikroszkóppal látta a vízben szuszpendált pollenszemcsék folyamatos táncát. Annak bizonyítékaként, hogy ez a mozgás örökké tart, Brown talált egy kvarcdarabot, amelynek ürege tele van vízzel. Annak ellenére, hogy a víz sok millió évvel ezelőtt került oda, az oda került molyok folytatták mozgásukat, ami nem különbözött a többi kísérletben megfigyelttől.

A Brown-mozgás oka, hogy a lebegő részecskék nem kompenzálják a folyadék (gáz) molekulák hatását, és a molekulák kaotikus mozgása miatt a becsapódás mértéke és iránya abszolút kiszámíthatatlan. Ezért egy Brown-részecske összetett cikk-cakk pályákat ír le (2. ábra)3.

Rizs. 2. Brown-mozgás

A Brown-részecskék mérete 1000-10000-szer akkora, mint egy atom. Egyrészt egy Brown-részecske elég kicsi, és még mindig „érzi”, hogy más-más számú molekula ütközik különböző irányokba; ez a különbség a becsapódások számában a Brown-részecske észrevehető elmozdulásához vezet. Másrészt a Brown-részecskék elég nagyok ahhoz, hogy mikroszkóppal is láthatók legyenek.

A Brown-mozgás egyébként önmagában a molekulák létezésének ténye bizonyítékának is tekinthető, vagyis az MKT első pozíciójának kísérleti alátámasztására is szolgálhat.

1.3 Az anyag részecskéinek kölcsönhatása

Az MKT harmadik pozíciója egy anyag részecskéinek kölcsönhatásáról beszél: az atomok vagy molekulák a részecskék közötti távolságtól függő vonzási és taszító erőkkel lépnek kölcsönhatásba egymással: a távolságok növekedésével a vonzási erők elkezdenek kölcsönhatásba lépni. érvényesülnek, a taszítóerő csökkenésével.

Az MKT harmadik pozíciójának érvényességét a testek alakváltozásaiból eredő rugalmas erők bizonyítják. Amikor egy testet megnyújtanak, a részecskéi közötti távolság megnő, és a részecskék egymáshoz való vonzóerei kezdenek érvényesülni. Ha egy testet összenyomnak, a részecskék közötti távolságok csökkennek, és ennek eredményeként a taszító erők dominálnak. A rugalmas erő mindkét esetben az alakváltozással ellentétes irányba irányul.

3 Kép az nv-magadan.narod.ru webhelyről.

Az intermolekuláris kölcsönhatás erőinek létezésének másik megerősítése három halmazállapotú anyag jelenléte.

NÁL NÉL A gázokban a molekulákat a molekulák méreteit jelentősen meghaladó távolságok választják el egymástól (levegőben normál körülmények között körülbelül 1000-szeresére). Ilyen távolságokon gyakorlatilag hiányoznak a molekulák közötti kölcsönhatási erők, ezért a gázok a számukra biztosított teljes térfogatot elfoglalják és könnyen összenyomódnak.

NÁL NÉL Folyadékokban a molekulák közötti távolság a molekulák méretéhez hasonlítható. A molekuláris vonzás erői nagyon kézzelfoghatóak és biztosítják a folyadékok térfogatának megőrzését. De ezek az erők nem elég erősek ahhoz, hogy a folyadékok megtartsák formájukat, és a folyadékok, akárcsak a gázok, edény formáját öltik.

NÁL NÉL Szilárd testekben a részecskék közötti vonzási erők nagyon erősek: a szilárd anyagok nemcsak térfogatukat, hanem alakjukat is megtartják.

Az anyag átmenete az egyik aggregációs állapotból a másikba az anyag részecskéi közötti kölcsönhatási erők nagyságának változásának eredménye. Maguk a részecskék változatlanok maradnak.