🗊Презентация Молекулярная физика и термодинамика

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ: вещество состоит из микрочастиц (атомов, молекул, ионов и т. д.); микрочастицы пребывают в непрерывном хаотическом движении и взаимодействуют между собой. На основании этого утверждения английский химик Джон Дальтон в 1803 г. объяснил закон по­стоянных отношений масс в химических реакциях.

Измерения микрочастиц вещества показали, что молекулы различных веществ сильно отличаются по размеру, в то же время все атомы имеют диаметр приблизительно 10-10 м. Атомно-молекулярное учение утверждает, что газы состоят главным образом из атомов и молекул, большинство жидко­стей имеет молекулярное строение, а структура кристалличе­ских тел обусловлена взаимодействием ионов. 1827 г. опыт английского ботаника Роберта Броуна (1773 - 1858). Экспериментально изучая броуновское движение, французский физик Жан Перрен (1870 - 1942) выяснил, что оно происходит в результате теплового движения. Он установил, что интенсивность броуновского движения частиц возрастает с повышением температуры и не зависит химической природы частиц и времени их движения. В 1905-1906 гг. Альберт Эйнштейн (1879 - 1955) и польский физик Мариан Смолуховский (1872-1917) сделали теоретическое обоснование броуновского движения с позиций молекулярно-кинетических представлений, чем окончательно подтвердили достоверность положений молекулярной физики.

Небольшие размеры атомов и молекул обуслов­ливают их незначительную массу ~ 10-27кг. Поэтому в молекулярной физике массу молекул часто измеряют в атомных единицах массы (а.е.м.), сравнивая ее с 1/12 массы Углерода-12. 1 а.е.м = 1,6605655*10-27 кг Размеры и масса молекул очень малы, а коли­чество в макроскопическом теле – очень велико. (Например, в 1 г воды содержится около 3,3 • 1022 молекул). Для упрощения расчетов, в физике и химии принято сравнивать количество атомов, молекул или иных структурных единиц в данном теле с количеством атомов в 12 г Углерода-12.

Первый газовый закон был открыт в 1662 г английским ученым Робертом Бойлем (1627 - 1691): между давлением и объемом данной массы газа при постоянной температуре существует обратная зависимость:

В 1676 г., французский ученый Эдм Мариотт (независимо от Р. Бойля) обобщенно сформулировал газовый закон: если при некоторой температуре данная масса газа занимает объем Vl под давлением p1, а в другом состоянии при той са­мой температуре его давление и объем равны V2 и р2, то выполняется соотношение: Закон Бойля-Мариотта: при постоянной температуре давле­ние р данной массы газа обратно пропорционально занимае­мому им объему V.

Тепловой процесс, происходящий при постоянной темпе­ратуре, называется изотермическим (от греч. isos - равный, thermi - теплота). Графически на координатной плоскости pV он изображается гиперболой, называемой изотермой.

Абсолютная шкала температур Если приравнять уравнение V = F0(l + αt) »н кона Гей-Люссака к нулю как нижнему пределу объема, то получим значение наименьшей температуры по шкале Цель­сия, которую могут иметь тела: Отсюда: T=-273 оС – нижний предел - абсолютный нуль. Уильям Томсон (лорд Кельвин) (1824-1907) - англий­ский физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории, теории термо­электрических явлений, основ электромагнитных колебаний. Сформулировал второй закон термоди­намики, ввел абсолютную шкалу температур (шкала Кельвина), произвел расчет размеров молекул. За выдаю­щиеся научные достижения удостоен титула лорда Кельвина.

Абсолютная шкала температур 1 К = 273 оС T=t+273 1+ α t= α +1/273(T-273)= α T, то V=Vo α T V1/V2=T1/T2, Очевидно, что на координатных плоскостях рТ и pV изобарами являются прямые, перпендикулярные к оси давления.

Уравнение состояния идеального газа. Закон Шарля Выяснить функциональную зависимость между параметрами газа в физике означает найти уравнение его состояния. Установлено, что для этого достаточно трех величин - давления р, объема V и температуры Т. Проведем опыты показанные на рисунке 1: сначала изобарное расширение, затем изотермическое сжатие . Графическое изображение изменение состояния газа показано на рисунке 2.

Уравнение состояния идеального газа. Закон Шарля

Уравнение состояния идеального газа. Закон Шарля

Уравнение состояния идеального газа. Закон Шарля

Уравнение Менделеева-Клапейрона

Уравнение Менделеева-Клапейрона Используя уравнение Клапейрона рVМ=RТ, зависимость V=νVM , ν = m/M, где ν - количество вещества, m - масса газа, М - его молярная масса, Д.И. Менделеев вывел уравнение состояния идеального газа для произвольного объема: рV= mRТ/M. В таком виде уравнение называется уравнением Менделеева- Клапейрона.

Парообразование и конденса­ция. Насыщенный и ненасыщенный пар Процесс парообразования происходит в результате по­глощения определенного количества теплоты: Q = rm, где r - удельная теплота парообразования, зависящая от рода вещества, m - его масса. Удельная теплота парообразования измеряется в Дж/кг. Численно она равна количеству теплоты, необходимой для перехода 1 кг жидкости в пар при некоторой температуре. В таблицах ее значение приводится, как правило, для темпе­ратуры кипения жидкости. В природе довольно часто происходит и обратный процесс - переход пара в жидкость. Он называется конденсацией. В ре­зультате конденсации жидкость получает такое же количество теплоты, какое необходимо для ее испарения.

Парообразование и конденса­ция. Насыщенный и ненасыщенный пар Интенсивность испарения жидкости зависит от многих фак­торов - рода вещества, температуры, площади свободной поверхности жидкости, внешних условий. Пар, находящийся в динамическом равновесии с собственной жидкостью, яв­ляется насыщенным (образуется в закрытом сосуде над свободной поверхностью жидкости). Динамическое равновесие между жидкостью и паром возни­кает тогда, когда количество молекул, вылетающих со свободной поверхности жидкости, равно количеству молекул, которые в нее возвращаются. В открытом сосуде динами­ческое равновесие нарушается и пар становится ненасыщенным. Насыщенный и ненасыщенный пар имеет разные свойства.

Парообразование и конденса­ция. Насыщенный и ненасыщенный пар Если ненасыщенный пар постепенно сжимать, как показано на рисунке, то на разных участках зависимость будет кардинально отличаться. Вначале (участок АВ) – соответствует закону Бойля-Мариотта, так как газ пока сильно разрежен. Затем (участок ВС) – характеризует насыщенный пар – его плотность постоянна и максимальна для данной температуры. Это происходит до тех пор, пока весь насыщенный пар не перейдет в жидкое состояние. Дальнейшее уменьшение объема вызывает резкое возрастание давления (участок CD), посколь­ку жидкости практически несжимаемы.

Влажность воздуха. Точка росы Количество в атмосфере водяного пара характеризует влажность воздуха. Степень влажности воздуха зависит от физического со­стояния атмосферы, температуры, близости морей и океанов и т. д. Для оценивания влажности воздуха пользуются понятиями абсолютной и относительной влажности. Абсолютная влажность характеризует массу водяного пара, содержащегося при данной температуре в 1 м3 воздуха - это плотность водяного пара в воздухе при определенной температуре. Ρ = m/V Относительная влажность – это отношение пар­циального давления водяного пара р при данной температуре к давлению насыщенного пара при той же температуре рн: φ=p/pн∙100%. Парциальным называется давление, создавае­мое в смеси газов каждым из газов отдельно, словно он один занимает весь объем.

Влажность воздуха. Точка росы Температура tр, до которой надо изобарно охладить влаж­ный воздух, чтобы водяной пар стал насыщенным, называется точкой росы.