🗊Презентация Молекулярная физика. Курс подготовки к ЕГЭ

Молекулярная физика Курс подготовки к Единому государственному экзамену

Цель: повторение основных понятий, законов и формул молекулярной физики в соответствии с кодификатором ЕГЭ Элементы содержания, проверяемые на ЕГЭ 2012: Основные положения МКТ. Модели строения газов, жидкостей и твердых тел. Модель идеального газа. Основное уравнение МКТ идеального газа. Абсолютная температура как мера средней кинетической энергии его частиц. Уравнение Менделеева-Клапейрона. Изопроцессы. Взаимные превращения жидкостей и газов. Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха. Изменение агрегатных состояний вещества. Плавление и отвердевание. Термодинамика: внутренняя энергия, количество теплоты, работа. Первый закон термодинамики Второй закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам. КПД тепловых двигателей.

Основные положения МКТ Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химического вещества. Основные положения МКТ: Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу (притягиваются и отталкиваются).

Атом. Молекула. Атом – это наименьшая часть химического элемента, обладающая его свойствами, способная к самостоятельному существованию. Молекула – мельчайшая устойчивая частица вещества, состоящая из атомов одного или нескольких химических элементов, сохраняющая основные химические свойства этого вещества.

Масса молекул. Количество вещества. Относительной молекулярной (или атомной) массой вещества называют отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода 12С. Количество вещества – это число молекул в теле, но выраженное в относительных единицах. Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц (молекул), сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода 12C. Значит в 1 моль любого вещества содержится одно и то же число частиц (молекул). Это число называется постоянной Авогадро NА. Количество вещества равно отношению числа молекул в данном теле к постоянной Авогадро, т.е. к числу молекул в 1 моль вещества. Молярной массой вещества называют массу вещества, взятого в количестве 1 моль.

Модели строения твердых тел, жидкостей и газов Молекулы большинства твердых тел расположены в определенном порядке. Такие твердые тела называют кристаллическими. Движения частиц представляют собой колебания около положений равновесия. Если соединить центры положений равновесия частиц, то получится правильная пространственная решетка, называемая кристаллической. Расстояния между молекулами сравнимо с размерами молекул. Основные свойства: сохраняют форму и объем. Монокристаллы анизотропны. Анизотропия – зависимость физических свойств от направления в кристалле.

Модели строения твердых тел, жидкостей и газов Расстояния между молекулами жидкости сравнимо с размерами молекул, поэтому жидкость мало сжимается. Молекула жидкости колеблется около положения временного равновесия, сталкиваясь с другими молекулами из ближайшего окружения. Время от времени ей удается совершить «прыжок», чтобы продолжать совершать колебания среди других соседей. «Прыжки» молекул происходят по всем направлениям с одинаковой частотой, этим объясняется текучесть жидкости и то, что она принимает форму сосуда

Модели строения твердых тел, жидкостей и газов Расстояние между молекулами газов намного больше размеров самих молекул, поэтому газ можно сжать так, что его объем уменьшится в несколько раз. Молекулы с огромными скоростями движутся в пространстве между столкновениями. Во время столкновений молекулы резко меняют скорость и направление движения. Молекулы очень слабо притягиваются друг к другу, поэтому газы не имеют собственной формы и постоянного объема.

Тепловое движение молекул Беспорядочное хаотическое движение молекул называется тепловым движением. Доказательством теплового движения является броуновское движение и диффузия. Броуновское движение – это тепловое движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием ударов молекул окружающей среды. Диффузией называется явление проникновения двух или нескольких соприкасающихся веществ друг в друга. Скорость диффузии зависит от агрегатного состояния вещества и температуры тела.

Взаимодействие частиц вещества Силы взаимодействия между молекулами. На очень малых расстояниях между молекулами обязательно действуют силы отталкивания. На расстояниях, превышающих 2 - 3 диаметра молекул, действуют силы притяжения.

Модель идеального газа Идеальный газ – это теоретическая модель газа, в которой пренебрегают размерами и взаимодействиями частиц газа и учитывают лишь их упругие столкновения. В кинетической модели идеального газа молекулы рассматриваются как идеально упругие шарики, взаимодействующие между собой и со стенками только во время упругих столкновений. Суммарный объем всех молекул предполагается малым по сравнению с объемом сосуда, в котором находится газ. Сталкиваясь со стенкой сосуда, молекулы газа оказывают на нее давление. Микроскопические параметры: масса, скорость, кинетическая энергия молекул. Макроскопические параметры: давление, объем, температура.

Основное уравнение МКТ газов Давление идеального газа равно двум третям средней кинетической энергии поступательного движения молекул, содержащихся в единице объема где n = N / V – концентрация молекул (т. е. число молекул в единице объема сосуда) Закон Дальтона: давление в смеси химически невзаимодействующих газов равно сумме их парциальных давлений p = p1 + p2 + p3 

Абсолютная температура Температура характеризует степень нагретости тела. Тепловое равновесие – это такое состояние системы тел, находящихся в тепловом контакте, при котором не происходит теплопередачи от одного тела к другому, и все макроскопические параметры тел остаются неизменными. Температура – это физический параметр, одинаковый для всех тел, находящихся в тепловом равновесии. Для измерения температуры используются физические приборы – термометры. Существует минимально возможная температура, при которой прекращается хаотическое движение молекул. Она называется абсолютным нулем температуры. Температурная шкала Кельвина называется абсолютной шкалой температур.

Абсолютная температура Средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул газа прямо пропорциональна абсолютной температуре. k – постоянная Больцмана – связывает температуру в энергетических единицах с температурой в кельвинах Температура есть мера средней кинетической энергии поступательного движения молекул. При одинаковых давлениях и температурах концентрация молекул у всех газов одинакова Закон Авогадро: в равных объемах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул

Уравнение Менделеева-Клапейрона Уравнение состояния идеального газа – это зависимость между параметрами идеального газа – давлением, объемом и абсолютной температурой, определяющими его состояние. R - универсальная газовая постоянная. Закон Авогадро: один моль любого газа при нормальных условиях занимает один и тот же объем V0, равный 0,0224 м3/моль . Из уравнения состояния вытекает связь между давлением, объемом и температурой идеального газа, который может находиться в двух любых состояниях. Уравнение Клапейрона

Изопроцессы Изопроцессы – это процессы, в которых один из параметров (p, V или T) остается неизменным. Изотермический процесс (T = const) –процесс изменения состояния термодинамической системы, протекающий при постоянной температуре T. Закон Бойля–Мариотта: для газа данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется.

Изопроцессы Изохорный процесс – это процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме. Закон Шарля: для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется.

Изопроцессы Изобарный процесс – это процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении. Закон Гей-Люссака: для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление газа не меняется. При постоянном давлении объем идеального газа меняется линейно с температурой. где V0 – объем газа при температуре 0 °С. α = 1/273,15 К–1 - температурный коэффициент объемного расширения газов.

Взаимные превращения жидкостей и газов Парообразование – это переход вещества из жидкого состояния в газообразное. Конденсация – переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Испарение – это парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости. С точки зрения молекулярно-кинетической теории, испарение – это процесс, при котором с поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул, т. е. к охлаждению жидкости. При конденсации происходит выделение некоторого количества теплоты в окружающую среду.

Взаимные превращения жидкостей и газов Насыщенные и ненасыщенные пары В закрытом сосуде жидкость и ее пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара, т. е. когда скорости процессов испарения и конденсации одинаковы. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным. Давление насыщенного пара p0 данного вещества зависит только от его температуры и не зависит от объема Давление насыщенного пара растет не только в результате повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул пара.

Взаимные превращения жидкостей и газов Кипение Кипение – это парообразование, происходящее по всему объему жидкости. Кипение жидкости начинается при такой температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным давлению в жидкости, которое складывается из давления воздуха на поверхность жидкости (внешнее давление) и гидростатического давления столба жидкости. У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем ниже давление насыщенного пара, тем выше температура кипения соответствующей жидкости

Влажность воздуха Влажность воздуха – это содержание в воздухе водяного пара. Чем больше водяных паров находится в определенном объеме воздуха, тем ближе пар к состоянию насыщения. Чем выше температура воздуха, тем большее количество водяных паров требуется для его насыщения. Абсолютная влажность – это плотность водяного пара, выраженная в кг/м3 или его парциальное давление - давление водяного пара, которое он производил бы, если бы все другие газы отсутствовали. Относительная влажность воздуха – это отношение абсолютной влажности воздуха к плотности насыщенного пара при той же температуре или это отношение парциального давления пара в воздухе к давлению насыщенного пара при той же температуре. Для определения влажности воздуха используют гигрометры: конденсационный и волосной; и психрометр.

Изменение агрегатных состояний вещества: плавление и кристаллизация Плавление — переход вещества из твёрдого состояния в жидкое. Отвердевание или кристаллизация - переход вещества из жидкого состояния в твердое. Температура при которой вещество начинает плавиться называется температурой плавления. Во время плавления вещества его температура не изменяется, т.к. энергия, получаемая веществом, тратится на разрушение кристаллической решетки. При отвердевании образуется кристаллическая решетка, при этом энергия выделяется и температура вещества не изменяется. У аморфных тел нет определенной температуры плавления.

Термодинамика Термодинамика – это теория тепловых процессов, в которой не учитывается молекулярное строение тел. Основные понятия термодинамики: Макроскопическая система – система, состоящая из большого числа частиц. Замкнутая система – система, изолированная от любых внешних воздействий. Равновесное состояние – это состояние макроскопической системы, при котором параметры, характеризующие ее состояние, остаются неизменными во всех частях системы. Процессом в термодинамике называется изменение состояния тела со временем.

Внутренняя энергия Внутренняя энергия тела – это сумма кинетической энергии всех его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Внутренняя энергия идеального газа определяется только кинетической энергией беспорядочного поступательного движения его молекул. Внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его температуре. Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершением работы и теплопередачей.

Теплопередача Теплопередача – это самопроизвольный процесс передачи теплоты, происходящий между телами с разной температурой.

Количество теплоты Количеством теплоты называют количественную меру изменения внутренней энергии тела при теплообмене (теплопередаче). Количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении: с – удельная теплоемкость – физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для нагревания 1 кг вещества на 1 0С. Количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива. q – удельная теплота сгорания – величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг.

Количество теплоты Количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела или выделяемое телом при отвердевании. λ – удельная теплота плавления – величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние. Количество теплоты, необходимое для полного превращения жидкого вещества в пар или выделяемое телом при конденсации. r или L – удельная теплота парообразования – величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры.

Работа в термодинамике В термодинамике, в отличие от механики, рассматривается не движение тела как целого, а лишь перемещение частей макроскопического тела относительно друг друга. В результате меняется объем тела, а его скорость остается равной нулю. При расширении газ совершает положительную работу А' = pΔV. Работа А, совершаемая внешними телами над газом отличается от работы газа А' только знаком: А = - А'. На графике зависимости давления от объема работа определяется как площадь фигуры под графиком.

Первый закон термодинамики Первый закон термодинамики – это закон сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе. Если работу совершает система, а не внешние силы: Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Применение первого закона термодинамики к различным процессам Изобарный процесс. Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами. Изохорный процесс: V – const => A = 0 Изменение внутренней энергии равно количеству переданной теплоты. Изотермический процесс: Т – const => ΔU = 0 Все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы. Адиабатный процесс: протекает в системе, которая не обменивается теплотой с окружающими телами, т.е. Q = 0 Изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы.

Второй закон термодинамики Все процессы самопроизвольно протекают в одном определенном направлении. Они необратимы. Теплота всегда переходит от горячего тела к холодному, а механическая энергия макроскопических тел – во внутреннюю. Направление процессов в природе указывает второй закон термодинамики. Р. Клаузиус (1822 – 1888): невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.

КПД тепловой машины Тепловые двигатели – устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую. Рабочим телом у всех ТД является газ, который получает при сгорании топлива количество теплоты Q1, совершает работу А' при расширении. Часть теплоты Q2 неизбежно передается холодильнику, т.е. теряется. Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: Идеальная тепловая машина Карно с идеальным газом в качестве рабочего тела имеет максимально возможный КПД:

Увеличилось в 4 раза Увеличилось в 4 раза Уменьшилось в 2 раза Увеличилось в 2 раза Не изменилось

при низкой, так как при этом пот испаряется быстро при низкой, так как при этом пот испаряется быстро при низкой, так как при этом пот испаряется медленно при высокой, так как при этом пот испаряется быстро при высокой, так как при этом пот испаряется медленно

в 2 раза в 2 раза в 3 раза в 6 раз в 1,5 раза

А А В С D

32Т 32Т 16Т 2Т Т

вода  аммиак  ртуть вода  аммиак  ртуть аммиак  ртуть вода вода  ртуть  аммиак ртуть  вода  аммиак

А А В С D

После помещения банки на огонь вода в ней нагревалась через тонкую стенку банки от горячих продуктов горения газа. При этом с ростом температуры вода испарялась, и возрастало давление ее паров в банке, которые постепенно вытесняли из нее воздух. Когда вода закипела и почти вся испарилась, воздуха внутри банки практически не осталось. Давление насыщенных паров в банке при этом стало равно внешнему атмосферному давлению. Когда банку сняли с огня, закрыли крышкой и охладили холодной водой почти до комнатной температуры, горячие пары воды внутри банки остыли и практически целиком сконденсировались на ее стенках, отдавая теплоту конденсации наружу, холодной воде, благодаря процессу теплопроводности через стенки.

В соответствии с уравнением Клапейрона–Менделеева давление пара в банке резко упало – во-первых, из-за уменьшения массы оставшегося в банке пара, и, во-вторых – из-за падения его температуры. Заметим, что резкое уменьшение давления в банке можно объяснить и так: при понижении температуры до комнатной пары конденсируются, оставаясь насыщенными, но их давление становится намного меньше давления насыщенных паров воды при температуре кипения (примерно в 40 раз). Поскольку при комнатной температуре давление насыщенных паров воды составляет лишь малую долю от атмосферного давления (не более 3–4%), тонкая банка после поливания ее водой окажется под действием разности этого большого внешнего давления и низкого давления пара внутри. По этой причине на банку начнут действовать большие сдавливающие силы, которые будут стремиться сплющить банку. Как только эти силы превысят предельную величину, которую могут выдержать стенки банки, то она сплющится и резко уменьшится в объеме.

Согласно первому началу термодинамики количество теплоты, необходимое для плавления льда, ΔQ1 = λm, где λ – удельная теплота плавления льда. ΔQ2 –подведённое джоулево тепло: ΔQ2 = ηPt. В соответствии с заданными условиями ΔQ1 = 66 кДж и ΔQ2 = 84 кДж, а значит, ΔQ1 < ΔQ2, и поставленная задача выполнима

Согласно первому началу термодинамики, количество теплоты Q, переданное газу, идет на изменение его внутренней энергии ΔU и совершение этим газом работы A, то есть Q = ΔU + A. При нагревании газа происходит его изобарное расширение. В этом процессе работа газа равна A = pΔV , где изменение объема газа ΔV = Sl = πR2l. Из условия равновесия поршня (см. рисунок) найдем давление газа:pS = p0S + Mgcosα, откуда Тогда искомая величина равна

Берков, А.В. и др. Самое полное издание типовых вариантов реальных заданий ЕГЭ 2010, Физика [Текст]: учебное пособие для выпускников. ср. учеб. заведений / А.В. Берков, В.А. Грибов. – ООО "Издательство Астрель", 2009. – 160 с. Берков, А.В. и др. Самое полное издание типовых вариантов реальных заданий ЕГЭ 2010, Физика [Текст]: учебное пособие для выпускников. ср. учеб. заведений / А.В. Берков, В.А. Грибов. – ООО "Издательство Астрель", 2009. – 160 с. Касьянов, В.А. Физика, 11 класс [Текст]: учебник для общеобразовательных школ / В.А. Касьянов. – ООО "Дрофа", 2004. – 116 с. Мякишев, Г.Я. и др. Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразовательных школ / учебник для общеобразовательных школ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев . –" Просвещение ", 2009. – 166 с. Открытая физика [текст, рисунки]/ http://www.physics.ru Подготовка к ЕГЭ /http://egephizika Федеральный институт педагогических измерений. Контрольные измерительные материалы (КИМ) Физика //[Электронный ресурс]// http://fipi.ru/view/sections/92/docs/ Физика в школе. Физика - 10 класс. Молекулярная физика. Молекулярно-кинетическая теория. Рисунки по физике/ http://gannalv.narod.ru/mkt/ Эта удивительная физика/ http://sfiz.ru/page.php?id=39