Темы кодификатора ЕГЭ: тепловое движение атомов и молекул вещества, броуновское движение, диффузия, взаимодействие частиц вещества, экспериментальные доказательства атомистической теории.

Великому американскому физику Ричарду Фейнману, автору знаменитого курса "Фейнмановские лекции по физике", принадлежат замечательные слова:

В этих словах заключена суть молекулярно-кинетической теории (МКТ) строения вещества. А именно, основными положениями МКТ являются следующие три утверждения.

1. Любое вещество состоит из мельчайших частиц молекул и атомов. Они расположены в пространстве дискретно, то есть на некоторых расстояниях друг от друга.
2. Атомы или молекулы вещества находятся в состоянии беспорядочного движения(это движение называется тепловым движением), которое никогда не прекращается.
3. Атомы или молекулы вещества взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, которые зависят от расстояний между частицами.

Эти положения являются обобщением многочисленных наблюдений и экпериментальных фактов. Давайте рассмотрим подробнее эти положения и приведём их опытное обоснование.

Например, - это молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Разделив её на атомы, мы перестанем иметь дело в веществом под названием "вода". Далее, разделив атомы и на составные части, мы получим набор протонов, нейтронов и электронов и тем самым потеряем информацию о том, что поначалу это были водород и кислород.

Атомы и молекулы называются для краткости просто частицами вещества. Чем именно является частица - атомом или молекулой - в каждом конкретном случае установить нетрудно. Если речь идёт о химическом элементе, то частицей будет атом; если же рассматривается сложное вещество, то его частица - это молекула, состоящая из нескольких атомов.

Далее, первое положение МКТ утверждает, что частицы вещества не заполняют пространство непрерывно. Частицы расположены дискретно , то есть как бы в отдельных точках. Между частицами имеются промежутки, величина которых может меняться в некоторых пределах.

В пользу первого положения МКТ свидетельствует явление теплового расширения тел. А именно, при нагревании увеличиваются расстояния между частицами вещества, и размеры тела возрастают. При охлаждении, наоборот, расстояния между частицами уменьшаются, в результате чего тело сжимается.

Ярким подтверждением первого положения МКТ служит также диффузия - взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга.

Например, на рис. 1 показан процесс диффузии в жидкости. Частицы растворимого вещества помещены в стакан с водой и расположены вначале в верхней левой части стакана. С течением времени частицы перемещаются (как говорят, диффундируют ) из области высокой концентрации в область низкой концентрации. В конце концов концентрация частиц становится везде одинаковой - частицы равномерно распределяются по всему объёму жидкости.

Рис. 1. Диффузия в жидкости

Как объяснить диффузию с точки зрения молекулярно-кинетической теории? Очень просто: частицы одного вещества проникают в промежутки между частицами другого вещества. Диффузия идёт тем быстрее, чем больше эти промежутки - поэтому легче всего смешиваются друг с другом газы (в которых расстояния между частицами много больше размеров самих частиц).

Тепловое движение атомов и молекул

Напомним ещё раз формулировку второго положения МКТ: частицы вещества совершают беспорядочное движение (называемое также тепловым движением), которое никогда не прекращается.

Опытным подтверждением второго положения МКТ служит опять-таки явление диффузии ведь взаимное проникновение частиц возможно лишь при их беспрерывном движении! Но наиболее ярким доказательством вечного хаотического движения частиц вещества является броуновское движение . Так называется непрерывное беспорядочное движение броуновских частиц - пылинок или крупинок (размерами см), взвешенных в жидкости или газе.

Броуновское движение получило своё название в честь шотландского ботаника Роберта Броуна, увидевшего в микроскоп беспрерывную пляску взвешенных в воде частиц цветочной пыльцы. В доказательство того, что это движение совершается вечно, Броун нашёл кусок кварца с полостью, заполненной водой. Несмотря на то, что вода попала туда много миллионов лет назад, оказавшиеся там соринки продолжали своё движение, которое ничем не отличалось от того, что наблюдалось в других опытах.

Причина броуновского движения заключается в том, что взвешенная частица испытывает нескомпенсированные удары со стороны молекул жидкости (газа), причём в силу хаотичности движения молекул величина и направление результирующего воздействия абсолютно непредсказуемы. Поэтому броуновская частица описывает сложные зигзагообразные траектории (рис. 2 ).

Рис. 2. Броуновское движение

Кстати говоря, броуновское движение может рассматриваться и как доказательство самого факта существования молекул, т. е. также может служить опытным обоснованием первого положения МКТ.

Взаимодействие частиц вещества

Третье положение МКТ говорит о взаимодействии частиц вещества: атомы или молекулы взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, которые зависят от расстояний между частицами: при увеличении расстояний начинают преобладать силы притяжения, при уменьшении - силы отталкивания.

О справедливости третьего положения МКТ свидетельствуют силы упругости, возникающие при деформациях тел. При растяжении тела увеличиваются расстояния между его частицами, и начинают преобладать силы притяжения частиц друг к другу. При сжатии тела расстояния между частицами уменьшаются, и в результате преобладают силы отталкивания. В обоих случаях упругая сила направлена в сторону, противоположную деформации.

Другим подтверждением существования сил межмолекулярного взаимодействия служит наличие трёх агрегатных состояний вещества.

В газах молекулы удалены друг от друга на расстояния, значительно превышающие размеры самих молекул (в воздухе при нормальных условиях - примерно в 1000 раз). На таких расстояниях силы взаимодействия между молекулами практически отсутствуют, поэтому газы занимают весь предоставленный им объём и легко сжимаются.

В жидкостях промежутки между молекулами сравнимы с размерами молекул. Силы молекулярного притяжения весьма ощутимы и обеспечивают сохранение жидкостями объёма. Но для сохранения жидкостями ещё и формы эти силы недостаточно велики - жидкости, как и газы, принимают форму сосуда.

В твёрдых телах силы притяжения между частицами очень велики: твёрдые тела сохраняют не только объём, но и форму.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое является результатом изменения величины сил взаимодействия между частицами вещества. Сами частицы остаются при этом неизменными.

События физического мира неотрывно связаны с изменениями температуры. С ней каждый человек знакомится в раннем детстве, когда понимает, что лед холодный, а кипяток обжигает. В то же время приходит понимание, что процессы изменения температуры не происходят мгновенно. Уже потом в школе ученик изучает, что связано это с тепловым движением. И процессам, связанным с температурой, выделен целый раздел физики.

Что такое температура?

Это научное понятие введено для замены обыденных терминов. В повседневной жизни постоянно фигурируют такие слова, как горячий, холодный или теплый. Все они говорят о степени нагретости тела. Именно так она определяется в физике, только с добавлением, что это скалярная величина. Ведь температура не имеет направления, а только числовое значение.

В международной системе единиц (СИ) температура измеряется в градусах Цельсия (ºС). Но во многих формулах, описывающих тепловые явления, требуется переводить ее в Кельвины (К). Для этого существует простая формула: Т = t + 273. В ней Т — температура в Кельвинах, а t — в Цельсиях. Со шкалой Кельвина связано понятие об абсолютном нуле температур.

Существует еще несколько шкал температур. В Европе и Америке, например, в ходу Фаренгейты (Ф). Поэтому их необходимо уметь записывать в Цельсиях. Для этого из показаний в Ф полагается вычесть 32, потом разделить его на 1,8.

Домашний эксперимент

В его объяснении требуется знать такие понятия, как температура, тепловое движение. Да и выполнить этот опыт просто.

Для него потребуется взять три емкости. Они должны быть достаточно большими, чтобы в них легко могли поместиться кисти рук. Наполнить их водой разной температуры. В первом она должна быть очень холодной. Во втором — подогретая. В третий налить горячую воду, такую, в которой руку будет возможно держать.

Теперь сам опыт. Опустить левую руку в емкость с холодной водой, правую — с самой горячей. Подождать пару минут. Вынуть их и сразу погрузить в сосуд с теплой водой.

Результат окажется неожиданным. Левой руке будет казаться, что вода теплая, у правой возникнет ощущение холодной воды. Это связано с тем, что вначале устанавливается тепловое равновесие с теми жидкостями, в которые руки погружены изначально. А потом это равновесие резко нарушается.

Основные положения молекулярно-кинетической теории

Она описывает все тепловые явления. А утверждения эти достаточно просты. Поэтому в разговоре о тепловом движении эти положения знать необходимо.

Первое: вещества образованы мельчайшими частицами, расположенными на некотором удалении друг от друга. Причем этими частицами могут оказаться как молекулы, так и атомы. А расстояние между ними во много раз больше размеров частиц.

Второе: во всех веществах наблюдается тепловое движение молекул, которое никогда не прекращается. Частицы при этом двигаются беспорядочно (хаотично).

Третье: частицы взаимодействуют между собой. Это действие обусловлено силами притяжения и отталкивания. Их величина зависит от расстояния между частицами.

Подтверждение первого положения МКТ

Доказательством того, что тела состоят из частиц, между которыми есть промежутки, служит их Так, при нагревании тела его размер увеличивается. Происходит это из-за удаления частиц друг от друга.

Другим подтверждением сказанному является диффузия. То есть проникновение молекул одного вещества между частицами другого. Причем это перемещение оказывается взаимным. Диффузия проходит тем быстрее, чем дальше друг от друга расположены молекулы. Поэтому в газах взаимное проникновение произойдет гораздо быстрее, чем в жидкостях. А в твердых телах на диффузию требуются года.

Кстати, последний процесс объясняет и тепловое движение. Ведь взаимное проникновение веществ друг в друга происходит без какого-либо вмешательства со стороны. Но его можно ускорить, если нагреть тело.

Подтверждение второго положения МКТ

Яркое доказательство того, что существует тепловое движение — это броуновское движение частиц. Оно рассматривается для взвешенных частиц, то есть для тех, которые существенно больше молекул вещества. Этими частицами могут быть пылинки или крупинки. А помещать их полагается в воду или газ.

Причина беспорядочного движения взвешенной частицы в том, что со всех сторон на нее действуют молекулы. Их действие беспорядочно. Величина воздействий в каждый момент времени разная. Поэтому результирующая сила направлена то в одну, то в другую сторону.

Если говорить о скорости теплового движения молекул, то для нее есть особое название — средняя квадратичная. Ее можно вычислить по формуле:

v = √[(3kT)/m 0 ].

В ней Т — температура в Кельвинах, m 0 — масса одной молекулы, k — постоянная Больцмана (k=1,38*10 -23 Дж/К).

Подтверждение третьего положения МКТ

Частицы притягиваются и отталкиваются. В объяснении многих процессов, связанных с тепловым движением, это знание оказывается важным.

Ведь силы взаимодействия зависят от агрегатного состояния вещества. Так, у газов их практически нет, так как частицы удалены так сильно, что их действие не проявляется. В жидкостях и твердых телах они ощутимы и обеспечивают сохранение объема вещества. В последних они гарантируют еще и поддержание формы.

Доказательством существования сил притяжения и отталкивания является появление сил упругости при деформации тел. Так, при удлинении усиливаются силы притяжения между молекулами, а при сжатии — отталкивания. Но в обоих случаях они возвращают телу первоначальную форму.

Средняя энергия теплового движения

(pV)/N = (2E)/3.

В этой формуле p — давление, V — объем, N — число молекул, E — средняя кинетическая энергия.

С другой стороны, это уравнение можно записать так:

Если их объединить, то получится следующее равенство:

Из него следует такая формула для средней кинетической энергии молекул:

Отсюда видно, что энергия пропорциональна температуре вещества. То есть при повышении последней частицы двигаются быстрее. В этом и заключается суть теплового движения, которое существует, пока есть температура, отличная от абсолютного нуля.

Атомы и молекулы, из которых состоят различные вещества, находятся в состоянии непрерывного теплового движения.

Первой особенностью теплового движения является его хаотичность; ни одно направление движения молекул не выделяется среди других направлений. Поясним это: если проследить за движением одной молекулы, то с течением времени вследствие столкновений с другими молекулами величина скорости и направление движения этой молекулы изменяются совершенно беспорядочно; далее, если в какой-нибудь момент времени зафиксировать скорости движения всех молекул, то по направлению эти скорости оказываются равномерно разбросанными в пространстве, а по величине - имеют самые разнообразные значения.

Второй особенностью теплового движения является существование обмена энергией между молекулами, а также между различными видами движения; энергия поступательного движения молекул может переходить в энергию их вращательного или колебательного движения и обратно.

Обмен энергией между молекулами, а также между различными видами их теплового движения происходит благодаря взаимодействию молекул (столкновениям между ними). На больших расстояниях силы взаимодействия между молекулами очень малы и ими можно пренебрегать; на малых расстояниях эти силы оказывают заметное действие. В газах молекулы большую часть времени пребывают на сравнительно больших расстояниях друг от друга; лишь в течение весьма малых промежутков времени, оказавшись достаточно близко друг к другу, они взаимодействуют между собой, изменяя скорости своих движений и обмениваясь энергиями. Такие кратковременные взаимодействия молекул называются столкновениями. Различают два вида столкновений между молекулами:

1) столкновения, или удары, первого рода, в результате которых изменяются только скорости и кинетические энергии соударяющихся частиц; состав или структура самих молекул не испытывают никаких изменений;

2) столкновения, или удары, второго рода, в результате которых происходят изменения внутри молекул, например изменяется их состав или относительное расположение атомов внутри этих молекул. При этих столкновениях часть кинетической энергии молекул затрачивается на совершение работы против сил, действующих внутри молекул. В некоторых случаях, наоборот, может выделиться некоторое количество энергии за счет уменьшения внутренней потенциальной энергии молекул.

В дальнейшем мы будем иметь в виду только столкновения первого рода, происходящие между молекулами газов. Обмен энергиями при тепловых движениях в твердых и жидких телах является более сложным процессом и рассматривается в специальных разделах физики. Столкновения второго рода используются для объяснения электропроводности газов и жидкостей, а также теплового излучения тел.

Для описания каждого вида теплового движения молекул (поступательного, вращательного или колебательного) необходимо задать ряд величин. Например, для поступательного движения молекулы необходимо знать величину и направление ее скорости. Для этой цели достаточно указать три величины: значение скорости и два угла и между направлением скорости и координатными плоскостями или же три проекции скорости на координатные оси: (рис. 11.1, а). Заметим, что эти три величины независимы: при данном углы и могут иметь любые значения и, наоборот, при заданном, например, угле значения и могут быть любыми. Точно так же задание определенного значения не накладывает никаких ограничений на значения наоборот. Таким образом, для описания поступательного движения молекулы в пространстве необходимо задать три независимые друг от друга величины: и или Энергия, поступательного движения молекулы будет состоять из трех независимых компонент:

Для описания вращательного движения молекулы вокруг своей оси необходимо указать величину и направление угловой скорости вращения , т. е. опять-таки три независимые друг от друга величины: и в или (рис. II. 1, б). Энергия вращательного движения молекулы также будет состоять из трех независимых компонент:

где моменты инерции молекулы относительно трех взаимно перпендикулярных координатных осей. У одноатомной молекулы все эти моменты инерции очень малы, поэтому энергией ее вращательного движения пренебрегают. У двухатомной молекулы (рис. II.1, в) пренебрегают энергией вращательного движения относительно оси, проходящей через центры атомов, поэтому, например,

Для описания колебательного движения атомов в молекуле необходимо сначала разделить это движение на простые колебания, происходящие вдоль определенных направлений. Сложное колебание удобно разложить на простые прямолинейные колебания, происходящие по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Эти колебания независимы друг от друга, т. е. частоте и амплитуде колебаний в одном из этих направлений могут соответствовать любая частота и амплитуда колебаний в других направлениях. Если каждое из этих прямолинейных колебаний гармоническое, то его можно описать при помощи формулы

Таким образом, для описания отдельного прямолинейного колебания атомов необходимо задать две величины: частоту колебания со и амплитуду колебания Эти две величины также независимы друг от друга: при данной частоте амплитуда колебания не связывается никакими условиями, и наоборот. Следовательно, для описания сложного колебательного движения молекулы вокруг точки (т. е. своего положения равновесия) необходимо задать шесть независимых друг от друга величин: три частоты и амплитуды колебании по трем взаимно перпендикулярным направлениям.

Независимые друг от друга величины, определяющие состояние данной физической системы, называются степенями свободы этой системы. При изучении теплового движения в телах (для расчета энергии этого движения) определяют число степеней свободы каждой молекулы этого тела. При этом подсчитываются только те степени свободы, между которыми происходит обмен энергиями. Молекула одноатомного газа обладает тремя степенями свободы поступательного движения; двухатомная молекула имеет три степени свободы поступательного и две степени свободы вращательного движения (третья степень свободы, соответствующая вращению вокруг оси, проходящей через центры атомов, не учитывается). Молекулы, содержащие три

атома и больше, обладают тремя поступательными и тремя вращательными степенями свободы. Если в обмене энергиями участвует и колебательное движение, то на каждое независимое прямолинейное колебание добавляют две степени свободы.

Рассматривая раздельно поступательное, вращательное и колебательное движения молекул, можно найти среднюю энергию, которая приходится на каждую степень свободы этих видов движения. Рассмотрим сначала поступательное движение молекул: допустим, молекула обладает кинетической энергией масса молекулы). Сумма есть энергия поступательного движения всех молекул. Разделив на степеней свободы, получим среднюю энергию, приходящуюся на одну степень свободы поступательного движения молекул:

Так же можно рассчитать средние энергии, приходящиеся на одну степень свободы вращательного евращ и колебательного еколеб движений. Если каждая молекула обладает степенями свободы поступательного, степенями свободы вращательного и степенями свободы колебательного движений, то полная энергия теплового движения всех молекул будет равна

И. В. Яковлев | Материалы по физике | MathUs.ru

Молекулярная физика и термодинамика

Данное пособие посвящено второму разделу ¾Молекулярная физика. Термодинамика¿ кодификатора ЕГЭ по физике. Оно охватывает следующие темы.

Тепловое движение атомов и молекул вещества. Броуновское движение. Диффузия. Экспериментальные доказательства атомистической теории. Взаимодействие частиц вещества.

Модели строения газов, жидкостей и твёрдых тел.

Модель идеального газа. Связь между давлением и средней кинетической энергией теплового движения молекул идеального газа. Абсолютная температура. Связь температуры газа со средней кинетической энергией его частиц. Уравнение p = nkT . Уравнение Менделеева Клапейрона.

Изопроцессы: изотермический, изохорный, изобарный, адиабатный процессы.

Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха.

Изменение агрегатных состояний вещества: испарение и конденсация, кипение жидкости, плавление и кристаллизация. Изменение энергии в фазовых переходах.

Внутренняя энергия. Тепловое равновесие. Теплопередача. Количество теплоты. Удельная теплоёмкость вещества. Уравнение теплового баланса.

Работа в термодинамике. Первый закон термодинамики.

Принципы действия тепловых машин. КПД тепловой машины. Второй закон термодинамики. Проблемы энергетики и охрана окружающей среды.

Пособие содержит также некоторый дополнительный материал, не входящий в кодификатор ЕГЭ (но входящий в школьную программу!). Этот материал позволяет лучше понять рассматриваемые темы.

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

2.3 Жидкости . . . . . . 10

5.2 Основное уравнение МКТ идеального газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.3 Энергия частиц и температура газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6.1 Термодинамический процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.2 Изотермический процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.3 Графики изотермического процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

6.4 Изобарный процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6.5 Графики изобарного процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

7.1 Испарение и конденсация

7.2 Динамическое равновесие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.3 Свойства насыщенного пара . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

8.1 Внутренняя энергия одноатомного идеального газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

8.2 Функция состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.3 Изменение внутренней энергии: совершение работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.4 Изменение внутренней энергии: теплопередача . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.5 Теплопроводность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

10.1 Плавление и кристаллизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

10.2 График плавления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

10.3 Удельная теплота плавления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

10.4 График кристаллизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

10.5 Парообразование и конденсация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

10.6 Кипение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

10.7 График кипения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

11.1 Работа газа в изобарном процессе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

11.2 Работа газа в произвольном процессе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.3 Работа, совершаемая над газом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.4 Первый закон термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

11.5 Применение первого закона термодинамики к изопроцессам . . . . . . . . . . . . . 46

11.6 Адиабатный процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.1 Тепловые двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

12.2 Холодильные машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

13.1 Необратимость процессов в природе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

13.2 Постулаты Клаузиуса и Кельвина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1 Основные положения молекулярно-кинетической теории

Великому американскому физику Ричарду Фейнману, автору знаменитого курса ¾Фейнмановские лекции по физике¿, принадлежат замечательные слова:

Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе. . . содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения.

В этих словах заключена суть молекулярно-кинетической теории (МКТ) строения вещества. А именно, основными положениями МКТ являются следующие три утверждения.

1. Любое вещество состоит из мельчайших частиц молекул и атомов. Они расположены в пространстве дискретно, то есть на некоторых расстояниях друг от друга.

2. Атомы или молекулы вещества находятся в состоянии беспорядочного движения 1 , которое никогда не прекращается.

3. Атомы или молекулы вещества взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, которые зависят от расстояний между частицами.

Эти положения являются обобщением многочисленных наблюдений и экпериментальных фактов. Давайте рассмотрим подробнее эти положения и приведём их опытное обоснование.

1.1 Атомы и молекулы

Возьмём бумажный листок и начнём делить его на всё более и более мелкие части. На каждом ли шаге мы будем получать кусочки именно бумаги, или на каком-то этапе появится нечто новое?

Первое положение МКТ говорит нам о том, что вещество не является делимым до бесконечности. Рано или поздно мы дойдём до ¾последнего рубежа¿ мельчайших частиц данного вещества. Эти частицы атомы и молекулы. Их также можно разделить на части, но тогда исходное вещество прекратит своё существование.

Атом это наименьшая частица данного химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Химических элементов не так много все они сведены в таблицу Менделеева.

Молекула это наименьшая частица данного вещества (не являющегося химическим элементом), сохраняющая все его химические свойства. Молекула состоит из двух или более атомов одного или нескольких химических элементов.

Например, H2 O это молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Разделив её на атомы, мы перестанем иметь дело в веществом под названием ¾вода¿. Далее, разделив атомы H и O на составные части, мы получим набор протонов, нейтронов и электронов и тем самым потеряем информацию о том, что поначалу это были водород и кислород.

1 Это движение называется тепловым движением.

Размер атома или молекулы (состоящей из небольшого числа атомов) составляет порядка 10 8 см. Это настолько малая величина, что атом невозможно разглядеть ни в какой оптический микроскоп.

Атомы и молекулы называются для краткости просто частицами вещества. Чем именно является частица атомом или молекулой в каждом конкретном случае установить нетрудно. Если речь идёт о химическом элементе, то частицей будет атом; если же рассматривается сложное вещество, то его частица это молекула, состоящая из нескольких атомов.

Далее, первое положение МКТ утверждает, что частицы вещества не заполняют пространство непрерывно. Частицы расположены дискретно, то есть как бы в отдельных точках. Между частицами имеются промежутки, величина которых может меняться в некоторых пределах.

В пользу первого положения МКТ свидетельствует явление теплового расширения тел. А именно, при нагревании увеличиваются расстояния между частицами вещества, и размеры тела возрастают. При охлаждении, наоборот, расстояния между частицами уменьшаются, в результате чего тело сжимается.

Ярким подтверждением первого положения МКТ служит также диффузия взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга.

Например, на рис. 1 показан2 процесс диффузии в жидкости. Частицы растворимого вещества помещены в стакан с водой и расположены вначале в верхней левой части стакана. С течением времени частицы перемещаются (как говорят, диффундируют) из области высокой концентрации в область низкой концентрации. В конце концов концентрация частиц становится везде одинаковой частицы равномерно распределяются по всему объёму жидкости.

Рис. 1. Диффузия в жидкости

Как объяснить диффузию с точки зрения молекулярно-кинетической теории? Очень просто: частицы одного вещества проникают в промежутки между частицами другого вещества. Диффузия идёт тем быстрее, чем больше эти промежутки поэтому легче всего смешиваются друг с другом газы (в которых расстояния между частицами много больше размеров самих частиц).

1.2 Тепловое движение атомов и молекул

Напомним ещё раз формулировку второго положения МКТ: частицы вещества совершают беспорядочное движение (называемое также тепловым движением), которое никогда не прекращается.

Опытным подтверждением второго положения МКТ служит опять-таки явление диффузии ведь взаимное проникновение частиц возможно лишь при их беспрерывном движении!

2 Изображение с сайтаen.wikipedia.org .

Но наиболее ярким доказательством вечного хаотического движения частиц вещества является броуновское движение. Так называется непрерывное беспорядочное движение броуновских частиц пылинок или крупинок (размерами 10 5 – 104 см), взвешенных в жидкости или газе.

Броуновское движение получило своё название в честь шотландского ботаника Роберта Броуна, увидевшего в микроскоп беспрерывную пляску взвешенных в воде частиц цветочной пыльцы. В доказательство того, что это движение совершается вечно, Броун нашёл кусок кварца с полостью, заполненной водой. Несмотря на то, что вода попала туда много миллионов лет назад, оказавшиеся там соринки продолжали своё движение, которое ничем не отличалось от того, что наблюдалось в других опытах.

Причина броуновского движения заключается в том, что взвешенная частица испытывает нескомпенсированные удары со стороны молекул жидкости (газа), причём в силу хаотичности движения молекул величина и направление результирующего воздействия абсолютно непредсказуемы. Поэтому броуновская частица описывает сложные зигзагообразные траектории (рис. 2 )3 .

Рис. 2. Броуновское движение

Размеры броуновских частиц в 1000–10000 раз превышают размер атома. С одной стороны, броуновская частица достаточна мала и пока ещё ¾чувствует¿, что в разных направлениях по ней бьёт различное количество молекул; это различие в числе ударов приводит к заметным перемещениям броуновской частицы. С другой стороны, броуновские частицы достаточно велики для того, чтобы их можно было разглядеть в микроскоп.

Кстати говоря, броуновское движение может рассматриваться и как доказательство самого факта существования молекул, т. е. также может служить опытным обоснованием первого положения МКТ.

1.3 Взаимодействие частиц вещества

Третье положение МКТ говорит о взаимодействии частиц вещества: атомы или молекулы взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, которые зависят от расстояний между частицами: при увеличении расстояний начинают преобладать силы притяжения, при уменьшении силы отталкивания.

О справедливости третьего положения МКТ свидетельствуют силы упругости, возникающие при деформациях тел. При растяжении тела увеличиваются расстояния между его частицами, и начинают преобладать силы притяжения частиц друг к другу. При сжатии тела расстояния между частицами уменьшаются, и в результате преобладают силы отталкивания. В обоих случаях упругая сила направлена в сторону, противоположную деформации.

3 Изображение с сайта nv-magadan.narod.ru .

Другим подтверждением существования сил межмолекулярного взаимодействия служит наличие трёх агрегатных состояний вещества.

В газах молекулы удалены друг от друга на расстояния, значительно превышающие размеры самих молекул (в воздухе при нормальных условиях примерно в 1000 раз). На таких расстояниях силы взаимодействия между молекулами практически отсутствуют, поэтому газы занимают весь предоставленный им объём и легко сжимаются.

В жидкостях промежутки между молекулами сравнимы с размерами молекул. Силы молекулярного притяжения весьма ощутимы и обеспечивают сохранение жидкостями объёма. Но для сохранения жидкостями ещё и формы эти силы недостаточно велики жидкости, как и газы, принимают форму сосуда.

В твёрдых телах силы притяжения между частицами очень велики: твёрдые тела сохраняют не только объём, но и форму.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое является результатом изменения величины сил взаимодействия между частицами вещества. Сами частицы остаются при этом неизменными.

Все молекулы любого вещества непрерывно и беспорядочно (хаотически) движутся.

Движение молекул в разных телах происходит по-разному.
Молекулы газов беспорядочно движутся с большими скоростями (сотни м/с) по всему объему газа. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга, изменяя величину и направление скоростей.
Молекулы жидкости колеблются около равновесных положений (т.к. расположены почти вплотную друг к другу) и сравнительно редко перескакивают из одного равновесного положения в другое. Движение молекул в жидкостях является менее свободным, чем в газах, но более свободным, чем в твердых телах.
В твердых телах частицы колеблются около положения равновесия.
С ростом температуры скорость частиц увеличивается, поэтому хаотическое движение частиц принято называть тепловым.

БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ

Доказательство теплового движения молекул.
Броуновское движение было открыто английским ботаником Робертом Броуном (1773-1858гг.)

Если распылить на поверхности жидкости мельчайшие крупинки какого-либо вещества,
то они будут непрерывно двигаться.

Эти броуновские частицы движутся под влиянием ударов молекул жидкости. Т.к. тепловое движение молекул - это непрерывное и беспорядочное движение, то и скорость движения броуновских частиц будет беспорядочно меняться по величине и направлению.
Броуновское движение вечное и никогда не прекращается.

ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ!

ДОМАШНЯЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

1. Возьмите три стакана. В первый налейте кипяток, во второй теплую и в третий холодную воду.
В каждый стакан бросить щепотку гранулированного чая. Что вы заметили?.

2. Возьмите пустую пластиковую бутылку, предварительно охладив ее, опустите горлышко в стакан с водой и обхватите бутылку ладонями, но не нажимайте. Наблюдайте в течение нескольких минут.

3. На горлышко той же, но вновь охлажденной бутылки положите смоченную в воде перевернутую пробку и таккже обхватите ее теплыми ладонями. Наблюдайте в течение нескольких минут.

4. Налейте в неглубокую тарелку воды на высоту 1 - 1,5 см, поставьте в нее перевернутый вверх дном и предварительно нагретый горячей водой стакан. Наблюдайте в течение нескольких минут.

Жду отчет с объяснениями увиденного. Кто первый?

ТЕМПЕРАТУРА

Величина, которая характеризует тепловое состояние тела или иначе мера «нагретости» тела.
Чем выше температура тела, тем большую в среднем энергию имеют его атомы и молекулы.

Приборы, служащие для измерения температуры называются термометрами.

Принцип измерения температуры.

Температура непосредственно не измеряется! Измеряется величина, зависящая от температуры!
В современных жидкостных термометрах - это объем спирта или ртути (в термоскопе Галилея – объем газа). Термометр измеряет собственную температуру! А, если мы хотим измерить с помощью термометра температуру какого-либо другого тела, надо подождать некоторое время, пока температуры тела и термометра уравняются, т.е. наступит тепловое равновесие между термометром и телом.
В этом состоит закон теплового равновесия:
у любой группы изолированных тел через какое-то время температуры становятся одинаковыми,
т.е. наступает состояние теплового равновесия

ПРОВЕДИ ДОМАШНИЙ ОПЫТ

Возьмите три тазика с водой: один - с очень горячей, другой - с умеренно теплой, а третий - с очень холодной. Теперь ненадолго опустите левую руку в тазик с горячей водой, а правую - с холодной. Через пару минут извлеките руки из горячей и холодной воды и опустите их в тазик с теплой водой. Теперь спросите каждую руку, что она "скажет" вам о температуре воды?

ТЕРМОМЕТР - СДЕЛАЙ САМ

Возьми маленький стеклянный пузырек (в таких пузырьках в аптеках продают, например, зеленку), пробку (лучше резиновую) и тоненькую прозрачную трубочку (можно взять пустой прозрачный стерженек от шариковой ручки).
Проделай отверстие в пробке и закрой пузырек. Набери в трубочку капельку подкрашенной воды и вставь стержень в пробку. Хорошенько загерметизируй щель между пробкой и стержнем.
Термометр готов.
Теперь необходимо отградуировать его, т.е. сделать измерительную шкалу.
Понятно, что при нагревании воздуха в пузырьке он будет расширяться, и капелька жидкости будет подниматься по трубочке вверх. Твоя задача отметить на стерженьке или прикрепленной к нему картонке деления, соответствующие разным температурам.
Для градуировки можно взять еще один готовый термометр и опустить оба термометра в стакан с теплой водой. Показания термометров должны совпадать. Поэтому, если готовый термометр показывает температуру, например, 40 градусов, можете смело ставить отметинку 40 на стерженьке своего термометра в том месте, где находится капелька жидкости. Вода в стакане будет остывать, и ты сможешь таким образом разметить измерительную шкалу.
Можно сделать термометр, полностью заполнив его жидкостью.

А можно и иначе:

Проделай в крышке пластиковой бутылки отверстие и вставь тонкую пластиковую трубочку.
Бутылку частично заполни водой и закрепи на стене. У свободного конца трубочки разметь температурную шкалу. Отградуировать шкалу можно с помощью обычного комнатного термометра.
При изменении температуры в комнате вода будет расширяться или сжиматься, и уровень воды в трубочке тоже «поползет» по шкале.

А можно и посмотреть, как работает термометр!
Обхвати бутылку руками и погрей ее.
Что произошло с уровнем воды в трубочке?

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ

Шкала Цельсия - введена шведским физиком А. Цельсием в 1742 году. Обозначение: C. На шкале есть как положительные, так и отрицательные температуры. Опорные точки: 0C – температура таяния льда, 100C – температура кипения воды.

Шкала Фаренгейта - введена Фаренгейтом, стеклодувом из Голландии, в 1724 году. Обозначение: F. На шкале есть как положительные, так и отрицательные температуры. Опорные точки: 32F – температура таяния льда, 212F – температура кипения воды.

Шкала Реомюра - введена французским физиком Реомюром в 1726 году. Обозначение: R. На шкале есть как положительные, так и отрицательные температуры. Опорные точки: 0R – температура таяния льда, 80R – температура кипения воды.

Шкала Кельвина - введена английским физиком Томсоном (лордом Кельвином) в 1848 году. Обозначение: К. На шкале есть только положительные температуры. Опорные точки: 0K – абсолютный нуль, 273К – температура таяния льда. Т = t + 273

ТЕРМОСКОП

Впервые прибор для определения температуры был изобретен Галилеем в 1592 г. Небольшой стеклянный баллон был припаян к тонкой трубке с открытым концом.

Баллон нагревали руками и погружали конец трубки в сосуд с водой. Баллон охлаждался до температуры окружающего воздуха и уровень воды в трубке поднимался. Т.е. по изменению объема газа в сосуде можно было судить об изменении температуры. Здесь еще не было числовой шкалы, поэтому такой прибор назывался термоскопом. Измерительная шкала появилась только через 150 лет!

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ

Самая высокая температура на Земле зарегистрированная в Ливии в 1922 году - +57,80С;
самая низкая температура, зарегистрированная на Земле, - –89,20С;
над головой у человека температура выше температуры окружающей среды на 1 – 1,50С; средняя температура животных: лошади - 380С, овцы - 400С, курицы - 410С,
температурав центре Земли - 200000С;
температура на поверхности Солнца - 6000 К, в центре - 20 млн. град.

А какова температура недр Земли?
Раньше высказывались различные гипотетические предположения и приводились расчеты, по которым температура на глубине 15 км получалась 100...400°C. Теперь Кольская сверхглубокая скважина,
которая прошла отметку 12 км, дала точный ответ на поставленный вопрос. Вначале (до 3 км) температура росла на 1° через каждые 100 м проходки, далее этот рост составил 2,5° на каждые новые 100 м. На глубине 10 км температура недр Земли оказалась равной 180°C!
Наука и жизнь

К концу 18 века число изобретенных температурных шкал достигало двух десятков.

Итальянские ученые-полярники, совершив экспедицию в Антарктиду, столкнулись с удивительной загадкой. Близ залива Инглей они открыли ледяное ущелье, где постоянно дует сверхскоростной и сверххолодный ветер. Поток воздуха температурой минус 90 градусов мчится со скоростью 200 км в час. Неудивительно, что это ущелье назвали «вратами ада» – никто не может находиться там без риска для жизни больше одной минуты: ветер несет частицы льда с такой силой, что мигом рвет одежду в клочья.

ПОЛОМАЕМ ГОЛОВУ?

КАВЕРЗНЫЕ ЗАДАЧИ

1. Как измерить температуру тела муравья с помощью обычного термометра?

2. Существуют термометры, в которых используют воду. Почему такие водяные термометры неудобны для измерения температур, близких к температуре замерзания воды?

Жду ответа (на уроке или по почте)!

А ЭТО ТЫ ЗНАЕШЬ?

На самом деле шведский астроном и физик Цельсий предложил шкалу, в которой точка кипения воды была обозначена числом 0, а точка таяния льда числом 100 ! "Зато зимой не будет отрицательных чисел!" -любил говорить Цельсий. Но потом шкалу "перевернули".

· Температура -40 градусов по Цельсию точно равна температуре -40 градусов по Фаренгейту. Это единственная температура, в которой две этих шкалы сходятся.

Одно время в физических лабораториях пользовались для измерения температуры так называемым весовым термометром. Он состоял из полого платинового шара, заполненного ртутью, в котором было капиллярное отверстие. Об изменении термпературы судили по количеству ртути, вытекавшей из отверстия.

Оказывается существует плоский термометр. Это "бумажка", которую накладывают на лоб больного. При высокой температуре "бумажка" становится красного цвета.

Наши ощущения, обычно надежные, могут подвести при определении температуры Например, известен опыт, когда одну руку опускают в горячую, а другую - в холодную воду. Если через некоторое время опустить обе руки в теплую воду, то рука, которая до этого была в горячей воде, почувствует холод, а рука, бывшая в холодной воде - жар!

Понятие температуры неприменимо к отдельной молекуле. О температуре можно говорить лишь в том случае, если имеется достаточно большая совокупность частиц.

Чаще всего физики измеряют температуру по шкале Кельвина: 0 градусов по шкале Цельсия = 273 градусам по шкале Кельвина!

Самая высокая температура.

Она получена в центре взрыва термоядерной бомбы – около 300...400 млн°C. Максимальная температура, достигнутая в ходе управляемой термоядерной реакции на испытательной термоядерной установке ТОКАМАК в Принстонской лаборатории физики плазмы, США, в июне 1986 г., составляет 200 млн°C.

Самая низкая температура.

Абсолютный нуль по шкале Кельвина (0 K) соответствует –273,15° по шкале Цельсия или –459,67° по шкале Фаренгейта. Самая низкая температура, 2·10–9 K (двухбиллионная часть градуса) выше абсолютного нуля, была достигнута в двухступенчатом криостате ядерного размагничивания в Лаборатории низких температур Хельсинкского технологического университета, Финляндия, группой учёных под руководством профессора Олли Лоунасмаа (род. в 1930 г.), о чём было объявлено в октябре 1989 г.

Самый миниатюрный термометр.

Д-р Фредерик Сакс, биофизик из Государственного университета штата Нью-Йорк, Буффало, США, сконструировал микротермометр для измерения температуры отдельных живых клеток. Диаметр наконечника термометра – 1 микрон, т.е. 1/50 часть диаметра человеческого волоса.