Краткая теория Физика. Основы молекулярнокинетической теории (мкт) Основные положения
 Скачать 204.41 Kb.
|
r F 0 r от F пр F 0 r Основы молекулярно-кинетической теории (МКТ) Основные положения 1. Все вещества состоят из частиц (молекул, атомов), разделенных промежутками. Доказательства: - фотографии атомов и молекул, сделанные с помощью электронного микроскопа; - возможность механического дробления вещества, растворение вещества в воде, диффузия, сжатие и расширение газов. 2. Частицы всех веществ беспорядочно и хаотично движутся. Доказательства: - диффузия – явление взаимного проникновения частиц одного вещества между частицами другого вещества вследствие их теплового движения. - броуновское движение мелких, инородных, взвешенных в жидкости частиц под действием не скомпенсированных ударов молекул. 3. Частицы всех веществ взаимодействуют между собой: одновременно действуют силы взаимного притяжения и отталкивания (природа сил носит электромагнитный характер). Доказательства: - сохранение формы твердыми телам, для их разрыва необходимо усилие; - жидкие и твердые тела трудно сжимаемы; - капли жидкости, помещенные в непосредственной близости друг от друга, сливаются; - явления смачивания и несмачивания. График зависимости силы взаимодействия двух молекул от расстояния между ними. r F - сила взаимодействия молекул, r – расстояние между их центрами. от F - сила отталкивания, положительная. r 0 пр F - сила притяжения, отрицательная. r < r 0 На расстоянии 0 r r = результирующая сила r F =0, т.е. силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга. Поэтому расстояние 0 r соответствует равновесному расстоянию между молекулами. r > r 0 Основные понятия. Атом – мельчайшая частица химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств. Молекула – наименьшая частица химического соединения, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из двух или нескольких атомов. Ион – атом или молекула, которые потеряли или присоединили один или несколько электронов. m 0 – масса молекулы, m 0 10 -26 – 10 -27 кг. d 0 – диаметр молекулы, d 0 10 -10 м . υ 0 – скорость молекулы, υ 0 200 – 2000 м/с. Связи физических величин Величина Единица Формула Моль – количество вещества, содержащее одно и то же число частиц, названное постоянной Авогадро N А =6,022 · 10 23 моль -1 Молярная масса – масса вещества, взятого в количестве 1 моль Мr – относительная атомная масса моль кг 3 10 − ⋅ = r M M , A N m M 0 = Количество вещества моль A N N = ν , M m = ν N- число молекул (атомов) A N N ⋅ = ν , A N M m N = m- масса вещества кг ν M m = , ν A N m m 0 = Масса молекулы (атома) кг N m m = 0 , A N m m ν = 0 , A N M m = 0 Концентрация частиц – число частиц в единичном объеме 3 − м V N n = Плотность вещества – масса приходящаяся на единицу объема, V0 – объем молекулы (атома) 3 м кг V m = ρ , V N m 0 = ρ , n m 0 = ρ Температура по шкале Кельвина К 273 0 + = t Т Средняя кинетическая энергия поступательного движения частицы Дж 2 2 0 υ m E к = , kT E к 2 3 = Среднее значение квадрата скорости движения частиц 2 2 с м N N 2 2 2 2 1 2 υ υ υ υ + + + = Средняя квадратичная скорость с м 2 υ υ = , 0 3 m kT = υ , M RT 3 = υ Давление идеального газа (основное уравнение МКТ идеального газа) Па 2 0 3 1 υ n m p = , 2 3 1 υ ρ = p , k E n p 3 2 = , nkT p = Замечание: - молярная масса воздуха М= 3 10 29 − ⋅ кг/моль; - для двухатомных газов (О2, Н2, N2, Сl2) молярная масса М= Мr · 3 10 2 − ⋅ кг/моль. Постоянная Больцмана К Дж k 23 10 38 , 1 − ⋅ = ; Универсальная газовая постоянная k N R A = , мольК Дж R 31 , 8 = Агрегатные состояния вещества. Газы Жидкости Твердые тела Свойства. Занимают весь предо- ставленный объем. Не сохраняют форму. Легко сжимаются. Сохраняют объем. Обладают свойством текучести. Принимают форму сосуда. Сохраняют форму и объем. Расположе- ние молекул. Нет порядка в расположении молекул. Расстояние между молекулами гораздо больше размеров молекул. Упорядоченное распо- ложение ближайших соседних молекул (ближний порядок). Расстояние между молекулами сравнимо с их размерами. В кристаллических твердых телах молекулы располагаются в определенном порядке (дальний порядок). Расстояние между молекулами порядка размеров молекул. Силы взаимодейств ия. F прит = 0 и F отталт = 0 F пр F пр >F от поверх. слой F пр ≈ F от Движение молекул. Молекулы свободно движутся во всех направлениях, столк- новения относительно редки. Молекулы колеблются вблизи положений равновесия, время от времени переходя в соседнее положение равновесия. Молекулы колеблются вблизи положений равновесия, что обуславливает сохранение формы. Энергия молекул. Кинетическая энергия теплового движения молекул много больше потенциальной энергии их взаимодействия. k p W W << Кинетическая энергия теплового движения молекул сравнима с потенциальной энергией их взаимодействия. k p W W ≈ Потенциальная энергия взаимодействия молекул много больше кинетической энергии их теплового движения. k p W W >> Твердые тела Кристаллические Аморфные Атомы (молекулы) расположены в строго определенном порядке, не меняющемся во всем объеме кристалла (соль, лед, кварц, медь). Отсутствует дальний порядок в расположении молекул (стекло, смолы). Проявляют упругость при механических воздействиях, как кратковременных, так и длительных. Т пл. = const При кратковременных механических воздействиях проявляют упругие свойства, при длительных воздействиях текучи (проявляют свойства жидкостей). Обладают определенной температурой плавления T пл . При T < T пл тело останется твердым, при T > T пл становится жидким. Нет определенной температуры плавления. Переход из твердого состояния в жидкое происходит постепенно – вещество размягчается, растет текучесть. Монокристаллы Поликристаллы Изотропны. Состоят из одиночных кристаллов (алмаз, турмалин). Анизотропны. Состоят из множества одиночных кристаллов (металлы, сахар- рафинад) Изотропны. Анизотропия – зависимость физических свойств вещества (механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических) от направления в кристалле. Изотропия – независимость физических свойств вещества от направления в кристалле. Экспериментальное определение скоростей молекул. Опыт Штерна (1920г) – измерена скорость движения молекул серебра. В середине двух цилиндров находится платиновая проволока, покрытая серебром, по которой протекает электрический ток. Атомы серебра, испаряясь, оседают в виде полосок на внутренней поверхности второго цилиндра: - без вращения внешнего цилиндра в области точки М 0 ; - при вращении в области точки М, образуя более широкую полоску. Тогда t R R M ∆ − = 1 2 υ , но x t R = ∆ 2 ω , поэтому x R R R M ) ( 1 2 2 − = ω υ Выводы: наблюдаемое в опыте размытие полосок, говорит о различных скоростях атомов серебра при данной температуре. Атомы, движущиеся медленно, смещаются больше, чем атомы, движущиеся быстро. Толщина слоя серебра зависит от места конденсации атомов, а значит число атомов в этом месте зависит от их скорости. Результаты опыта подтвердили теоретические выкладки. Идеальный газ. Идеальный газ – молекулярно-кинетическая модель газа, в которой пренебрегают размерами молекул газа и потенциальной энергией их взаимодействия. Давление газа в МКТ обусловлено ударами молекул о стенки сосуда. Это давление зависит от числа ударившихся молекул и температуры газа. Термодинамическая система (ТДС) – любое макроскопическое тело или система тел. ТДС при неизменных условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия. Термодинамическое равновесие – это состояние, при котором все макроскопические параметры (параметры, описывающие поведение большого числа молекул) сколь угодно долго остаются неизменными. Температура характеризует состояние теплового равновесия макроскопической системы: во всех частях системы, существующих в состоянии теплового равновесия, температура имеет одно и то же значение. При описании физических законов используют шкалу Кельвина. Абсолютная температура измеряется в кельвинах (К). Она является мерой средней кинетической энергии движения молекул. 1 0 С = 1 К Δt = ΔТ Абсолютный нуль температуры (T = 0 К) – значение температуры, соответствующе C 0 15 , 273 ниже нуля температуры по шкале Цельсия. Абсолютный ноль недостижим, так как в этом случае скорость теплового движения молекул равна нулю, чего не может быть. Нормальные условия: t = C 0 0 , Т=273 К, р атм = 10 5 Па = 1 атм. Параметры газа p,V,T. p – давление 2 0 3 1 υ n m p = 2 3 1 υ ρ = p k E n p 3 2 = nkT p = V – объем - прямоугольный сосуд: abc V = - цилиндрический сосуд: h S V осн = Т – температура газа 273 0 + = Ñ t Ò 2 2 0 υ m E к = для 1-ой kT E к 2 3 = молекулы 0 3 m kT = υ , M RT 3 = υ Уравнение состояния идеального газа. Уравнение Клапейрона (для данного газа при m = const) связывает несколько состояний газа. Уравнение Менделеева- Клапейрона const T pV = R M m T pV = Для смеси газов: R T V p см см см ) ( 2 1 ν ν + = n см p p p p + + + = 2 1 - закон Дальтона ( давление смеси газов равно сумме парциальных давлений каждого газа в отдельности в объеме V). описывает одно состояние Газовые законы. Изобарный процесс. Закон Гей- Люссака: для газа постоянной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление газа не меняется. const p = , const T V = V 1 Р 2 > Р 1 2 T 0 Изохорный процесс. Закон Шарля: для газа постоянной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем не изменяется. const V = , const T p = P 1 2 V 2 > V 1 0 T Изотермический процесс. Закон Бойля-Мариотта: для газа постоянной массы произведение давления на объем остается постоянным, если температура газа не изменяется. const T = , const pV = P 2 T 2 > T 1 1 0 V Взаимные превращения жидкостей. Парообразование – процесс перехода вещества из жидкого или твердого состояния в газообразное. Конденсация – процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое. } p 0 T Способы парообразования. Испарение. Это процесс, при котором со свободной поверхности жидкости или твердого тела вылетают молекулы, у которых кинетическая энергия максимальна. Испарение сопровождается охлаждением жидкости, т. к. вылетают самые быстрые молекулы. Испарение происходит при любой температуре. Кипение. Это процесс парообразования, происходящий как со свободной поверхности, так и по всему объему жидкости при помощи образующихся в ней пузырьков пара. Кипение происходит в случае, если давление насыщенного пара внутри пузырька пара равно или больше внешнего давления. Кипение происходит только при определённой для данного вещества температуре. Температура кипения зависит от внешнего давления. Динамическое равновесие – состояние, в котором может находиться пар (жидкость) при превращении в жидкость (пар); при этом число частиц, вылетающих с поверхности жидкости в единицу времени, равно числу частиц, возвращающихся в жидкость. Насыщенный пар – пар, находящийся в состоянии динамического Насыщенный равновесия со своей жидкостью (существует только в закрытом пар сосуде). Концентрация молекул и давление насыщенного пара не зависят от его объема при постоянной температуре. С повышением температуры будут увеличиваться Идеальный концентрация молекул и давление насыщенного пара (см. рис.). газ Ненасыщенный пар – пар, плотность и давление которого меньше плотности и давления насыщенного пара при данной температуре; пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Точка росы – температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным в результате охлаждения. Парциальное давление водяного пара – давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы в воздухе отсутствовали. Влажность воздуха – характеризует содержание водяного пара в воздухе. Абсолютная влажность воздуха – масса водяного пара в 1 м 3 воздуха при данной температуре (плотность). Относительная влажность равна отношению парциального давления пара (или плотности) к давлению (или плотности) насыщенного пара при данной температуре. Относительная влажность показывает насколько далёк пар от насыщения. Связи физических величин Величина Единица Формула Абсолютная влажность (плотность водяного пара) 3 м кг V m пар = ρ Относительная влажность % % 100 ⋅ = нас пар ρ ρ ϕ , % 100 ⋅ = нас пар p p ϕ Для определения влажности воздуха служат психрометр и гигрометр. |