ага реферат. 2 Реферат физика. Реферат Давление газа с точки зрения молекулярнокинетической теории. Уравнение состояния идеального газа.
 Скачать 0.9 Mb.
|
|
Министерство сельского хозяйства Российской федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Государственный университет по землеустройству Кафедра Высшей математики и физики Реферат «Давление газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Уравнение состояния идеального газа.» Выполнил студент очной формы обучения Направление подготовки Городской кадастр 1 курса группы 11 ГК Данилова Анастасия Дмитриевна Преподаватель: Климов Александр Петрович Москва 2022 ОглавлениеМолекулярно-кинетическая теория 3 Дискретное строение вещества 5 Тепловое движение частиц вещества 6 Давление газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории 7 Уравнение состояния идеального газа 12 Ссылки на источники 14 Молекулярно-кинетическая теорияМолекулярно-кинетическая теория (MKT) - теория, объясняющая свойства макроскопических тел и тепловые процессы в этих телах на основе представлений о веществе как о системе атомов и молекул, беспрерывно и хаотически движущихся и взаимодействующих друг с другом. Основные положения молекулярно-кинетической теории. В основе MKT лежат три положения: I положение: все вещества состоят из частичек — атомов и молекул. Существование атомов и молекул было предсказано еще древними философами. Однако ясную количественную теорию этого факта впервые предложил английский ученый-химик Джон Далтон (1766-1844). Составив таблицу относительных атомных масс ряда элементов, он заложил основу теории атомного строения вещества. В наше время, используя способность электронного микроскопа увеличивать в миллионы раз размеры объекта, можно увидеть и сфотографировать достаточно большие молекулы. II положение: частицы, из которых состоит вещество, находятся в непрерывного и беспорядочного (хаотического) движения. Верность этого положения была установлена на основе открытия, сделанного в 1827 году английским ботаником Робертом Броуном, наблюдавшим в микроскоп за движением цветочной пыльцы в воде. Он обнаружил, что пыльца совершает хаотическое движение и изменяет свое положение по сложной траектории (с).  Беспорядочное движение частиц, называемое "броуновским движением", теоретически было объяснено А.Эйнштейном в 1905 году, а опытным путем было подтверждено в 1909-1911 годах французским физиком Яном Батистом Перреном (1870— 1942). Он подтвердил предположение Эйнштейна, что причиной хаотического движения частичек краски в воде является тепловое движение молекул воды. Перрен определил, что интенсивность броуновского движения частиц зависит не от их химической природы, а от температуры: с увеличением температуры интенсивность броуновского движения также увеличивается. Таким образом: Броуновским движением называется беспорядочное движение частиц, взвешенных в жидкости (или газе). Другим явлением, подтверждающим второе положение MKT, является диффузия. Диффузией называется процесс самопроизвольного взаимного проникновения атомов или молекул одного вещества в межатомные или межмолекулярные промежутки другого вещества. Первое количественнное описание процесса диффузии дал в 1855 году немецкий физик и физиолог Адольф Фик (1829-1901) в законе, названном "законом диффузии Фика ". III положение: частицы вещества взаимодействуют друг с другом, то есть между ними существуют силы взаимного притяжения и отталкивания. Подтверждением этого положения является возникновение силы упругости во время деформации тела. Эти силы имеют характер близкодействия, электромагнитную природу и в значительной степени зависят от расстояния между частицами. Например, было определено, что силы притяжения между молекулами уменьшаются по закону  а силы отталкивания между ними уменьшаются по закону  Равнодействующая этих сил на расстояниях, в 2-3 раза больших диаметра молекулы  и на расстоянии, равном диаметру молекулы  можно сказать, равна нулю (d). В основе молекулярно-кинетической теории лежат три положения: Вещество имеет дискретное строение, т. е. состоит из микроскопических частиц. Частицы вещества хаотически движутся. Частицы вещества взаимодействуют между собой. Дискретное строение веществаСогласно первому положению молекулярно-кинетической теории вещество имеет дискретное строение, т. е. состоит из отдельных частиц (молекул, атомов, ионов). При изучении физики в 6 и 8 классах вы узнали, что реальное существование молекул подтверждают экспериментальные факты. Такими фактами, в частности, являются растворение веществ в воде и в других растворителях, сжатие и расширение любых тел и особенно газов, механическое дробление вещества, диффузия, броуновское движение и многое другое. Глаз может различить две точки, если расстояние между ними не менее 0,1 мм. Современные оптические микроскопы позволяют различать структуры с расстоянием между элементами порядка двухсот нанометров и более (  200 нм), что обеспечивает возможность наблюдать и фотографировать очень большие молекулы, состоящие из сотен и даже тысяч атомов (молекулы некоторых витаминов, гормонов и белков). На рисунке 2 приведена фотография молекулы нуклеиновой кислоты нитевидной формы, общая длина которой 34 мкм. Переход от световых волн в оптических микроскопах к ускоренным пучкам электронов, управляемым электрическими и магнитными полями, в электронных микроскопах улучшил пределы разрешения до десятых долей нанометра. Использование электронных микроскопов позволило наблюдать и фотографировать атомарные структуры. 4 марта 1981 г. немецкий учёный Герд Бинниг и швейцарский учёный Генрих Рорер впервые в мире наблюдали отдельные атомы на поверхности кремния (рис. 3). На рисунке 4, а, б изображены электронный и туннельный микроскопы. За создание первого электронного микроскопа немецкому учёному Эрнсту Руске и за изобретение сканирующего туннельного микроскопа Г. Биннигу и Г. Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике за 1986 год.  Тепловое движение частиц веществаСогласно второму положению молекулярно-кинетической теории частицы, составляющие вещество, находятся в непрерывном хаотическом движении, которое называют тепловым. Наиболее ярким экспериментальным подтверждением теплового движения частиц вещества (молекул, атомов и ионов) является броуновское движение, т. е. движение «взвешенных» в жидкости или газе мельчайших нерастворимых твёрдых частиц размерами примерно 1 мкм и меньше. «Взвешенные» частицы — это частицы, плотность вещества которых близка к плотности окружающей их среды (жидкости или газа). Они распределяются по всему объёму среды, не оседая на дно сосуда и не поднимаясь на её поверхность (рис. 5).  Давление газа с точки зрения молекулярно-кинетической теорииС точки зрения молекулярно-кинетической теории давление газа возникает в результате ударов молекул, образующих газ, по телу, соприкасающемуся с ним. При ударе импульс молекулы газа изменяется:  , где  — её масса, a  — скорости до и после удара. Если  — промежуток времени между двумя последовательными ударами о тело одной и той же молекулы, тосредней силе  с которой тело действует на молекулу во время ударапродолжительностью  соответствует средняя сила  с которой одна молекула действует на тело (например, стенку сосуда) на протяжении промежутка времени  . Используя второй закон Ньютона для описания удара молекулы  и третий закон Ньютона для мгновенных значений сил взаимодействия молекулы и тела  получим: (3.1)При нормальных условиях и макроскопических размерах сосуда число ударов молекул газа о плоскую поверхность площадью 1  составляет порядка  в секунду. Очень слабые силы ударов отдельных молекул  складываются для громадного количества молекул в значительную по величине и почти постоянную силу, действующую на тело. Усреднённое по времени значение этой силы, отнесенное к единичной площадке, и есть давление газа.Пусть в сосуде, имеющем форму куба с ребром длиной l (рис. 12), находится идеальный газ, состоящий из одинаковых молекул массой  каждая. Будем считать, что молекулы упруго ударяются только о стенки сосуда, не сталкиваясь друг с другом. Так как молекулы, образующие стенки сосуда, совершают тепловые колебания, то скорости движения молекул газа при соударениях с ними изменяются случайным образом. Однако если газ и сосуд находятся в тепловом равновесии, то средняя кинетическая энергия молекул не изменяется со временем. Это позволяет реальное хаотическое движение молекул газа со всевозможными направлениями и модулями скоростей упрощённо рассматривать как движение, при котором модули проекций скорости на каждую из координатных осей одинаковые, т. е. и остаются неизменными, а при соударениях изменяется знак только у одной из трёх проекций скорости на координатные оси.Для описания удара молекулы газа о стенку ABCD (см. рис. 12) запишем соотношение (3.1) в проекциях на координатные оси:   Так как промежуток времени между двумя последовательными соударениями молекулы со стенкой ABCD  то Проекция полной средней силы, с которой все N молекул, находящиеся в сосуде, действуют на стенку ABCD  так как Следовательно,  — усреднённый но всем N частицам квадрат проекций их скоростей на ось Ох.Разделив обе части соотношения для  на площадь стенки  получим формулу для давления, оказываемого молекулами газа на стенку ABCD: Так как  Поскольку молекулы газа совершенно одинаково отражаются от трёх пар противоположно расположенных граней куба, то  С учётом того, что занимаемый газом объём  а концентрация молекул газа  получим: (3.2)Уравнение (3.2) называют основным уравнением молекулярно-кинетической теории идеального газа. Это уравнение позволяет рассчитать макроскопический параметр давление р газа через концентрацию п молекул, массу т0 молекулы и среднюю квадратичную скорость её теплового движения, определяемую по формуле  Иначе говоря, формула (3.2) связывает между собой макро- и микроскопические параметры системы «идеальный газ».Зависимость давления газа от среднего квадрата скорости движения его молекул объясняется тем, что с увеличением скорости, во-первых, возрастает импульс молекулы, а следовательно, и сила удара о стенку. Во-вторых, возрастает число ударов, так как молекулы чаще соударяются со стенками. Обозначим через  среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул. Тогда основное уравнение молекулярно-кинетической теории примет следующий вид: (3.3)Из выражения (3.3) видно, что давление идеального газа зависит от средней кинетической энергии поступательного движения его молекул и их концентрации. Проиллюстрировать зависимость давления от скорости движения молекул газа можно, используя механическую модель. Соберём установку, изображённую на рисунке 13. Закрепим пластину П таким образом, чтобы она могла поворачиваться вокруг горизонтальной оси. Насыплем в воронку с узким горлышком мелкую дробь. Используя наклонный жёлоб, направим на пластину струйку дроби (дробинки играют роль молекул). В результате многочисленных ударов дробинок пластина отклонится на некоторый угол под действием силы давления дробинок. Увеличив высоту, с которой скатываются дробинки, а следовательно, и их скорость в момент удара о пластину, можно заметить, что пластина отклонилась на больший угол. Отсюда можно сделать вывод: чем больше скорость движения дробинок, тем больше производимое на пластину давление.  1. Идеальный газ — модель газа, удовлетворяющая следующим условиям: 1 ) молекулы газа можно считать материальными точками, которые хаотически движутся; 2) силы взаимодействия между молекулами идеального газа практически отсутствуют (потенциальная энергия взаимодействия равна нулю); они действуют только при столкновениях молекул, причём это силы отталкивания. 2. Уравнение, связывающее микронараметры состояния идеального газа (массу молекулы и её среднюю квадратичную скорость  с его макропараметром (давлением, характеризующим газ как целое), непосредственно измеряемым на опыте, называют основным уравнением молекулярно-кинетической теории идеального газа: Давление идеального газа зависит от средней кинетической энергии поступательного движения его молекул и их концентрации:  Уравнение состояния идеального газаУравнение состояния – устанавливает связь между параметрами состояния. В простейшем случае равновесное состояние тела определяется P, V, T. Связь между ними аналитически можно выразить так: F(P, V, T) = 0 где F – некоторая функция параметров. Это - уравнение состояния газа. При обычных условиях параметры состояния многих газов хорошо описываются уравнением  где b – константа, пропорциональная массе газа. Это уравнение выполняется точно для идеального газа. Идеальный газ – газ, молекулы которого не взаимодействуют друг с другом и имеют пренебрежимо малый объём. Молекулы соударяются друг с другом абсолютно упруго. Если ввести молярный объём  где ν – количество вещества и учесть, чтоm = m0NAν =µν где m0 – масса одной молекулы. µ - молекулярная масса. NA – число Авогадро, то уравнение состояния можно записать в виде р Vm ν = b · T или PVm = RT * Согласно закону Авогадро при одинаковых давлениях и температурах молярные объёмы Vm различных газов одинаковы. (Vm = 22.4·10-3м3) при Н.У. Из этого закона и уравнения * следует, что постоянная R одинакова для всех газов. Это - универсальная газовая постоянная R = 8.31 Дж/(моль۰К) Для произвольной массы газа * *  уравнение Менделеева Клапейрона,т.к. R = kNA , где k – постоянная Больцмана k = 1.38 · 10-23 Дж/К из ** получаем  Р = kn0T Ссылки на источникиМолекулярно-кинетическая теория URL https://www.evkova.org/molekulyarno-kineticheskaya-teoriya#Основное%20уравнение%20молекулярно-кинетической%20теории%20идеального%20газа Давление газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории URL https://studfile.net/preview/7195848/page:17/ Уравнение состояния идеального газа URL https://studfile.net/preview/7195848/page:17/ |