Всички молекули на дадено вещество участват в топлинно движение, следователно, с промяна в характера на топлинното движение, състоянието на веществото и неговите свойства също се променят. Така че, когато температурата се повиши, водата кипи, превръщайки се в пара. Ако температурата се понижи, водата замръзва и се превръща от течност в твърдо вещество.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
температура- скаларни физическо количество, която характеризира степента на нагряване на тялото.
Температурата е мярка за интензивността на топлинното движение на молекулите и характеризира състоянието топлинно равновесиесистеми от макроскопични тела: всички тела от системата, които са в топлинно равновесие помежду си, имат еднаква температура.
Измерва се температура термометър. Всеки термометър използва промяна в някакъв макроскопичен параметър в зависимост от промяната в температурата.
Единицата SI за температура е градус Келвин (K). Формулата за прехода от скалата на Целзий към температурната скала на Келвин (абсолютна скала) е:
къде е температурата в Целзий.
Минималната температура съответства на нула по абсолютна скала. При абсолютна нула топлинно движениемолекули спира.
Колкото по-висока е температурата на тялото, толкова по-голяма е скоростта на топлинно движение на молекулите и следователно толкова повече енергия имат молекулите на тялото. По този начин температурата служи като мярка за кинетичната енергия на топлинното движение на молекулите.
Средноквадратична скорост на молекулите
Средноквадратичната скорост на молекулите се изчислява по формулата:
където е константата на Болцман, J/K.
Средна кинетична енергия на движение на една молекула
Средната кинетична енергия на движението на една молекула:
Физическото значение на константата на Болцмансе крие във факта, че тази константа определя връзката между температурата на веществото и енергията на топлинното движение на молекулите на това вещество.
Важно е да се отбележи, че средната енергия на топлинното движение на молекулите зависи само от температурата на газа. При дадена температура средната кинетична енергия на постъпателното хаотично движение на молекулите не зависи нито от химичен съставгаз, нито върху масата на молекулите, нито върху налягането на газа, нито върху обема, зает от газа.
Примери за решаване на проблеми
ПРИМЕР 1
| Упражнение | Каква е средната кинетична енергия на молекулите на аргон, ако температурата на газа е C? |
| Решение | Средната кинетична енергия на газовите молекули се определя по формулата: Константа на Болцман. Нека изчислим: |
| Отговор | Средна кинетична енергия на аргоновите молекули при дадена температура J. |
ПРИМЕР 2
| Упражнение | С какъв процент ще се увеличи средната кинетична енергия на газовите молекули, когато температурата му се промени от 7 на? |
| Решение | Средната кинетична енергия на газовите молекули се определя от съотношението: Промяна в средната кинетична енергия поради промяна на температурата: Процентна промяна в енергията: Нека преобразуваме единиците в системата SI: . Нека изчислим: |
| Отговор | Средната кинетична енергия на газовите молекули ще се увеличи с 10%. |
ПРИМЕР 3
| Упражнение | Колко пъти средноквадратичната скорост на прахова частица с тегло kg, суспендирана във въздуха, е по-малка от средноквадратичната скорост на въздушните молекули? |
| Решение | Средноквадратична скорост на праховата частица:
RMS скорост на молекула въздух:
Маса на молекулата на въздуха: |
[Тест по физика 24] Сили на междумолекулно взаимодействие. Агрегатно състояние на материята. Естеството на топлинното движение на молекулите в твърди, течни, газообразни тела и промяната му с повишаване на температурата. Термично разширение тел. Линейно разширение на твърди тела при нагряване. Обемно термично разширение на твърди тела и течности. Преходи между агрегатни състояния. Топлина на фазов преход. Фазов баланс. Уравнение на топлинния баланс.
Сили на междумолекулно взаимодействие.
Междумолекулното взаимодействие е електрическо по природа. Между тяхдействат сили на привличане и отблъскване, които бързо намаляват с увеличаванеразстояния между молекулите.Действат отблъскващите силисамо на много къси разстояния.На практика поведението на материята ифизическото му състояниеопределя се от това, което едоминиращи: сили на привличанеили хаотично топлинно движение.В твърдите тела доминират силитевзаимодействия, така че тезапазва формата си.
Агрегатно състояние на материята.
- способността (твърдо тяло) или неспособността (течност, газ, плазма) да поддържа обем и форма,
- наличието или отсъствието на далечен (твърдо тяло) и близък ред (течност) и други свойства.
Топлинното движение в твърдите тела е предимно осцилаторно. На високо
температури, интензивното термично движение пречи на молекулите да се доближават една до друга – газообразни
състояние, движението на молекулите е постъпателно и ротационно. . В газове по-малко от 1% обемни
се отнася до обема на самите молекули. При междинни температури
молекулите постоянно ще се движат в пространството, разменяйки местата си обаче
разстоянието между тях не е много по-голямо от d - течност. Естеството на движението на молекулите
в течност има колебателен и транслационен характер (в момента, когато те
скок до ново равновесно положение).
Термично разширение на тел.
Топлинното движение на молекулите обяснява явлението топлинно разширение на телата. При
амплитуда на нагряване трептящо движениемолекулите се увеличават, което води до
увеличаване на размера на тялото.
Линейно разширение на твърди тела при нагряване.
Линейното разширение на твърдо тяло се описва с формулата: L=L0(1+at) , където a е коефициентът на линейно разширение ~10^-5 K^-1.
Обемно термично разширение на твърди тела и течности.
Обемното разширение на телата се описва с подобна формула: V = V0(1+Bt), B е коефициентът на обемно разширение, а B=3a.
Преходи между агрегатни състояния.
Веществото може да бъде в твърдо, течно, газообразно състояние. Тези
състояния се наричат агрегатни състояния на материята. Веществото може да се движи от
едно състояние в друго. Характерна особеност на трансформацията на материята е
възможността за съществуване на устойчиви нехомогенни системи, когато веществото може
е в няколко агрегатни състояния едновременно. Когато се описват такива системи
използвайте по-широка концепция за фазата на материята. Например въглерод в твърдо вещество
агрегатно състояние може да бъде в две различни фази - диамант и графит. фаза
нарича съвкупността от всички части на системата, които при липса на външен
въздействието е физически хомогенно. Ако няколко фази на дадено вещество при даден
температура и налягане съществуват в контакт един с друг, и в същото време масата на един
фаза не нараства поради намаляване на другата, тогава се говори за фазово равновесие.
Топлина на фазов преход.
Топлина на фазов преход- количеството топлина, което трябва да се предаде на веществото (или да се отнеме от него) по време на равновесния изобарно-изотермичен преход на веществото от една фаза в друга (фазов преход от първи вид - кипене, топене, кристализация, полиморфна трансформация, и т.н.).
За фазовите преходи от втория вид топлината на фазовата трансформация е нула.
Равновесният фазов преход при дадено налягане възниква при постоянна температура - температурата на фазовия преход. Топлината на фазов преход е равна на произведението от температурата на фазовия преход и разликата в ентропията в двете фази, между които се извършва преходът.
Фазов баланс.
Топлинно движение на молекулите.
Най-убедителният факт е Брауновото движение на молекулите. Брауновото движение на молекулите потвърждава хаотичността на топлинното движение и зависимостта на интензивността на това движение от температурата. За първи път произволното движение на малки твърди частици е наблюдавано от английския ботаник Р. Браун през 1827 г., изследвайки твърди частици, суспендирани във вода - спори на клубен мъх. Обърнете внимание на учениците към факта, че движението на споровете се извършва по прави линии, които съставляват прекъсната линия. Оттогава движението на частиците в течност или газ се нарича Брауново. Проведете стандартен демонстрационен експеримент „Наблюдение на брауновото движение“, като използвате кръгла кутия с две чаши.
Чрез промяна на температурата на течност или газ, например чрез повишаването й, може да се увеличи интензивността на брауновото движение. Браунова частица се движи под въздействието на молекулярни удари. Обяснението за брауновото движение на частица е, че ударите на молекули течност или газ върху частицата не се компенсират взаимно. Количествената теория на Брауновото движение е разработена от Алберт Айнщайн през 1905 г. Айнщайн показа, че средният квадрат на изместването на браунова частица е пропорционален на температурата на средата, зависи от формата и размера на частицата и е право пропорционален на времето за наблюдение. Френският физик Ж. Перин провежда серия от експерименти, които количествено потвърждават теорията за Брауновото движение.
Изчисляване на броя на ударите върху съдовата стена.Да разгледаме идеален едноатомен газ в равновесие в съд с обем V. Нека отделим молекули със скорост от v до v + dv. Тогава броят на молекулите, движещи се по посока на ъглите и с тези скорости ще бъде равен на:
dN v,, = dN v d/4. (14.8)
Нека отделим елементарна повърхност с площ dP., която ще приемем за част от стената на съда. За единица време тази област ще бъде достигната от молекули, затворени в наклонен цилиндър с основа dП и височина v cos (виж фиг. 14.3). Броят на пресичанията на избраната повърхност от избраните от нас молекули (броят удари върху стената) за единица време d v,, ще бъде равен на произведението на концентрацията на молекулите и обема на тази наклонена цилиндър:
d v,, = dП v cos dN v,, /V, (14.9)
където V е обемът на съда, съдържащ газа.
Интегрирайки израз (14.9) върху ъглите в рамките на телесния ъгъл 2, което съответства на изменение на ъглите и в диапазона съответно от 0 до /2 и от 0 до 2, получаваме формула за изчисляване на общия брой удари на молекули със скорости от v до v + dv срещу стената.
Интегрирайки израза за всички скорости, получаваме, че броят на ударите на молекули върху стена с площ dP за единица време ще бъде равен на:
. (14.11)
Като се има предвид определението Средната скоростполучаваме, че броят на ударите на молекули върху стена с единица площ за единица време ще бъде равен на:
= N/V
Разпределението на Болцман, т.е. разпределението на частиците във външно потенциално поле, може да се използва за определяне на константите, използвани в молекулярна физика. Един от най-важните и известни експерименти в тази област е работата на Перин върху числото на Авогадро. Тъй като газовите молекули не се виждат дори през микроскоп, в експеримента са използвани много по-големи Браунови частици. Тези частици бяха поставени в разтвор, в който върху тях действаше подемна сила. В този случай силата на гравитацията, действаща върху брауновите частици, намалява и по този начин разпределението на частиците по височина изглежда се разтяга. Това даде възможност да се наблюдава това разпределение под микроскоп.
Една от трудностите беше да се получат суспендирани частици с точно същия размер и форма. Перин използва частици дъвка и мастика. Втриване на гумигут във вода. Перин получава ярко жълта емулсия, в която при наблюдение под микроскоп могат да се разграничат множество сферични гранули. Вместо механично смилане, Perrin също третира дъвка или мастика с алкохол, който разтваря тези вещества. Когато такъв разтвор се разрежда с голямо количество вода, се получава емулсия от същите сферични зърна, както при механично смилане на дъвка. За да избере зърна с абсолютно еднакъв размер, Перин подлага суспендирани във вода частици на многократно центрофугиране и по този начин получава много хомогенна емулсия, състояща се от сферични частици с радиус от порядъка на микрометър. Обработвайки 1 кг гумигут, Перин след няколко месеца получава фракция, съдържаща няколко дециграма зърна с желания размер. С тази фракция бяха проведени описаните тук експерименти.
При изследване на емулсията е необходимо да се правят измервания при незначителни разлики във височината - само няколко стотни от милиметъра. Следователно разпределението на частиците по височина е изследвано с помощта на микроскоп. Много тънко стъкло с широк отвор, пробит в него, беше залепено към предметно стъкло (показано на фигурата). По този начин се получава плоска баня (кювета на Zeiss (1816-1886)), чиято височина е около 100 µm (0,1 mm). Капка емулсия се поставя в центъра на ваната, която веднага се изравнява с покривно стъкло. За да се избегне изпаряването, ръбовете на покривното стъкло се покриват с парафин или лак. След това лекарството може да се наблюдава няколко дни или дори седмици. Препаратът се поставя върху предмета на микроскопа, внимателно поставен в хоризонтално положение. Лещата беше с много голямо увеличение с плитка дълбочина на фокуса, така че само частици в много тънък хоризонтален слой с дебелина от порядъка на микрометър можеха да се видят наведнъж. Частиците извършиха интензивно Брауново движение. Чрез фокусиране на микроскопа върху определена хоризонтален слойемулсия, беше възможно да се преброи броят на частиците в този слой. След това микроскопът беше фокусиран върху друг слой и отново беше преброен броят на видимите Браунови частици. По този начин беше възможно да се определи съотношението на концентрациите на брауновите частици на различни височини. Разликата във височината се измерва с микрометърен винт на микроскопа.
Сега нека да преминем към конкретни изчисления. Тъй като брауновите частици са в полето на гравитацията и Архимед, потенциалната енергия на такава частица
В тази формула p е плътността на дъвката, p е плътността на течността, V е обемът на частицата дъвка. Референтната точка за потенциалната енергия е избрана в долната част на клетката, т.е. при h = 0. Записваме разпределението на Болцман за такова поле във формата
n(h) = n0e kT = n0e kT. Спомнете си, че n е броят на частиците на единица обем на височина h, а n0 е броят на частиците на единица обем на височина h = 0.
Броят на топките AN, видими през микроскопа на височина h, е равен на n(h)SAh, където S е площта на видимата част на емулсията, а Ah е дълбочината на рязкост на микроскопа (в експеримента на Перин , тази стойност беше 1 μm). След това записваме отношението на броя на частиците на две височини h1 и h2, както следва:
AN1 = ((p-p") Vg(h2 _ h1) - експ
Изчислявайки логаритъма на двете страни на уравнението и извършвайки прости изчисления, получаваме стойността на константата на Болцман и след това числото на Авогадро:
k(p_p")Vg(h2 _ h1)
При работа в различни условияи с различни емулсии Перин получава стойности за константата на Авогадро, вариращи от 6,5 1023 до 7,2 1023 mol-1. Това беше едно от преките доказателства за молекулярно-кинетичната теория, в чиято валидност по това време не всички учени вярваха.
Средна енергия на молекулите.
Тема: Сили на междумолекулно взаимодействие. Агрегат
състояние на материята. Природата на топлинното движение на молекулите в твърдо вещество,
течни и газообразни тела и изменението му с повишаване на температурата.
Термично разширение на тел. Фазови преходи. Топлинна фаза
преходи. Фазов баланс.
Междумолекулното взаимодействие е електрическо по природа. Между тях
действат сили на привличане и отблъскване, които бързо намаляват с увеличаване
разстояния между молекулите.
Силите на отблъскване действат само на много малки разстояния.
На практика поведението на дадено вещество и неговото агрегатно състояние се определя от това, което е доминиращо: привличащите сили или хаотичното топлинно движение.
Твърдите тела са доминирани от сили на взаимодействие, така че те запазват формата си. Силите на взаимодействие зависят от формата и структурата на молекулите, така че няма единен закон за тяхното изчисляване.
Ако обаче си представим, че молекулите имат сферична форма - общ характерзависимостта на силите на взаимодействие от разстоянието между молекулите –r е показана на фигура 1-а. Фигура 1-б показва зависимостта на потенциалната енергия на взаимодействието на молекулите от разстоянието между тях. На определено разстояние r0 (различно е за различните вещества) Fattract.= Fretract. Потенциалната енергия е минимална, при rr0 преобладават отблъскващите сили, а при rr0 е обратното.
Фигура 1-c показва прехода на кинетичната енергия на молекулите в потенциална енергия по време на тяхното топлинно движение (например вибрации). Във всички фигури началото на координатите е подравнено с центъра на една от молекулите. Доближавайки се до друга молекула, нейната кинетична енергия преминава в потенциална и достига максималната си стойност на разстояния r=d. d се нарича ефективен диаметър на молекулите (минималното разстояние, на което се доближават центровете на две молекули.
Ясно е, че ефективният диаметър зависи, наред с други неща, от температурата, тъй като при по-висока температура молекулите могат да се доближат една до друга.
При ниски температури, когато кинетичната енергия на молекулите е малка, те се привличат близо и се установяват в определен ред - твърдо агрегатно състояние.
Топлинното движение в твърдите тела е предимно осцилаторно. При високи температури интензивното топлинно движение пречи на молекулите да се приближават една към друга - газообразното състояние, движението на молекулите е постъпателно и ротационно .. В газовете по-малко от 1% от обема пада върху обема на самите молекули. При междинни температури молекулите непрекъснато ще се движат в пространството, разменяйки местата си, но разстоянието между тях не е много по-голямо от d - течност. Естеството на движението на молекулите в течността е осцилаторно и транслационно (в момента, когато те скачат до ново равновесно положение).
Топлинното движение на молекулите обяснява явлението топлинно разширение на телата. При нагряване амплитудата на вибрационното движение на молекулите се увеличава, което води до увеличаване на размера на телата.
Линейното разширение на твърдо тяло се описва с формулата:
l l 0 (1 t), където е коефициентът на линейно разширение 10-5 K-1. Обемното разширение на телата се описва с подобна формула: V V0 (1 t), е коефициентът на обемно разширение и =3.
Веществото може да бъде в твърдо, течно, газообразно състояние. Тези състояния се наричат агрегатни състояния на материята. Материята може да преминава от едно състояние в друго. Характерна особеност на трансформацията на веществото е възможността за съществуване на стабилни нехомогенни системи, когато веществото може да бъде в няколко агрегатни състояния наведнъж.
Когато се описват такива системи, се използва по-широка концепция за фазата на материята. Например въглеродът в твърдо агрегатно състояние може да бъде в две различни фази - диамант и графит. Фазата е съвкупността от всички части на системата, която при липса на външно влияние е физически хомогенна. Ако съществуват няколко фази на дадено вещество при дадена температура и налягане, които са в контакт една с друга и в същото време масата на една фаза не се увеличава поради намаляване на другата, тогава те говорят за фазово равновесие.
Преминаването на веществото от една фаза в друга се нарича фазов преход. По време на фазовия преход настъпва рязка (настъпваща в тесен температурен диапазон) качествена промяна в свойствата на веществото. Тези преходи са придружени от рязка промяна в енергията, плътността и други параметри. Има фазови преходи от първи и втори ред. Фазовите преходи от първи вид включват топене, втвърдяване (кристализация), изпаряване, кондензация и сублимация (изпаряване от повърхността на твърдо тяло). Фазовите преходи от този вид винаги са свързани с отделянето или поглъщането на топлина, т.нар латентна топлинафазов преход.
По време на фазовите преходи от втория вид няма рязка промяна в енергията и плътността. Топлината на фазовия преход също е равна на 0. Трансформациите по време на такива преходи се случват незабавно в целия обем в резултат на промяна кристална решеткапри определена температура, наречена точка на Кюри.
Да разгледаме преход от първи вид. Когато тялото се нагрява, както беше отбелязано, има топлинно разширение на тялото и, като следствие, намаляване на потенциалната енергия на взаимодействие на частиците. Възниква ситуация, когато при определена температура връзката между потенциалната и кинетичната енергия не може да осигури равновесието на старото фазово състояние и веществото преминава в нова фаза.
Топенето е преходът от кристално състояние към течно състояние. Q=m, специфична топлинатопене, показва колко топлина е необходима за пренасяне на 1 кг твърдов течност при точката на топене, измерена в J / kg. По време на кристализацията отделеното количество топлина се изчислява по същата формула. Топенето и кристализацията се случват при определена температура за дадено вещество, наречена точка на топене.
Изпарение. Молекулите в течността са свързани чрез привличащи сили, но някои от най-бързите молекули могат да напуснат обема на течността. В този случай средната кинетична енергия на останалите молекули намалява и течността се охлажда. За поддържане на изпарението е необходимо да се доставя топлина: Q=rm, r е специфичната топлина на изпарение, която показва колко топлина трябва да се изразходва, за да се преведе 1 kg течност в газообразно състояние при постоянна температура.
Единица: J/kg. По време на кондензацията се отделя топлина.
Калоричността на горивото се изчислява по формулата: Q=qm.
При условия на механично и топлинно равновесие състоянията на нехомогенните системи се определят от зададеното налягане и температура, тъй като тези параметри са еднакви за всяка част от системата. Опитът показва, че когато две фази са в равновесие, налягането и температурата са свързани помежду си чрез зависимост, която е крива на фазовото равновесие.
Точките, лежащи на кривата, описват нехомогенна система, в която има две фази. Точките, разположени вътре в областите, описват хомогенни състояния на материята.
Ако кривите на всички фазови равновесия на едно вещество са изградени в равнина, тогава те ще го разделят на отделни области, а самите те ще се сближат в една точка, която се нарича тройна точка. Тази точка описва състоянието на материята, в което и трите фази могат да съществуват едновременно. На фигура 2 са изградени диаграми на състоянието на водата.
Прочетете също:
|
Един от най-важните параметри, характеризиращи една молекула, е минималната потенциална енергия на взаимодействие , Силите на привличане, действащи между молекулите, са склонни да кондензират веществото, т.е. r 0, когато тяхната потенциална енергия на взаимодействие е минимална и равна, но този подход е възпрепятстван от хаотичното топлинно движение на молекулите. Интензивността на това движение се определя от средната кинетична енергия на молекулата, която е от порядъка kT, където ке константата на Болцман. Агрегатни състояниявещества значително зависят от съотношението на количествата и kT.
Да приемем, че температурата на разглежданата система от молекули е толкова висока, че
kT>> В този случай интензивното хаотично топлинно движение пречи на силите на привличане да свържат молекулите в агрегати от няколко частици, които са се приближили на разстояние r 0: по време на сблъсъци голямата кинетична енергия на молекулите лесно ще разбие тези агрегати на съставни молекули и по този начин вероятността за образуване на стабилни агрегати ще бъде произволно малка. При тези обстоятелства въпросните молекули очевидно ще бъдат в газообразно състояние.
Ако температурата на системата от частици е много ниска, т.е. kT << молекулам, действующими силами притяжения, тепловое движение не может помешать приблизиться друг к другу на расстояние близкое к r 0 в определен ред. В този случай системата от частици ще бъде в твърдо състояние и малката кинетична енергия на топлинното движение ще принуди молекулите да правят произволни малки вибрации около определени равновесни позиции (възли на кристална решетка).
И накрая, при температурата на системата от частици, определена от приблизителното равенство kT≈ кинетичната енергия на топлинното движение на молекулите, чиято стойност е приблизително равна на потенциалната енергия на привличане, няма да може да премести молекулата на разстояние, значително надвишаващо r 0 . При тези условия веществото ще бъде в течно агрегатно състояние.
Така едно вещество, в зависимост от неговата температура и размера на съставните му молекули, ще бъде в газообразно, твърдо или течно състояние.
При нормални условия разстоянието между молекулите в газа е десетки пъти (вижте пример 1.1) по-голямо от техния размер; през повечето време те се движат праволинейно без взаимодействие и само много по-малка част от времето, когато са на близки разстояния от други молекули, взаимодействат с тях, променяйки посоката на движението си. По този начин в газообразно състояние движението на молекулата изглежда така, както е показано схематично на фиг. 7, а.
В твърдо състояние всяка молекула (атом) на веществото е в равновесно положение (възел на кристалната решетка), близо до което прави малки вибрации, а посоката (напр. аа"на фиг. 7, b) и амплитудата на тези трептения произволно се променя (например в посока бб") след време много по-дълго от периода на тези трептения; вибрационните честоти на молекулите в общия случай не са еднакви. Вибрациите на отделна молекула на твърдо тяло са показани в общи линии на фиг. 7, b.
Молекулите на твърдото вещество са опаковани толкова плътно, че разстоянието между тях е приблизително равно на диаметъра им, т.е. разстояние r 0 на фиг. 3. Известно е, че плътността на течното състояние е приблизително с 10% по-малка от плътността на твърдото състояние при равни други условия. Следователно разстоянието между молекулите на течното състояние е малко по-голямо r 0 . Като се има предвид, че в течно състояние молекулите имат и по-голяма кинетична енергия на топлинно движение, следва да се очаква, че за разлика от твърдото състояние, те могат лесно да променят местоположението си, извършвайки осцилаторно движение, движейки се на разстояние, което не надвишава значително диаметъра на молекулата. Траекторията на движение на течна молекула изглежда приблизително като тази, показана схематично на фиг. 7, в. По този начин движението на молекула в течност съчетава транслационно движение, както се случва в газ, с осцилаторно движение, което се наблюдава в твърдо тяло.
