Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

Массу одного моля называют молярной массой и обозначают М

М= Мr * 1 г/моль

Единица молярной массы – кг/моль

Отношение числа молекул к количеству вещества называется постоянной Авогадро:

NA =

Постоянная Авогадро:

NA = 6.022*1023 моль-1

Она показывает, сколько атомов или молекул содержится в одном моле вещества.

Постоянная Авогадро одинакова для всех веществ, т.е. моль любого вещества содержит одинаковое число атомов (или молекул)

Постоянная Авогадро впервые была вычислена Перреном при опытах по изучению броуновского движения частиц.

Количество вещества можно найти как отношение числа атомов или молекул вещества к постоянной Авогадро:

υ =

Молярной массой называется величина, равная отношению массы вещества к количеству вещества:

M =

Молярную массу можно выразить через массу молекулы:

M = m0NA

Для определения массы молекул нужно разделить массу вещества на число молекул в нем:

m0 = = =

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОЛЕКУЛ

Молекула – сложная система, состоящая из большого числа отдельных заряженных частиц. Хотя в целом молекулы электрически нейтральны, на малых расстояниях действуют значительные электрические силы взаимного притяжения электронов и атомных ядер соседних молекул.

Силы между электрически нейтральными молекулами являются короткодействующими.

На очень малых расстояниях, когда электронные оболочки атомов начинают перекрываться, между молекулами возникают значительные силы отталкивания.

МОДЕЛИ ГАЗА, ЖИДКОСТИ И ТВЕРДОГО ТЕЛА(уч.10кл.стр.218-224)

Виды агрегатного состояния вещества

Агрегатные переходы

Твердое тело. Определение и свойства

Жидкое тело. Определение и свойства

Газообразное тело. Определение и свойства. Кинетическая энергия молекул (уч.10кл.стр.223)

Плазма. Определение и свойства (уч.10кл.стр.224)

Энергия молекул при переходах (см.ниже уч.10кл.)

Взаимное расположение, характер движений и взаимодействие молекул вещества, существенно зависящие от внешних условий, характеризуют его агрегатное состояние.

Различают четыре агрегатных состояния вещества:

- твердое

- жидкое

- газообразное

- плазменное

Фазовый переход – переход системы из одного агрегатного состояния в другое.

При фазовом переходе скачкообразно изменяется какая-либо физическая величина или симметрия системы.

Реализация того или иного агрегатного состояния вещества зависит от соотношения кинетической и потенциальной энергии молекул, входящих в его состав.

Твердое тело

Вещество находится в твердом состоянии, если средняя потенциальная энергия притяжения молекул много больше их средней кинетической энергии.

Молекулы в твердом теле располагаются упорядочено и плотно заполняют пространство.

Значительная потенциальная энергия взаимодействия препятствует изменению среднего расстояния между атомами (молекулами). Следствие – сохранение формы и объема.

При деформации в твердом теле возникают силы, стремящиеся восстановить его форму.

Жидкость

Вещество находится в жидком состоянии, если средняя кинетическая энергия молекул соизмерима со средней потенциальной энергией их притяжения.

Молекулы в жидкости расположены почти вплотную друг к другу и совершают колебания около положений равновесия, иногда перескакивая из одного положения в другое, сталкиваясь с соседними молекулами.

При повышении температуры время «оседлой» жизни молекул жидкости уменьшается.

Рост кинетической энергии молекул приводит к увеличению амплитуды их колебаний. Молекулы могут перескакивать из одного равновесного состояния в другое.

Относительные положения молекул в жидкости не фиксированы.

Жидкости текучи и не сохраняют своей формы.

Текучесть жидкости объясняется тем, что перескоки молекул из одного положения равновесия в другое происходят преимущественно в направлении действия внешней силы.

Сжимаемость жидкости не велика и мало отличается от сжимаемости твердых тел из-за малого расстояния между молекулами.

Газ

Вещество находится в газообразном состоянии, если средняя кинетическая энергия молекул превышает их среднюю потенциальную энергию.

Расстояние между атомами или молекулами в газе во много раз больше размеров самих молекул.

Газ может неограниченно расширяться в пространстве, так как силы притяжения между молекулами незначительны. Газы не сохраняют ни формы ни объема.

Высокая сжимаемость газа объясняется большим межмолекулярным расстоянием.

При сжатии газа его плотность возрастает, расстояния между молекулами уменьшаются.

Для описания свойств газа используют модель идеального газа.

Плазма

При нагревании газа скорость его молекул возрастает на столько, что столкновения перестают быть упругими. Кинетическая энергия оказывается достаточной не только для деформации электронных оболочек атомов, но и для выбивания валентных электронов.

X + X Þ X + X+ + e-

Ионизация – процесс образования ионов из атомов.

Ионизация возможна и при столкновении различных частиц.

В результате неупругих столкновений качественно меняется состав газа: наряду с электронейтральными атомами появляются заряженные частицы.

(Суммарный электрический заряд при этом остается постоянным)

Плазма – электронейтральная совокупность нейтральных и заряженных частиц.

Плазма, состоящая из нейтральных атомов, ионов и электронов, называется трехкомпонентной.

Реальная плазма – многокомпонентная.

Характерные свойства плазмы проявляются при наличии электрического или магнитного полей.

Плазма используется в газоразрядных лампах. Ее много в космосе (до 99%)

Солнечный ветер – поток плазмы, испускаемой Солнцем.

Модель теплового движения частиц в различных агрегатных состояниях вещества:

- твердое тело – частицы колеблются около положений равновесия, взаимодействуя с ближайшими соседями

- жидкость – частицы колеблются в большей области, положения равновесия подвижны

- газ – атомы (молекулы) движутся по прямолинейным траекториям, столкновения изменяют направления движения.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое сопровождается изменением его молекулярной структуры.

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ (уч.10кл.стр.284-285)

Теория тепловых процессов, в которой не учитывается молекулярное строение тел, называется термодинамикой.

Термодинамика – теория наиболее общих энергетических превращений макроскопических систем.

Внутренняя энергия тела – сумма кинетической энергии хаотического движения его частиц (атомов, молекул) и потенциальной энергией их взаимодействия

Внутренняя энергия идеального газа

U = RT = pV

Число степеней свободы i - число возможных независимых направлений движения молекулы.

Внутренняя энергия замкнутой теплоизолированной системы сохраняется.

Изменение внутренней энергии возможно в результате теплообмена и работы внешних сил.

Теплообмен – процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы

Количество теплоты, получаемое телом – энергия, передаваемая телу извне в результате теплообмена.

Работа совершаемая газом

A = p∆V

При расширении ∆V>0, при сжатии ∆V<0

Первый закон термодинамики – количество теплоты, подведенное в к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы

Q = ∆U + A

Первый закон термодинамики при изопроцессах

- изохорный процесс Q = ∆U

- изотермический процесс Q = A

- изобарный процесс Q = ∆U + A

- адиабатный процесс A = - ∆U

Адиабатный процесс – термодинамический процесс в теплоизолированной системе (Q=0)

Тепловые двигатели – устройства, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Наличие нагревателя и холодильника – необходимые условия для непрерывной работы теплового двигателя.

Замкнутый цикл – совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние.

Для циклического процесса требуется сжатие газа, которое не может происходить самопроизвольно. Необходимое уменьшение объема газа возможно при его охлаждении.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя – отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному от нагревателя

η =

Цикл Карно – цикл работы теплового двигателя, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов.

В цикле Карно исключена теплопередача без совершения работы, поэтому его КПД максимален

ηmax = =

Т1 – температура нагревателя, Т2 – температура холодильника

Второй закон термодинамики:

в циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, полученной от нагревателя, в механическую работу.

Второй закон термодинамики – следствие необратимости тепловых процессов.

Необратимый процесс – процесс, обратный которому самопроизвольно не происходит.

Второй закон термодинамики определяет статистическую направленность изменения состояния системы, состоящий из большого числа частиц.

Статистическая формулировка второго закона термодинамики:

замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное (или из менее вероятного в более вероятное состояние)

ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ
ТЕМПЕРАТУРА И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ(уч.10кл.стр.239-241)

Равновесное стационарное состояние газа (уч.10кл.стр.239)

Температура – определение

Единица термодинамической температуры – Кельвин

Абсолютный нуль.

Абсолютная температурная шкала

Шкалы Цельсия и Фаренгейта.

Соотношения шкал

ДОБАВИТЬ ПРО ТЕРМОМЕТРЫ

Скорость теплового движения молекул

Молярная газовая постоянная

Основное уравнение МКТ для идеального газа устанавливает связь легко измеряемого макроскопического параметра – давления – с такими микроскопическими параметрами газа, как средняя кинетическая энергия и концентрация молекул. Но, измерив только давление, мы не можем узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужны измерения еще какой-то физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул.

Такой величиной является температура.

В результате большого числа столкновений между молекулами газа устанавливается стационарное равновесное состояние – состояние, при котором число молекул в заданном интервале скоростей остается постоянным.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.

Тепловое равновесие – это такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными.

Температура характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

Температура — скалярная физическая величина, описывающая состояние термодинамического равновесия (состояния, при котором не происходит изменения микроскопических параметров).

Как термодинамическая величина температура характеризует тепловое состояние системы и измеряется степенью его отклонения от принятого за нулевое, как молекулярно-кинетическая величина характеризует интенсивность хаотического движения молекул и измеряется их средней кинетической энергией.

Для измерения температуры можно воспользоваться изменением любой макроскопической величины в зависимости от температуры: объема, давления, электрического сопротивления и т.д.

Чаще всего на практике используют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры.

При градуировке термометра обычно за начало отсчета (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении (шкала Цельсия).

Так как различные жидкости расширяются при нагревании неодинаково, то установленная таким образом шкала будет до некоторой степени зависеть от свойств данной жидкости.

Конечно, 0 и 100°С будут совпадать у всех термометров, но 50°С совпадать не будут.

В отличие от жидкостей все разреженные газы расширяются при нагревании одинаково и одинаково меняют свое давление при изменении температуры. Поэтому в физике для установления рациональной температурной шкалы используют изменение давления определенного количества разреженного газа при постоянном объеме или изменение объема газа при постоянном давлении.

Такую шкалу иногда называют идеальной газовой шкалой температур.

При тепловом равновесии средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул всех газов одинакова. Давление прямо пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул: p = n

При тепловом равновесии, если давление газа данной массы и его объем фиксированы, средняя кинетическая энергия молекул газа должна иметь строго определенное значение, как и температура. Т.к. n = , то p = или = .

Обозначим = Θ.

Величина Θ растет с повышением температуры и ни от чего, кроме температуры не зависит. Следовательно, ее можно считать естественной мерой температуры.

Важнейшим макроскопическим параметром, характеризующим стационарное равновесное состояние любого тела, является температура.

Температура – мера средней кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул. тела.

Средняя кинетическая энергия хаотического поступательного движения молекул пропорциональна термодинамической (или абсолютной температуре):

= kT

k = 1,38*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана

Постоянная Больцмана является коэффициентом, переводящим температуру из градусной меры (К) в энергетическую (Дж) и обратно.

Она связывает температуру в Θ в энергетических единицах (Дж) с температурой Т в Кельвинах.

Единица термодинамической температуры – К (Кельвин)

1 К = 1оС

Кинетическая энергия не может быть отрицательной. Следовательно не может быть отрицательной и термодинамическая температура. Она обращается в нуль, когда кинетическая энергия молекул становится равной нулю.

Абсолютный нуль (0К) – температура, при которой должно прекратиться движение молекул.

Для оценки скорости теплового движения молекул в газе рассчитаем средний квадрат скорости:

= = =

Произведение kNa = R = 8,31 Дж/(моль*К) называется молярной газовой постоянной

Средняя квадратичная скорость молекул:

vср.кв. = =

Эта скорость близка по значению к средней и наиболее вероятной скорости и дает представление о скорости теплового движения молекул в идеальном газе.

При одинаковой температуре скорость теплового движения молекул газа тем выше, чем ниже его М.

Шкала Цельсия – опорная точка – температура таяния льда 0оС, температура кипения воды – 100оС

Шкала Кельвина - опорная точка – абсолютный нуль – 0оК (-273,15оС)

tоК = tоС -273

Шкала Фаренгейта – опорная точка – наименьшая температура, которую Фаренгейту удалось получить из смеси воды, льда и морской соли – 0оF , верхняя опорная точка – температура тела человека - 96 оF УТОЧНИТЬ

АБСОЛЮТНАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА(уч.10кл.стр.239-241)

Температура См.выше (уч.10кл.стр.239-241)

Обозначим = Θ.

Будем считать величину Θ, измеряемую в энергетических единицах, прямо пропорциональной температуре , выражаемой в градусах:

Θ = kT

где k - коэффициент пропорциональности.

Постоянная Больцмана k = 1,38*10-23 Дж/К (в честь австрийского физика Л.Больцмана)

Она связывает температуру в Θ в энергетических единицах (Дж) с температурой Т в Кельвинах.

Можно считать величину Θ прямо пропорциональной температуре Т (что подтверждается опытами):

Θ = kT Þ = kT .

Определенная таким образом температура называется абсолютной.

На основании формулы вводится температурная шкала не зависящая от характера вещества, используемого для измерения температуры.

Температура, определяемая этой формулой, не может быть отрицательной. Следовательно, наименьшим возможным значением температуры является 0, если давление или объем равны нулю.

Предельную температуру, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объеме или объем идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении, называют абсолютным нулем температуры.

Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур.

Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия.

Единица абсолютной температуры в СИ называется Кельвином °К.

До введения абсолютной шкалы температур в практике широкое распространение получила шкала Цельсия (за 0°С принята точка замерзания воды, за 100 °С принята точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении).

В шкале Кельвина за ноль принят абсолютный ноль температур, т. е. температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме равно нулю.

Вычисления дают результат, что абсолютный ноль температуры равен -273 °С.

Таким образом, связь между абсолютной шкалой температур и шкалой Цельсия:

Т°К = t°С + 273.

Абсолютный ноль температур недостижим, так как любое охлаждение основано на испарении молекул с поверхности, а при приближении к абсолютному нулю скорость поступательного движения молекул настолько замедляется, что испарение практически прекращается.

Теоретически при абсолютном нуле скорость поступательного движения молекул равна нулю, т. е. прекращается тепловое движение молекул:

= kT.

Следовательно, абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии движения молекул.

= kT Þ p = ; n = Þ p = nkT

(n = N/V – концентрация молекул в данном объеме)

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ (уч.10кл.стр.239-243, 261-264, уч.8кл.стр.5-9)

Понятие внутренней энергии

Способы изменения внутренней энергии

(Определение температуры как меры кинетической энергии. Формула

Постоянная Больцмана, ее смысл и единицы измерения

Абсолютный нуль температуры и энергия молекул при нем

Скорость теплового движения молекул

Молярная газовая постоянная. Смысл и единицы измерения

Средняя квадратичная скорость молекул)

Внутренняя энергия идеального газа (уч.10кл.стр.261) Определение

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49