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

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

При одинаковых температурах двух тел между ними не происходит теплообмена.

Разность температур тел указывает на направление теплообмена между ними.

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. концентрация молекул в объеме газа 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.

Отношение произведения давления газа на его объем к числу молекул при одинаковой температуре одинаково практически для всех разряженных газов (близких по свойствам к идеальному газу):

= Θ ≈ const

При высоких давлениях соотношение нарушается.

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.

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

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

Из основного уравнения МКТ в форме =  и определения температуры в форме = kT следует важнейшее следствие :

Абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии движения молекул.

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

= , = kT Þ  = kT Þ == kT

Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы.

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

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

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:

== kT Þ = = =

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. (При 0оС скорость молекул составляет несколько сот м/с)

При одинаковых давлениях и температурах концентрация молекул всех газов одна и та же:

= kT Þ p = nkT , где n = N/V – концентрация молекул в данном объеме

Отсюда следует закон Авогадро:

в равных объемах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое количество молекул.

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

УРАВНЕНИЕ КЛАЙПЕРОНА-МЕНДЕЛЕЕВА(уч.10кл.стр.248-251)

(Уравнение состояния идеального газа)

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа(уч.10кл.стр.247-248)

Переход от микроскопических параметров газа к макроскопическим

Постоянная Лошмидта – смысл и единицы измерения

Среднее расстояние между частицами идеального газа

Уравнение состояния идеального газа – Клайперона-Менделеева

Универсальная газовая постоянная

Физический смысл уравнения Клайперона-Менделеева

p = n - основное уравнение МКТ идеального газа

 -средняя кинетическая энергия молекул

 = = - средний квадрат скорости молекулы

Из вышеперечисленных соотношений получаем:

p = nkT

Это соотношение позволяет по двум известным макроскопическим параметрам (давлению и температуре) оценить микроскопический параметр (концентрацию молекул)

Найдем концентрацию молекул любого идеального газа при нормальных условиях:

- атмосферное давление p =1,01*105 Па

- температура 0оС (или Т = 273оК)

n =  ≈ 2,7*1025 м-3

Это значение концентрации молекул идеального газа при нормальных условиях называют

постоянной Лошмидта

На основе зависимости давления газа от концентрации его молекул и температуры можно получить уравнение, связывающее все три макроскопических параметра: давление, объем и температуру - характеризующие состояние данной массы достаточно разреженного газа. Это уравнение называют уравнением состояния идеального газа.

Первый вариант вывода уравнения состояния идеального газа:

Или второй вариант вывода уравнения состояния идеального газа:

Þ pV = NkT =  NkT = (kNA) T = RT

V – объем занимаемый газом

N – число частиц газа в объеме V ( N = NA)

Nma – масса газа

M = maNA – молярная масса (часто обозначают как « μ » )

k – постоянная Больцмана

R = kNA = 8,31 Дж/(моль*К) - универсальная газовая постоянная

Уравнение Клайперона-Менделеева – уравнение состояния идеального газа, связывающее три макроскопических параметра (давление, объем и температуру) данной массы газа:

pV = RT

R = kNA = 8,31 Дж/(моль*К) - универсальная газовая постоянная

(произведение постоянной Больцмана на число Авогадро)

Уравнение Клайперона-Менделеева справедливо для газа любого химического состава.

От природы газа зависит только его молярная масса.

Состояние данной массы газа однозначно определяется заданием любых из двух параметров (p, V, T)

С помощью уравнения можно описать процессы сжатия, расширения, нагревание и охлаждения идеального газа.

Уравнение Клапейрона:

R = const для данной массы газа, следовательно:

 =

УНИВЕРСАЛЬНАЯ ГАЗОВАЯ ПОСТОЯННАЯ(уч.10кл.стр.251- )

Уравнение Клайперона-Менделеева (см.выше уч.10кл.стр.248-251)

Молярная газовая постоянная. Смысл. Единицы измерения

R = kNA = 8,31 Дж/(моль*К) - универсальная газовая или молярная газовая постоянная

(произведение постоянной Больцмана на число Авогадро)

V – объем занимаемый газом

N – число частиц газа в объеме V ( N = NA)

Nma – масса газа

M = maNA – молярная масса

k – постоянная Больцмана

Число Авогадро NА=6,022·1023 - число атомов содержащихся в одном моле –

Моль – количество вещества, в котором содержится столько же атомов и молекул, сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг.

ЖИДКОСТИ И ТВЕРДЫЕ ТЕЛА

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ (уч.10кл.стр.307-308, 321-322)

Фазовый переход из газообразного в жидкое состояние возможен, если средняя потенциальная энергия притяжения молекул превышает их среднюю кинетическую энергию.

Для этого температура газообразного состояния (пара) должна быть ниже некоторой критической температуры.

Критическая температура – максимальная температура, при которой пар можно превратить в жидкость.

Конденсация – явление перехода пара из газообразного состояния в жидкое.

Испарение – парообразование со свободной поверхности жидкости.

При испарении жидкость охлаждается, поэтому для поддержания постоянной температуры к ней нужно подводить количество теплоты, пропорциональное массе испаряющихся молекул

Qп = r m

r – удельная теплота парообразования Дж/кг

Единица количества теплоты Дж (Джоуль)

Количество теплоты, получаемое жидкостью при конденсации, равно количеству теплоты теряемому при ее испарении..

В термодинамическом равновесии число молекул пара, конденсирующихся за определенное время, равно числу молекул, испаряющихся с поверхности жидкости за это же время.

Насыщенный пар – пар, находящийся в термодинамическом равновесии со своей жидкостью.

Давление насыщенного пара при данной температуре – максимальное давление, которое может иметь пар над жидкостью при этой температуре.

Давление насыщенного пара возрастает при увеличении температуры жидкости.

Относительная влажность воздуха – процентное отношение концентрации водяного пара в воздухе к концентрации насыщенного пара при той же температуре.

Кипение – парообразование, происходящее Вов сем объеме жидкости при определенной температуре.

Температура кипения – температура, при которой давление насыщенного пара жидкости внутри пузырька начинает превосходить внешнее давление на жидкость.

Температура кипения жидкости зависит от внешнего давления и остается постоянной в процессе кипения.

Поверхностное натяжение – явление молекулярного давления на жидкость, вызванное притяжением молекул поверхностного слоя в к молекулам внутри жидкости.

Поверхностная энергия – дополнительная энергия молекул поверхностного слоя жидкости.

Сила поверхностного натяжения – сила, направленная по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно участку контура, ограничивающего поверхность, в сторону ее сокращения

Fпов = σ l

l – длина участка поверхностного слоя

σ – поверхностное натяжение Н/м

Единица поверхностного натяжения – Н/м

Смачивание – искривление поверхности жидкости у поверхности твердого тела в результате взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела.

Жидкость смачивает поверхность, если силы притяжения между молекулами жидкости меньше сил притяжения между молекулами жидкости и твердого тела.

Мениск – форма поверхности жидкости вблизи стенок сосуда.

Угол смачивания – угол между плоскостью, касательной к поверхности жидкости и стенкой сосуда.

Капиллярность – явление подъема или опускания жидкости в узких сосудах (капиллярах)

Высота подъема жидкости в капилляре обратно пропорциональна его радиусу

h =

σ – поверхностное натяжение Н/м

ρ – плотность жидкости

r – радиус капилляра

Плавление – фазовый переход из кристаллического (твердого) состояния в жидкое.

Плавление происходит при определенной температуре.

Количество теплоты, необходимое для плавления тела

Q = λm

λ – удельная теплота плавления Дж/кг

Кристаллизация – (затвердевание) фазовый переход вещества из жидкого состояния в кристаллическое (твердое)

Кристаллизация происходит в результате охлаждения жидкости при определенной температуре.

При кристаллизации жидкости происходит скачкообразный переход от неупорядоченного расположения частиц (в жидкости) к упорядоченному (в твердом теле)

При кристаллизации жидкости выделяется теплота

Q = - λm

λ – удельная теплота кристаллизации(плавления) Дж/кг

По структуре относительного расположения частиц твердые тела делятся на:

- кристаллические

- аморфные

- композиты

В кристаллическом состоянии существует периодичность в расположении атомов (дальний порядок)

Кристаллическая решетка – пространственная структура в регулярным периодически повторяющимся расположением частиц.

Узел кристаллической решетки – положение равновесия, относительно которого происходят тепловые колебания частиц.

Полиморфизм – существование различных кристаллических структур одного и того же вещества.

Кристаллическое тело может быть монокристаллом и поликристаллом.

Монокристалл – твердое тело, частицы которого образуют единую кристаллическую решетку.

Анизотропия – зависимость физических свойств вещества от направления.

Монокристаллы – анизотропны.

Поликристалл – твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов.

Изотропия – независимость физических свойств вещества от направления.

Поликристаллы – изотропны.

Аморфные тела – твердые тела, для которых характерно неупорядоченное расположение частиц в пространстве.

Композиты – твердые тела, в которых атомы располагаются упорядоченно в определенной области пространства, но этот порядок не повторяется с регулярной периодичностью.

Деформация – изменение формы и размера твердого тела под действием внешних сил.

Различают два вида деформации:

- упругая

- пластическая

Упругая деформация – деформация, исчезающая после прекращения действия внешней силы.

Пластическая деформация – деформация, сохраняющаяся после прекращения действия внешней силы.

Механическое напряжение – физическая величина, равная отношению силы упругости к площади поперечного сечения тела.

σ =

Единица измерения – Па (Паскаль)

Закон Гука:

при упругой деформации тела напряжение пропорционально относительному удлинению тела:

σ = Ee

e =  - относительное удлинение

Е – модуль Юнга (Па)

Предел упругости – максимальное напряжение в материале, при котором деформация еще является упругой.

Предел прочности – максимально напряжение, возникающее в теле до его разрушения.

ИСПАРЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ(уч.10кл.стр.286-289,290-291)

Условия перехода из газообразной фазы в жидкую через потенциальную и кинетическую энергию молекул

Физический смысл перехода. Формула через энергию и температуру

Определение пара

Определение критической температуры

Зависимость критической температуры от потенциальной энергии молекул газа

Влияние давления на переход газ-жидкость

Сжижение пара при изотермическом сжатии (на примере поршня)

Определение конденсации

Определение испарения

Определение насыщенного пара

График изотермы сжижения пара и физический смысл ее участков

Физика процесса испарения (уч.10кл.стр.290)

Понятие удельной теплоты испарения. Определение. Формула

Физика процесса конденсации.

Количество теплоты получаемое при конденсации

Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное состояние называется парообразованием, обратный процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией.

Испаряются и твердые тела, но очень медленно. Например, нафталин.

Существуют два вида парообразования - испарение и кипение.

Рассмотрим сначала испарение жидкости.

Явление превращения жидкости в пар называется парообразованием.

Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением.

Испарением называют процесс парообразования, происходящий с открытой поверхности жидкости при любой температуре.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории эти процессы объясняются следующим образом. Молекулы жидкости, участвуя в тепловом движении, непрерывно сталкиваются между собой. Это приводит к тому, что некоторые из них приобретают кинетическую энергию, достаточную для преодоления молекулярного притяжения. Такие молекулы, находясь у поверхности жидкости, вылетают из неё, образуя над жидкостью пар (газ).

Испарение происходит тем быстрее, чем выше ее температура.

Скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости

Одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс.

Эти два процесса вылета молекул жидкости и их обратное возвращение в жидкость происходят одновременно.

Если число вылетающих молекул больше числа возвращающихся, то происходит уменьшение массы жидкости - жидкость испаряется, если же наоборот, то количество жидкости увеличивается - наблюдается конденсация пара.

Возможен случай, когда массы жидкости и пара, нахо­дящегося над ней, не меняются. Это возможно, когда число молекул, по­кидающих жидкость, равно числу молекул, возвращающихся в неё.

Такое состояние называется динамическим равновесием, а пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Если же между паром и жидкостью нет динамического равновесия, то он называется ненасыщенным.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром.

Пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется ненасыщенным паром.

Насыщенный пар при данной температуре имеет определённую плотность, называемую равновесной.

Это обусловливает неиз­менность равновесной плотности, а следова­тельно, и давления насы­щенного пара от его объ­ёма при неизменной тем­пературе, поскольку уменьшение или увели­чение объёма этого пара приводит к конденсации пара или к испарению жидкости соответственно.

Изотерма насыщенного пара при некоторой температуре в координатной плоскости Р, V представляет собой прямую, параллельную оси V.

При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться.

При ветре, который уносит молекулы жидкости, испарение происходит быстрее, так как меньше молекул возвращается обратно в жидкость.

С повышением температуры термодина­мической системы жидкость - насыщенный пар число молекул, поки­дающих жидкость за некоторое время, превышает количество молекул, возвращающихся из пара в жидкость. Это продолжается до тех пор, пока возрастание плотности пара не приводит к установлению динамического равновесия при более высокой температуре. При этом увеличивается и давление насыщенных паров. Таким образом, давление насыщенных паров зависит только от температуры.

Столь быстрое возрастание давления насыщенного пара обусловлено тем, что с повышением температуры происходит рост не только кинетической энергии поступательного движения молекул, но и их концентрации, т.е. числа молекул в единице объема

При испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, вследствие чего средняя кинетическая энергия поступательного движения оставшихся молекул уменьшается, а следовательно, и температура жидко­сти понижается. Поэтому, чтобы температура испаряющейся жидкости оставалась постоянной, к ней надо непрерывно подводить опре­делённое количество теплоты.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить единице массы жидкости, для превращения её в пар при неизменной температуре называется удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования зависит от температуры жидкости, уменьшаясь с её повышением.

При конденсации количество теплоты, затраченное на испарение жидкости, выделяется.

Конденсация – процесс превращения из газообразного состояния в жидкое.

Рассмотрим условия фазового перехода газ – жидкость.

У идеального газа средняя потенциальная энергия взаимодействия частиц много меньше средней кинетической энергии.

│Ep│<< kT

(Модуль использован потому, что для сил притяжения потенциальная энергия отрицательна)

Для образования жидкости из газа средняя потенциальная энергия притяжения молекул должна превышать их среднюю кинетическую энергию

│Ep│≥ kT

Физический смысл этого неравенства в том, что переход из газообразного в жидкое состояние возможен лишь при температуре, меньше некоторой критической температуры:

T < Tкр =

Критическая температура – максимальная температура, при которой пар превращается в жидкость.

Пар – газообразное состояние вещества при температуре ниже критической.

Газ при T>Tкр нельзя перевести в жидкое состояние.

Критическая температура зависит от потенциальной энергии взаимодействия молекул и потому различна для разных газов

С ростом внешнего давления при сжатии газа уменьшается среднее расстояние между частицами, возрастает сила притяжения между ними и соответственно средняя потенциальная энергия взаимодействия.

Рассмотрим сжижение пара при изотермическом сжатии при T<Tкр

Конденсация – переход пара из газообразного состояния в жидкое

Масса жидкости при конденсации при данном объеме постоянна благодаря равновесию двух встречных процессов: конденсации пара и испарению молекул жидкости.

Испарение – парообразование со свободной поверхности жидкости

Интенсивность процесса испарения увеличивается с возрастанием температуры жидкости. Поэтому динамическое равновесие между испарением и конденсацией при повышении температуры устанавливается при больших концентрациях молекул газа.

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