Основные положения МКТ. Модель идеального газа. Законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля. Уравнение Клапейрона - Менделеева. Молекула и моль вещества. Молекулярная и молярная массы. Число Авогадро.

Основное уравнение МКТ. Молекулярно-кинетический смысл понятия термодинамической температуры.

Распределение молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла). Характерные скорости молекул. Распределение молекул идеального газа в потенциальном силовом поле (распределение Больцмана). Барометрическая формула.

Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул. Явления переноса: диффузия, внутреннее трение, теплопроводность.

Основы термодинамики

Термодинамический метод изучения общих свойств макроскопических систем. Внутренняя энергия как термодинамическая функция состояния системы. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул. Первое начало термодинамики. Работа газа и количество теплоты. Удельная и молярная теплоемкости. Уравнение Майера.

Применение первого начала термодинамики к изопроцессам. Адиабатный процесс.

Тепловые двигатели. Цикл Карно и его КПД. Понятие энтропии. Второе начало термодинамики.

Электростатика

Электрические заряды и их свойства. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля. Принцип суперпозиции электростатических полей.

Поток вектора напряженности. Теорема Гаусса и ее применение для расчета электростатических полей.

Потенциал и разность потенциалов электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности. Связь между напряженностью и потенциалом.

Диполь в электростатическом поле. Поляризация диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость вещества. Индукция электрического поля.

Проводники в электростатическом поле. Распределение зарядов на поверхности проводников. Электроемкости уединенного проводника и конденсатора. Параллельное и последовательное соединения конденсаторов. Энергии заряженного проводника и конденсатора. Энергия и плотность энергии электростатического поля.

Постоянный электрический ток

Сила и плотность тока. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение. Закон Ома. Сопротивление проводников. Последовательное и параллельное соединение проводников. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей.

Н О М Е Р А З А Д А Ч	7.11	7.12	7.13	7.14	7.15	7.16	7.17	7.18	7.19	7.20
7.1	7.2	7.3	7.4	7.5	7.6	7.7	7.8	7.9	7.10
6.11	6.12	6.13	6.14	6.15	6.16	6.17	6.18	6.19	6.20
6.1	6.2	6.3	6.4	6.5	6.6	6.7	6.8	6.9	6.10
5.1	5.2	5.3	5.4	5.5	5.6	5.7	5.8	5.9	5.10
4.1	4.2	4.3	4.4	4.5	4.6	4.7	4.8	4.9	4.10
3.21	3.22	3.23	3.24	3.25	3.26	3.27	3.28	3.29	3.30
3.11	3.12	3.13	3.14	3.15	3.16	3.17	3.18	3.19	3.20
3.1	3.2	3.3	3.4	3.5	3.6	3.7	3.8	3.9	3.10
2.31	2.32	2.33	2.34	2.35	2.36	2.37	2.38	2.39	2.40
2.21	2.22	2.23	2.24	2.25	2.26	2.27	2.28	2.29	2.30
2.11	2.12	2.13	2.14	2.15	2.16	2.17	2.18	2.19	2.20
2.1	2.2	2.3	2.4	2.5	2.6	2.7	2.8	2.9	2.10
1.11	1.12	1.13	1.14	1.15	1.16	1.17	1.18	1.19	1.20
1.1	1.2	1.3	1.4	1.5	1.6	1.7	1.8	1.9	1.10
№ вар

Элементы кинематики

Основные формулы

· Средняя и мгновенная скорости материальной точки:

где - перемещение точки за время , - радиус-вектор, определяющий положение точки.

· Для прямолинейного равномерного движения ():

где – путь, пройденный точкой за время .

· Среднее и мгновенное ускорения материальной точки:

· Полное ускорение при криволинейном движении:

где - тангенциальная составляющая ускорения, направленная по касательной к траектории; - нормальная составляющая ускорения, направленная к центру кривизны траектории ( - радиус кривизны траектории в данной точке).

· Путь и скорость для равнопеременного движения материальной точки ():

где - начальная скорость, «+» соответствует равноускоренному движению, «-» - равнозамедленному.

· Угловая скорость:

· Угловое ускорение:

· Угловая скорость для равномерного вращательного движения твердого тела:

где - угол поворота тела, – период вращения; - частота вращения ( – число оборотов, совершаемых телом за время ).

· Угол поворота и угловая скорость для равнопеременного вращательного движения твердого тела ():

где - начальная угловая скорость, «+» соответствует равноускоренному вращению, «-» - равнозамедленному.

· Связь между линейными и угловыми величинами:

где – расстояние от точки до мгновенной оси вращения.

Примеры решения задач

Задача 1 . Зависимость пройденного телом пути от времени выражается уравнением ( = 2 м/с, = 3 м/с 2 , = 5 м/с 3). Запишите выражения для скорости и ускорения. Определите для момента времени после начала движения пройденный путь, скорость и ускорение.

Дано: ; ; ; ; .	Решение: Для определения зависимости скорости движения тела от времени определяем первую производную от пути по времени: , или после подстановки Для определения зависимости ускорения движения тела от времени определяем первую производную от скорости по времени: , или послеподстановки . Пройденный путь определяется как разность .

Задача 2. Тело брошено со скоростью под углом к горизонту. Принимая тело за материальную точку, определите нормальное и тангенциальное ускорение тела через 1,2 с после начала движения.

Проекция в процессе движения точки остается постоянной по величине и направлению.

Проекция на ось изменяется. В точке С (рис 1.1) скорость направлена горизонтально, т.е. . Это означает, что , где - время, в течение которого материальная точка поднимается до максимальной высоты, или после подстановки .

К моменту времени 1,2 с тело будет находиться на спуске. Полное ускорение в процессе движения направлено вертикально вниз и равно ускорению свободного падения . Нормальное ускорение равно проекции ускорения свободного падения на направление радиуса кривизны, а тангенциальное ускорение - проекции ускорения свободного падения на направление скорости движения (см. рис.1.1).

Из треугольников скоростей и ускорений имеем:

откуда , ,

где - скорость в момент времени

После подстановки получаем:

Ответ: , .

Задача 3. Колесо автомобиля вращается равнозамедленно. За время 2 мин оно изменило частоту вращения от 240 до 60 мин -1 . Определите: 1) угловое ускорение колеса; 2) число полных оборотов, сделанных колесом за это время.

где - угловые скорости в начальный и конечный моменты времени соответственно.

Из уравнения (2) получаем:

Угол поворота . Поэтому выражение (1) можно записать так: .

Отсюда: .

Ответ: ; .

Задача 4. Точка движется по окружности радиусом так, что зависимость угла поворота радиуса от времени дается уравнением , где , . Определите к концу второй секунды вращения: а) угловую скорость; б) линейную скорость; в) угловое ускорение; г) нормальное ускорение; д) тангенциальное ускорение.

Дано: ; .	Решение: Зависимость угловой скорости от времени определяем, взяв первую производную от угла поворота по времени, т.е. . Для момента времени , . Линейная скорость точки , или после подстановки .
Зависимость углового ускорения точки от времени определится первой производной от угловой скорости по времени, т.е. . Для момента времени . Нормальное и тангенциальное ускорения определяются по формулам соответственно:
и . Ответ: ; ; ; ; .

Контрольные задания

1.1. Тело падает вертикально с высоты 19,6 м с нулевой начальной скоростью. Какой путь пройдет тело: 1) за первую 0,1 с своего движения, 2) за последнюю 0,1 с своего движения? Считать . Сопротивлением воздуха пренебречь.

1.2. Тело падает вертикально с высоты 19,6 м с нулевой начальной скоростью. За какое время тело пройдет: 1) первый 1 м своего пути, 2) последний 1 м своего пути? Считать . Сопротивлением воздуха пренебречь.

1.3. С башни в горизонтальном направлении брошено тело с начальной скоростью 10 м/с. Пре­небрегая сопротивлением воздуха, определите для мо­мента времени = 2 с после начала движения: 1) ско­рость тела; 2) радиус кривизны траектории. Считать .

1.4. Камень брошен горизонтально со скоростью 5м/с. Определите нормальное и тангенциальное ускорения камня через 1 с после начала движения. Считать . Сопротивлением воздуха пренебречь.

1.5. Материальная точка начинает двигаться по ок­ружности радиусом = 2,5 см с постоянным тангенциальным ускорением = 0,5 см/с 2 . Определите: 1) момент времени, при котором вектор ускорения образует с вектором скорости угол 45°; 2) путь, пройденный за это время движущейся точкой.

1.6. Зависимость пройденного телом пути от времени задаётся уравнением , где =0,1м, =0,1м/с, =0,14м/с 2 , =0,01м/с 3 . 1) Через сколько времени после начала движения ускорение тела будет равно 1м/с 2 ? 2) Чему равно среднее ускорение тела за этот промежуток времени? после начала движения пройденный путь, скорость и ускорение. для этого момента.

1.13. Диск вращается вокруг неподвижной оси так, что зависимость угла поворота радиуса диска от времени задается уравнением ( =0,1рад/с 2). Определите полное ускорение точки на ободе диска к концу второй секунды после начала движения, если в этот момент линейная скорость этой точки 0,4 м/с.

1.14. Диск радиусом 0,2 м вращается вокруг неподвижной оси так, что зависимость угловой скорос­ти от времени задается уравнением , где . Определите для точек на ободе диска к концу первой секунды после начала движения полное ускорение и число оборотов, сделанных диском за первую минуту движения.

1.15. Диск радиусом 10 см вращается так, что зависимость угла поворота радиуса диска от времени задается уравнением ( = 2 рад, = 4 рад/с 3). Определите для точек на ободе колеса: 1) нормальное ус­корение в момент времени 2 с; 2) тангенциальное ускорение для этого же момента; 3) угол поворота, при котором полное ускорение составляет с радиусом колеса 45°.

1.16. Якорь электродвигателя, имеющий частоту вращения 50 с -1 , после выключения тока, сделав 628 оборотов, остановился. Определите угловое ускорение якоря.

1.17. Колесо автомобиля вращается равноускоренно. За время 2 мин оно изменило частоту вращения от 60 до 240 мин -1 . Определите: 1) угловое ускорение колеса; 2) число полных оборотов, сделанных колесом за это время.

1.18. Колесо, вращаясь равноускоренно, достигло угловой скорости 20 рад/с через 10 оборотов после начала вращения. Найдите угловое ускорение колеса.

1.19. Колесо спустя 1 мин после начала вращения приобретает скорость, соответствующую частоте 720 об/мин. Найдите угловое ускорение колеса и число оборотов, сделанных колесом за эту минуту. Движение считать равноускоренным.

1.20. Колесо, вращаясь равнозамедленно, при торможении уменьшило частоту вращения за 1 мин с 300 об/мин до 180 об/мин. Найдите угловое ускорение колеса и число оборотов, сделанных за это время.

1. Идеальный газ, изопроцессы.

2. Уравнение Клапейрона-Менделеева.

3. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа.

4. Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы.

5. Число степеней свободы молекулы.

6. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы.

7. Теплоемкости (удельная, молярная).

8. Смесь газов. Закон Дальтона.

ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Законы идеальных газов

Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона-Менделеева)

где m – масса газа; M – его молярная масса; R – универсальная газовая постоянная; n=m/M – количество молей вещества; T – абсолютная температура.

Закон Дальтона

P=P 1 +P 2 +. . .+P n ,

где Р – давление смеси газов; P i – парциальное давление i-го компонента смеси; n – число компонентов смеси.

Молярная масса смеси газов

M=(m 1 +m 2 +. . . +m k)/(n 1 +n 2 +. . .+ n k),

где m i – масса i-го компонента смеси; n i – количество вещества i-го компонента смеси; к – число компонентов смеси.

Массовая доля i-й компоненты смеси газов

где m i – масса i-го компонента смеси; m – масса смеси.

Молекулярно-кинетическая теория газов (МКТ)

Количество вещества

где N – число структурных элементов системы (молекул, атомов, ионов и т.п.); N A – число Авогадро; m – масса газа; M– молярная масса.

Молярная масса вещества

Масса одной молекулы вещества

Количество вещества смеси

где n i , m i – количество вещества и масса i-го компонента смеси; к – число компонентов смеси.

Концентрация частиц (молекул, атомов и т.п.) однородной системы

где N – число частиц системы; V – ее объем; r – плотность вещества.

Основное уравнение кинетической теории газов

где P – давление газа; n – его концентрация; <e П > – средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы.

Средняя кинетическая энергия, приходящаяся на одну степень свободы молекулы

где k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура.

Средняя кинетическая энергия, приходящаяся на все возбужденные степени свободы молекулы

где i – число возбужденных степеней свободы молекулы.

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы

Зависимость давления газа от концентрации молекул и температуры

Молярная C и удельная с теплоемкости газа связаны между собой соотношением

где M – молярная масса газа.

Молярные теплоемкости газа при постоянном объеме и постоянном давлении равны соответственно

C v =iR/2; C p =(i+2)R/2,

где i – число степеней свободы; R – универсальная газовая постоянная.

Удельные теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении соответственно равны

Уравнение Майера для молярных теплоемкостей

СПРАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ

Давление 1 мм рт. ст.=133 Па.

Давление 1 атм=760 мм рт. ст.

Молярная масса воздуха M =29×10 -3 кг/моль.

Молярная масса аргона M =40×10 -3 кг/моль.

Молярная масса криптона M =84×10 -3 кг/моль.

Нормальные условия: P=1,01×10 5 Па, Т=273 К.

Постоянная Больцмана k=1,38×10 -23 Дж/К.

Универсальная газовая постоянная R=8,31 Дж/(моль×К).

Число Авогадро N A =6,02×10 23 моль -1 .

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1. Каковы основные положения термодинамического и молекулярно-кинетического (статистического) методов изучения макроскопических систем?

2. Назовите основные параметры термодинамической системы.

3. Дайте определение единицы термодинамической температуры.

4. Запишите уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона).

5. Каковы физический смысл, размерность и численное значение универсальной газовой постоянной R?

6. Сформулируйте законы изопроцессов идеального газа.

7. Дайте определение единицы количества вещества 1 моль.

8. Сколько молекул содержится в моле любого вещества?

10. На чем основан вывод уравнения молекулярно-кинетической теории идеальных газов для давления? Сравните это уравнение с уравнением Менделеева-Клапейрона.

11. Получите соотношения р=nkT и =3kT/2.

12. Каковы физический смысл, численное значение и единицы измерения постоянной Больцмана k?

13. Каково содержание одного из основных положений статистической физики о равнораспределении энергии по степеням свободы?

14. Считая, что средняя энергия молекулы идеального газа =ikT/2, где i – сумма поступательных, вращательных и удвоенного числа колебательных степеней свободы молекулы, получите выражение для внутренней энергии произвольной массы идеального газа.

15. Что такое удельная и молярная теплоемкости идеального газа? Почему для идеального газа существуют два вида теплоемкостей?

16. Получите уравнение Майера для молярных теплоемкостей.

17. Запишите закон Дальтона и объясните его физический смысл. Какие физические величины, характеризующие смесь, можно складывать?

ЗАДАЧИ ГРУППЫ А

1.(5.20) Чему равна плотность r воздуха в сосуде, если сосуд откачан до наивысшего разрежения, создаваемого современными лабораторными способами (P=10 -11 мм рт. ст.)? Температура воздуха равна 15 0 С.

Ответ: r=1,6×10 -14 кг/м 3 .

2.(5.21) m=12 г газа занимают объем V=4×10 -3 м 3 при температуре t=7 0 С. После нагревания газа при постоянном давлении его плотность стала равна r=6×10 -4 г/см 3 . До какой температуры нагрели газ?

Ответ: Т=1400 0 К.

3.(5.28) В сосуде находится m 1 =14 г азота и m 2 =9 г водорода при температуре t=10 0 C и давлении Р=1 МПа. Найти: 1) молярную массу смеси, 2) объем сосуда.

Ответ: M=4,6×10 -3 кг/моль; V=11,7×10 -3 м 3 .

4.(5.29) В закрытый сосуд, наполненный воздухом при температуре 20 0 С и давлении 100 кПа., вводится диэтиловый эфир (С 2 H 5 OC 2 H 5). После того, как эфир испарился, давление в сосуде стало равно Р=0,14 МПа. Какое количество эфира было введено в сосуд? Объем сосуда V=2 л.

Ответ: m=2,43×10 -3 кг.

5.(5.58) Чему равна энергия теплового движения m=20 г кислорода (О 2) при температуре t=10 0 С? Какая часть этой энергии приходится на долю поступательного движения, а какая – на долю вращательного?

Ответ: W=3,7 кДж; W пост. =2,2 кДж; W вр. =1,5 кДж.

6.(5.61) Чему равна энергия теплового движения молекул двух-
атомного газа, заключенного в сосуд объемом V=2 л и находящегося под давлением Р=150 кПа?

Ответ: W=750 Дж.

7.(5.69) Для некоторого двухатомного газа удельная теплоемкость при постоянном давлении равна c р =14,67×10 3 Дж/(кг×K). Чему равна молярная масса этого газа?

Ответ: M=2×10 -3 кг/моль.

8.(5.71) Найти удельные теплоемкости c v и c р некоторого газа, если известно, что его молярная масса M=0,03 кг/моль и отношение c p /c v =1,4.

Ответ: c v =693 Дж/(кг×К); c р =970 Дж/(кг×К).

9.(5.76) Найти удельную теплоемкость при постоянном давлении газовой смеси, состоящей из n 1 =3 кмоль аргона (Аr) и n 2 =2 кмоль азота (N 2).

Ответ: c р =685 Дж/(кг×К).

10.(5.77) Найти отношение c р /c v для газовой смеси, состоящей из m 1 =8 г гелия (He) и m 2 =16 г кислорода (О 2).

Ответ: c р /c v =1,59.

ЗАДАЧИ ГРУППЫ Б

1.(2.2) Баллон емкостью V=20 л содержит смесь водорода (H 2) и гелия (He) при температуре Т=300 К и давлении Р=8 атм. Масса смеси m=25 г. Определить массы водорода m 1 и гелия m 2 . 1 атм.=100 кПа.

Ответ: m 1 =0,672×10 -3 кг; m 2 =24,3×10 -3 кг.

2.(2.3) В сосуде находится смесь m 1 =7 г азота (N 2) и m 2 =11 г углекислого газа (СО 2) при температуре Т=290 К и давлении Р=1 атм. Найти плотность r этой смеси, считая газы идеальными.
1 атм.=100 кПа.

Ответ: r=1,49 кг/м 3 .

3.(2.4) Сосуд объемом V=60 л содержит смесь кислорода (О 2) и водорода (H 2) при температуре Т=360 К и давлении Р=750 мм рт. ст. Масса смеси m=19 г. Определить парциальные давления кислорода р 1 и водорода р 2 . 1 мм рт. ст.=133 Па.

Ответ: р 1 =24,9 кПа; р 2 =74,8 кПа.

4.(2.7) В сосуде находится смесь m 1 =8 г кислорода (О 2) и m 2 =7 г азота (N 2) при температуре Т=400 К и давлении Р=10 6 Па. Найти плотность смеси газов r, парциальные давления компонент р 1 , р 2 и массу одного моля смеси M .

Ответ: r=9,0 кг/м 3 ; р 1 =р 2 =0,5 МПа; m=30×10 -3 кг.

5.(2.8) Оболочка аэростата, находящегося у поверхности земли, наполнена водородом на 7/8 своего объема, равного V=1600 м 3 , при давлении Р 1 =100 кПа и температуре Т 1 =290 К. Аэростат поднялся на некоторую высоту, где давление Р 2 =80 кПа и температура Т 2 =280 К. Определить массу водорода Dm, вышедшего из оболочки аэростата при его подъеме.

Ответ: Dm=6,16 кг.

6.(2.51) Двухатомный газ массой m=10 г занимает объем V=6 л при давлении Р=10 6 Па и температуре t=27 0 С. Определить удельную теплоемкость c v этого газа.

Ответ: c v =5×10 3 Дж/(кг×К).

7.(2.52) Определить удельную теплоемкость смеси c P при постоянном давлении, если смесь состоит из m 1 =20 г углекислого газа (СО 2) и m 2 =40 г криптона (Кr).

Ответ: c P =417 Дж/(кг×К).

8.(2.55) Одному киломолю некоторого идеального газа в процессе изобарического расширения сообщили количество тепла
Q=249 кДж, при этом его температура увеличилась на
DT=(Т 2 –Т 1)=12 К. Определить число степеней свободы газа i.

Ответ: i=3.

9.(2.56) Найти массу m одного киломоля и число степеней свободы i молекулы газа, у которого удельные теплоемкости равны: c V =750 Дж/(кг×К), c P =1050 Дж/(кг×К).

Ответ: m=27,7 кг, i=5.

10.(2.58) Плотность некоторого трехатомного газа при нормальных условиях составляет r=1,4 кг/м 3 . Определить удельную теплоемкость c V этого газа при изохорическом процессе. Атмосферное давление P 0 =100 кПа.

Ответ: c V =785 Дж/(кг×К).

ЗАДАЧИ ГРУППЫ С

1. В сосуде находится смесь кислорода (О 2) и водорода (H 2). Масса m смеси равна 3,6 г. Массовая доля W 1 кислорода составляет 0,6. Определить количество вещества n смеси, n 1 и n 2 каждого газа в отдельности.

Ответ: n=788 ммоль; n 1 =68 ммоль; n 2 =720 ммоль.

2. В баллоне вместимостью V=1 л находится азот (N 2) при нормальных условиях. Когда азот нагрели до температуры Т=1,8 кК, то часть молекул азота оказалась диссоциированной на атомы. Степень диссоциации a=0,3. Определить: 1) количество вещества n и концентрацию n молекул азота до нагревания; 2) количество вещества n м и концентрацию n м молекул молярного азота после нагревания; 3) количество вещества n a и концентрацию n a атомов атомарного азота после нагревания; 4) полное количество вещества n пол и концентрацию n пол частиц в сосуде после нагревания. Диссоциацией молекул при нормальных условиях пренебречь. (Степенью диссоциации называют отношение числа молекул, распавшихся на атомы, к общему числу молекул газа).

Ответ: 1) 44,6 ммоль, 2,69×10 25 м -3 ; 2) 31,2 ммоль, 1,88×10 25 м -3 ;

3) 26,8 ммоль, 1,61×10 25 м -3 ; 4) 58 ммоль, 3,49×10 25 м -3 .

3. По газопроводу течет углекислый газ (СО 2) при давлении Р=0,83 МПа и температуре t=27 0 С. Какова скорость течения газа в трубе, если за t=2,5 мин через поперечное сечение трубы площадью S=5 см 2 протекает m=2,2 кг газа?

Ответ: м/с.

4. Резиновый шарик массой m=2 г надувается гелием (Hе) при температуре t=17 0 С. При достижении в шарике давления Р=1,1 атм он лопается. Какая масса гелия была в шарике, если перед тем, как лопнуть, он имел сферическую форму? Резиновая пленка рвется при толщине d=2×10 -3 см. Плотность резины r=1,1 г/см 3 . Условие d<

Ответ: кг.

5. Три одинаковых сосуда, соединенных трубками, заполнены газообразным гелием при температуре Т=40 К. Затем один из сосудов нагрели до Т 1 =100 К, а другой - до Т 2 =400 К, а температура третьего не изменилась. Во сколько раз возросло давление в системе? Объемом соединительных трубок пренебречь.

Ответ:

6. Для получения высокого вакуума в стеклянном сосуде его необходимо прогревать при откачке с целью удалить адсорбированные газы. Определить на сколько повысится давление в сферическом сосуде радиусом R=10 см, если все адсорбированные молекулы перейдут со стенок в сосуд. Слой молекул на стенках считать мономолекулярным, площадь поперечного сечения одной молекулы s равно 10 -15 см 2 . Температура прогрева Т=600 К.

Ответ: Па.

7. В сосуде А объемом V 1 =2 л находится газ под давлением Р 1 =3×10 5 Па, а в сосуде В объемом V 2 =3 л находится та же масса того же газа, что и в сосуде А. Температура обоих сосудов одинакова и постоянна. Под каким давлением Р будет находиться газ после соединения сосудов А и В трубкой. Объемом соединительной трубки пренебречь.

Ответ: Р=2Р 1 V 1 /(V 1 +V 2)=2,4×10 5 Па.

8. Молекулярный пучок падает перпендикулярно на поглощающую стенку. Концентрация молекул в пучке n, масса молекулы m 0 , скорость каждой молекулы u. Найти давление Р, испытываемое стенкой, если: а) стенка неподвижна; б) стенка движется в направлении нормали со скоростью u

Ответ: а) Р=nm 0 u 2 , б) Р=nm 0 (u±u) 2 .

9. Какие ответы будут в задаче 8, если стенка абсолютно упругая, а пучок падает на стенку под углом a к ее нормали. В п. б) скорость движения стенки u

Ответ: а) Р=2nm 0 u 2 cos 2 a, б) Р=2nm 0 (ucosa±u) 2 .

10. Вычислить среднюю энергию поступательного , вращательного и колебательного движений двухатомной молекулы газа при температуре Т=3×10 3 К.

Ответ: =6,2×10 -20 Дж, ==4,1×10 -20 Дж.

Основы молекулярной физики и термодинамики

Статистический и термодинамический методы исследования. Молекулярная фи­зика и термодинамика - разделы физики, в которых изучаются макроскопические

процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул. Для исследования этих про­цессов применяют два качественно раз­личных и взаимно дополняющих друг дру­га метода: статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический. Пер­вый лежит в основе молекулярной физики, второй - термодинамики.

Молекулярная физика - раздел физи­ки, изучающий строение и свойства ве­щества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении.

Идея об атомном строении вещества высказана древнегреческим философом Демокритом (460-370 до н. э.). Атомисти­ка возрождается вновь лишь в XVII в. и развивается в работах М. В. Ломоно­сова, взгляды которого на строение ве­щества и тепловые явления были близки к современным. Строгое развитие молеку­лярной теории относится к середине XIX в. и связано с работами немецкого физика Р.Клаузиуса (1822-1888), ан­глийского физика Дж. Максвелла (1831 - 1879) и австрийского физика Л. Больцма­на (1844-1906).

Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокуп­ного действия огромного числа молекул. Законы поведения огромного числа моле­кул, являясь статистическими закономер­ностями, изучаются с помощью статисти­ческого метода. Этот метод основан на

том, что свойства макроскопической систе­мы в конечном счете определяются свой­ствами частиц системы, особенностями их движения и усредненными значениями ди­намических характеристик этих частиц (скорости, энергии и т.д.). Например, температура тела определяется скоростью беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, то она может быть выражена только через среднее значение скорости движения мо­лекул. Нельзя говорить о температуре од­ной молекулы. Таким образом, макроско­пические характеристики тел имеют физи­ческий смысл лишь в случае большого числа молекул.

Термодинамика - раздел физики, изу­чающий общие свойства макроскопиче­ских систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и про­цессы перехода между этими состояниями. Термодинамика не рассматривает микро­процессы, которые лежат в основе этих превращений. Этим термодинамический метод отличается от статистического. Термодинамика базируется на двух на­чалах - фундаментальных законах, уста­новленных в результате обобщения опыт­ных данных.

Область применения термодинамики значительно шире, чем молекулярно-кинетической теории, ибо нет таких областей физики и химии, в которых нельзя было бы пользоваться термодинамическим мето­дом. Однако, с другой стороны, термодинамический метод несколько огра­ничен: термодинамика ничего не говорит о микроскопическом строении вещества, о механизме явлений, а лишь устанавли­вает связи между макроскопическими

свойствами вещества. Молекулярно-кинетическая теория и термодинамика взаимно дополняют друг друга, образуя единое целое, но отличаясь различными методами исследования.

Термодинамика имеет дело с термоди­намической системой - совокупностью макроскопических тел, которые взаимо­действуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Основа термодинами­ческого метода - определение состояния термодинамической системы. Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами состояния) - совокупностью физических величин, ха­рактеризующих свойства термодинамиче­ской системы. Обычно в качестве парамет­ров состояния выбирают температуру, давление и удельный объем.

Температура - одно из основных по­нятий, играющих важную роль не только в термодинамике, но и в физике в целом. Температура - физическая величина, ха­рактеризующая состояние термодинами­ческого равновесия макроскопической системы. В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960) в настоящее время можно применять только две температурные шка­лы - термодинамическую и Международ­ную практическую, градуированные соот­ветственно в Кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°С).

В Международной практической шка­ле температура замерзания и кипения во­ды при давлении 1,013 10 5 Па соответ­ственно 0 и 100 °С (так называемые реперные точки).

Термодинамическая температурная шкала определяется по одной реперной точке, в качестве которой взята тройная точка воды (температура, при которой лед, вода и насыщенный пар при давле­нии 609 Па находятся в термодинамиче­ском равновесии). Температура этой точки по термодинамической шкале равна 273,16 К, (точно). Градус Цельсия равен Кельвину. В термодинамической шкале температура замерзания воды равна 273,15 К (при том же давлении, что и в Международной практической шкале), поэтому, по определению, термодинамиче­ская температура и температура по Меж­дународной практической шкале связаны соотношением T=273,15+t. Температура T=0 называется нулем кельвин. Анализ различных процессов показывает, что 0 К недостижим, хотя приближение к нему сколь угодно близко возможно.

Удельный объем v - это объем едини­цы массы. Когда тело однородно, т. е. его плотность =const, то v= V/m= 1/. Так как при постоянной массе удельный объем пропорционален общему объему, то мак­роскопические свойства однородного тела можно характеризовать объемом тела.

Параметры состояния системы могут изменяться. Любое изменение в термоди­намической системе, связанное с измене­нием хотя бы одного из ее термодинамиче­ских параметров, называется термодина­мическим процессом. Макроскопическая система находится в термодинамическом равновесии, если ее состояние с течением времени не меняется (предполагается, что внешние условия рассматриваемой систе­мы при этом не изменяются).

Глава 8

Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов

§ 41. Опытные законы идеального газа

В молекулярно-кинетической теории поль­зуются идеализированной моделью идеаль­ного газа, согласно которой:

1) собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда;

2) между молекулами газа отсутству­ют силы взаимодействия;

3) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.

Модель идеального газа можно ис­пользовать при изучении реальных газов, так как они в условиях, близких к нор-

мальным (например, кислород и гелий), а также при низких давлениях и высоких температурах близки по своим свойствам к идеальному газу. Кроме того, внеся по­правки, учитывающие собственный объем молекул газа и действующие молекуляр­ные силы, можно перейти к теории реаль­ных газов.

Опытным путем, еще до появления молекулярно-кинетической теории, был уста­новлен целый ряд законов, описывающих поведение идеальных газов, которые мы и рассмотрим.

Закон Бойля - Мариотта : для дан­ной массы газа при постоянной температу­ре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная:

pV = const (41.1) при Т= const, m =const.

Кривая, изображающая зависимость меж­ду величинами р и V, характеризующими свойства вещества при постоянной темпе­ратуре, называется изотермой. Изотермы представляют собой гиперболы, располо­женные на графике тем выше, чем выше температура, при которой происходит про­цесс (рис. 60).

Закон Гей-Люссака : 1) объем дан­ной массы газа при постоянном давлении изменяется линейно с температурой:

V=V 0 ( 1+  t) (41.2) при p = const, m = const;

2) давление данной массы газа при по­стоянном объеме изменяется линейно с температурой:

p = p 0 ( 1+  t) (41.3) при V =const, m =const.

В этих уравнениях t - температура по шкале Цельсия, р 0 и V 0 - давление и объем при 0°С, коэффициент =1/273,15 К -1 .

Процесс, протекающий при постоян­ном давлении, называется изобарным. На диаграмме в координатах V, t (рис.61) этот процесс изображается прямой, на­зываемой изобарой. Процесс, протекаю­щий при постоянном объеме, называется изохорным. На диаграмме в координатах р, t (рис. 62) он изображается прямой, называемой изохорой.

Из (41.2) и (41.3) следует, что изо­бары и изохоры пересекают ось темпера­тур в точке t =-1/=-273,15 °С, опре­деляемой из условия 1+t=0. Если сместить начало отсчета в эту точку, то происходит переход к шкале Кельвина (рис. 62), откуда

T=t+ 1/  .

Вводя в формулы (41.2) и (41.3) термодинамическую температуру, законам Гей-Люссака можно придать более удоб­ный вид:

V=V 0 (1+  t)=V 0 = v 0  t ,

p=p 0 (1+  t)=p 0 =р 0  Т, или

V 1 /V 2 = T 1 /T 2 (41.4)

при p = const, m = const,

р 1 /р 2 = T 1 /T 2 (41.5) при V =const, m =const,

где индексы 1 и 2 относятся к произволь­ным состояниям, лежащим на одной изо­баре или изохоре.

Закон Авогадро : моли любых газов при одинаковых температуре и давлении занимают одинаковые объемы. При нор­мальных условиях этот объем равен 22,41 10 -3 м 3 /моль.

По определению, в одном моле различ­ных веществ содержится одно и то же число молекул, называемое постоянной Авогадро:

n а = 6,022 10 23 моль -1 .

Закон Дальтона : давление смеси идеальных газов равно сумме парциаль­ных давлений входящих в нее газов, т. е.

p=p 1 +p 2 +... + p n ,

где p 1 ,p 2 , ..., p n -парциальные давле­ния - давления, которые оказывали бы газы смеси, если бы они одни занимали объем, равный объему смеси при той же температуре.

Вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Молекулярная физика - раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе их молекулярного строения.

Тепловое движение - беспорядочное (хаотическое) движение атомов или молекул вещества.

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

Молекулярно-кинетическая теория - теория, объясняющая тепловые явления в макроскопических телах и свойства этих тел на основе их молекулярного строения.

Основные положения молекулярно-кинетической теории:

1. вещество состоит из частиц - молекул и атомов, разделенных промежутками,
2. эти частицы хаотически движутся,
3. частицы взаимодействуют друг с другом.

МАССА И РАЗМЕРЫ МОЛЕКУЛ

Массы молекул и атомов очень малы. Например, масса одной молекулы водорода равна примерно 3,34*10 -27 кг, кислорода - 5,32*10 -26 кг. Масса одного атома углерода m 0C =1,995*10 -26 кг

Относительной молекулярной (или атомной) массой вещества Mr называют отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода:(атомная единица массы).

Количество вещества - это отношение числа молекул N в данном теле к числу атомов в 0,012 кг углерода N A:

Моль - количество вещества, содержащего столько молекул, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода.

Число молекул или атомов в 1 моле вещества называют постоянной Авогадро:

Молярная масса - масса 1 моля вещества:

Молярная и относительная молекулярная массы вещества связаны соотношением: М = М r *10 -3 кг/моль.

СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ

Несмотря на беспорядочный характер движения молекул, их распределение по скоростям носит характер определенной закономерности, которая называется распределением Максвелла.

График, характеризующий это распределение, называют кривой распределения Максвелла. Она показывает, что в системе молекул при данной температуре есть очень быстрые и очень медленные, но большая часть молекул движется с определенной скоростью, которая называется наиболее вероятной. При повышении температуры эта наиболее вероятная скорость увеличивается.

ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ В МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

Идеальный газ - это упрощенная модель газа, в которой:

1. молекулы газа считаются материальными точками,
2. молекулы не взаимодействуют между собой,
3. молекулы, соударяясь с преградами, испытывают упругие взаимодействия.

Иными словами, движение отдельных молекул идеального газа подчиняется законам механики. Реальные газы ведут себя подобно идеальным при достаточно больших разрежениях, когда расстояния между молекулами во много раз больше их размеров.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории можно записать в виде

Скорость называют средней квадратичной скоростью.

ТЕМПЕРАТУРА

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел называется термодинамической системой.

Тепловое или термодинамическое равновесие - такое состояние термодинамической системы, при котором все ее макроскопические параметры остаются неизменными: не меняются объем, давление, не происходит теплообмен, отсутствуют переходы из одного агрегатного состояния в другое и т.д. При неизменных внешних условиях любая термодинамическая система самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.

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

Абсолютный нуль температуры - предельная температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме должно быть равно нулю или должен быть равен нулю объем идеального газа при постоянном давлении.

Термометр - прибор для измерения температуры. Обычно термометры градуируют по шкале Цельсия: температуре кристаллизации воды (таяния льда) соответствует 0°С, температуре ее кипения - 100°С.

Кельвин ввел абсолютную шкалу температур, согласно которой нулевая температура соответствует абсолютному нулю, единица измерения температуры по шкале Кельвина равна градусу Цельсия: [Т] = 1 К (Кельвин).

Связь температуры в энергетических единицах и температуры в градусах Кельвина:

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

Связь абсолютной шкалы и шкалы Цельсия:

T = t + 273

где t - температура в градусах Цельсия.

Средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре:

Средняя квадратичная скорость молекул

Учитывая равенство (1), основное уравнение молекулярно-кинетической теории можно записать так:

УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

Пусть газ массой m занимает объем V при температуре Т и давлении р , а М - молярная масса газа. По определению, концентрация молекул газа: n = N/V , где N -число молекул.

Подставим это выражение в основное уравнение молекулярно-кинетической теории:

Величину R называют универсальной газовой постоянной, а уравнение, записанное в виде

называют уравнением состояния идеального газа или уравнением Менделеева-Клапейрона. Нормальные условия - давление газа равно атмосферному ( р = 101,325 кПа) при температуре таяния льда ( Т = 273,15 К ).

1. Изотермический процесс

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре называют изотермическим.

Если Т =const, то

Закон Бойля-Мариотта

Для данной массы газа произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется: p 1 V 1 =p 2 V 2 при Т = const

График процесса, происходящего при постоянной температуре, называется изотермой.

2. Изобарный процесс

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении называют изобарным.

Закон Гей-Люссака

Объем данной массы газа при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре:

Если газ, имея объем V 0 находится при нормальных условиях: а затем при постоянном давлении переходит в состояние с температурой Т и объемом V, то можно записать

Обозначив

получим V=V 0 T

Коэффициент называют температурным коэффициентом объемного расширения газов. График процесса, происходящего при постоянном давлении, называется изобарой .

3. Изохорный процесс

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называют изохорным. Ecли V = const , то

Закон Шарля

Давление данной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре:

Если газ, имея объем V 0 ,находится при нормальных условиях:

а затем, сохраняя объем, переходит в состояние с температурой Т и давлением р , то можно записать

График процесса, происходящего при постоянном объеме, называется изохорой .

Пример. Каково давление сжатого воздуха, находящегося в баллоне вместимостью 20 л при 12°С, если масса этого воздуха 2 кг?

Из уравнения состояния идеального газа

определим величину давления.