Физические основы молекулярно – кинетической теории
реклама
Физические основы молекулярно-кинетической теории Чужков Юрий Петрович Доцент кафедры Физики, к.ф-м.н Физические основы молекулярно – кинетической теории План занятия: 1 Введение. Предмет “Молекулярная физика и термодинамика” 2 Статистическая физика и термодинамика; 3 Молекулярно – кинетическая теория идеального газа; 4 Состояние термодинамической системы; 5 Термодинамические процессы. Равновесные, обратимые, круговые; 6 Газовые законы 7 Основные термины, используемые в молекулярной физике.(атомная единица массы, молярная масса, моль, число Авогадро). Физические основы молекулярно – кинетической теории Молекулярная физика – раздел физической науки, в котором рассматриваются зависимости агрегатных состояний и свойств тела , от их строения, взаимодействия между частицами, из которых состоят вещества, и характера движения частиц Основой молекулярной физики является молекулярно – кинетическая теория (МКТ), родоначальником которой был М.В.Ломоносов. Основа термодинамики – фундаментальные законы, установленные путем обобщения опытных данных Физические основы молекулярно – кинетической теории Агрегатные состояния вещества Газообразное состояние Жидкое Твердое Плазма Число молекул в 1 см3 очень велико. Например, в каждом см3 воздуха (при нормальных условиях) содержится 2,7∙1019 молекул! Если расположить эти молекулы рядом, то получится длина, которая в 375 раз превышает длину земного экватора! Размеры молекул ~ 3∙10-8 см. Средняя скорость движения порядка 450 Физические основы молекулярно – м/с. За 1 с каждая молекула испытывает ~7,5 млрд столкновений. кинетической В газах молекулы перемещаются произвольно, хаотически (броуновское движение).Вводится понятие длина теории свободного пробега - расстояние, которое проходят молекулы от столкновения между собой до столкновения. Формула для расчета длины свободного пробега: l 1 2d 2 n В твердом теле число частиц в 1 см3 примерно 1023 . Атомы совершают колебания около узлов кристаллической решетки под действием сил притяжения и отталкивания. Атомы не могут приблизиться до определенного расстояния и удалиться под действием сил притяжения. В жидкости молекулы находятся в непрерывном движении, но благодаря большей плотности, чем в газах, нет понятия длина свободного пробега Основные положения молекулярно-кинетической теории. 1.Все тела состоят из мельчайших частиц – молекул. (1 см3 газа содержит в среднем 1019 молекул). 2.Все молекулы находятся в состоянии непрерывного хаотического движения (броуновское движение). 3. Молекулы взаимодействуют между собой. Идеальный газ – газ молекулы которого не взаимодействуют между собой (инертные газы, воздух, Н2, О2, N2) Физические основы молекулярно – кинетической теории Основное уравнение молекулярно – кинетической теории 1 P nm 2 3 2 P n Eпост 3 P nkT Eпост 3 kT 2 Уравнение Клаузиуса P – давление; n = N/V – концентрация частиц; m – масса молекулы; 2 Средняя квадратичная скорость; Eпост Средняя энергия поступательного движения k-постоянная Больцмана T - температура (К) k = 1.38∙10-23 Дж/К Физические основы молекулярно – кинетической Физические основы молекулярно – кинетической теории теории Два метода описания свойств макросистем Статистический метод Термодинамический метод Основан на использовании теории вероятностей и определенных моделей строения изучаемых систем (распределение Максвелла распределение Больцмана) Основан на анализе условий и количественных соотношений при различных превращениях энергии происходящих в системе (первое, второе и третье начала термодинамики) Статистическая физика Термодинамика Термодинамические параметры и процессы Термодинамическая система – это совокупность макроскопических тел любой физико – химической природы Пар O He Вода Изолированная термодинамическая система – это система, которая не взаимодействует внешними телами Термодинамические параметры – это Величины, характеризующие состояние системы Давление (Паскаль) Объем (м3) P V T Температура (Кельвин) Термодинамический процесс – всякое изменение термодинамической системы, связанное с изменением хотя бы одного из ее параметров Термодинамические параметры и процессы Термодинамические параметры при нормальных условиях Температура Т0 = 273К. Перевод 20 0 C 20 273 293K t 0 C TK Температура абсолютного нуля -273 К Нормальное давление (СИ) P 10 5 Па 0 (760 мм. рт. ст). Пример перевода давления, выраженного в мм. рт. ст. в Паскаль: 720 мм . рт .ст .133,3 0 ,96 105 Па P PHe PO2 PN 2 Объем V м3 1 литр = 10-3 м3 Закон Дальтона He O2 N2 Объем газа совпадает с объемом сосуда Термодинамические параметры и процессы 2 Круговой (циклический) процесс - это процесс, при котором система после ряда изменений возвращается в исходное состояние 1 0 Равновесной (обратимой) называется термодинамическая система, при которой все параметры системы имеют определенные значения, остающиеся при неизменных внешних условиях постоянными сколь угодно долго Изолированные системы со временем неизбежно и самопроизвольно переходят в равновесное состояние (состояние теплового равновесия) и никогда из него самопроизвольно выйти не могут. Термодинамические параметры и процессы Релаксация – процесс перехода термодинамической системы из неравновесного состояния в равновесное Время релаксации – время, за которое первоначальное отклонение какой – либо величины от равновесного значения уменьшается в е раз. (е = 2,72) – основание натурального логарифма Все количественные выводы термодинамики применимы только к равновесным состояниям и обратимым процессам. Все реальные процессы являются неравновесными и могут лишь приближенно считаться равновесными Термодинамические параметры и процессы Газовые законы 1 Изотермический процесс Закон Бойля - Мариотта Изотермический процесс – процесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре 2 Изобарный процесс T = const Закон Гей -Люссака Изобарный процесс – процесс, происходящий в физической системе при постоянном давлении P = const Термодинамические параметры и процессы Газовые законы 3 Изохорный процесс Закон Шарля Изохорный процесс – процесс, происходящий в физической системе при постоянном объеме 4 Адиабатический (адиабатный) процесс V = const Q =0 Адиабатный процесс – процесс, происходящий в физической системе без теплообмена. Адиабатическое расширение газа вызывает его охлаждение. При адиабатическом сжатии нагревание Физические основы МКТ Основные термины, используемые в молекулярной физике и термодинамике Относительная атомная масса (Аr) химического элемента - это отношение массы атома этого элемента к 1/12 массы атома 12С (изотоп углерода с массовым числом 12). Относительная молекулярная масса (Mr)- это отношение массы молекулы этого вещества к 1/12 массы атома 12С. Обозначается Mr. Масса молекулы: Mr mед Атомная единицы массы (а.е.м.). равна 1/12 массы атома 12С Обозначается: mед . Масса атома равна: Аr mед Физические основы МКТ Основные термины, используемые в молекулярной физике и термодинамике Моль – это количество вещества, в котором содержится число частиц, равное числу атомов в 0,012 кг изотопа углерода 12С. Обозначается: Постоянная Авогадро – число частиц, содержащихся в моле вещества. Обозначается: NA = 6.02∙1023 моль-1 Молярная масса - масса одного моля вещества. Обозначается: M ( либо ) Универсальная газовая постоянная R = 8.31 Дж /мольК Постоянная Больцмана k = 1,38*10-23 Дж/К K R NA Примеры и задачи. Задача 1 16 Определить массу молекулы воды, если ее молярная масса равна 18 г/ моль. Решение: Примеры и задачи m = μ / NA m = 18∙10-3/ 6,02∙1023 = 3∙1026 кг Задача 2 При неизменной концентрации молекул идеального газа средняя квадратичная скорость теплового движения его молекул увеличилась в 4 раза, при этом давление газа… 1) увеличится в 16 раз 3) увеличится в 4 раза 2) увеличится в 2 раза 4) не изменится Решение: P = 2/3 ∙nm<υ2>. Откуда следует ответ 1. Задача 3 При неизменной концентрации молекул абсолютная температура идеального газа была увеличена в 4 раза. При этом давление газа… 1) увеличилось в 4 раза 2) Увеличилась в 2 раза 3) не изменилась 4)Уменьшилась в 4 раза Решение: P = nkT , откуда ответ 1 Примеры и задачи P 1 p Примеры и задачи p p p 2 3 4 0 Рис.1 V Какой из графиков рис.1 соответствует процессу, проведенному при постоянной температуре газа? <E > <E > k k <E > k <E > k Рис.2 Какой график на рис.2 правильно изображает зависимость давления идеального газа P от средней кинетической энергии поступательного хаотического движения молекул или атомов? Спасибо за внимание!
