Основы Молекулярно - кинетической теории

1. Основы Молекулярно - кинетической теории КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Отделение общеобразовательной подготовки СПО

2. А знаете ли вы, что … • … разведя 1 мл чернил в 1 литре воды, а затем 1 мл этого раствора – в еще одном литре воды, мы получим разбавление в миллион раз. Несмотря на это, получившийся раствор будет иметь вполне заметную окраску. Отсюда следует, что объем частичек чернил намного меньше, чем миллионная часть миллилитра! • … сохранилось описание одного исторического опыта, в котором в свинцовый шар налили воду и прочно его запаяли. По шару ударили молотом, надеясь, что он сплющится и сожмет воду. И что же? Шар сплющился, но вода не сжалась, она просочилась сквозь стенки шара. Молекулы воды были продавлены через промежутки между частицами свинца. • … молекулы воздуха в твоей комнате мчатся со скоростью примерно полкилометра в секунду. Это составляет около 2000 км/ч – быстрее звука! Только имей в виду, что эта скорость средняя, ведь скорости всех молекул неодинаковы. • … диффузия веществ – очень распространенное явление. Диффузия происходит при засолке овощей, копчении рыбы, поступлении питательных веществ из желудка в кровь, всасывании влаги корнями растений, проникновении сахара внутрь ягод в вареньях и др. • … оконные стекла в зданиях прошлого века в нижней части заметно толще, чем в верхней. Так происходит потому, что стекло, как и всякое аморфное тело, обладает текучестью. • … кристаллические тела тоже могут обладать текучестью. Например, горные ледники медленно стекают в долины. Текучесть кристаллов объясняется дефектами их кристаллической решетки. • … чтобы метровый столб воды или спирта сжать на 1 см, нужно большое давление – около 200 атмосфер. Но чтобы также сжать стержень из металла, нужно давление уже в 10 тысяч атмосфер! • … установлено, что молекулы воды совершают около 100 миллиардов перескоков в секунду. • … слово "газ" придумано учеными. Оно произведено от греческого слова "хаос" – беспорядок. • … литр воздуха можно сжать до объема наперстка. • … каждая молекула воздуха испытывает ни много, ни мало – четыре миллиарда столкновений в секунду со своими "соседками". • … с поверхности всех водоемов на Земле ежесуточно испаряется около 7000 км3 воды. Бассейн с таким количеством воды имел бы размеры 80 х 90 км при километре глубины!

3. Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) объясняет свойства макроскопических тел и тепловых процессов, протекающих в них, на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных, беспорядочно движущихся частиц.

4. Тема: «Основы молекулярно-кинетической теории» • Занятие 1. «Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование». • Занятие 2. «Идеальный газ, его основные характеристики и свойства». • Занятие 3. «Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа». • Занятие 4. «Уравнение состояния идеального газа (Клапейрона – Менделеева)». • Занятие 5. «Изопроцессы и их графики. Законы идеальных газов».

5. Дидактическая цель 1) Углубить и конкретизировать представ-ления учащихся о молекулярно – кинети-ческой теории строения вещества. 2) Рассмотреть характерные особенности агрегатных состояний вещества с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

6. Воспитательная цель При изучений строения вещества следует обра-тить внимание учащихся на тот факт, что в при-роде постоянно действует диалектический закон перехода количественных изменений в качест-венные и обратно. Так, при изменении рассто-яния между молекулами преобладают или сила притяжения (при удалении молекул), или силы отталкивания (при сближении молекул); увели-чение или уменьшение кинетической энергий мо-лекул приводит к качественному изменению вещества (твердое, жидкое, газообразное и плаз-менное).

7. Основные знания и умения 1) Знать формулировки основных положе-ний молекулярно - кинетической теории строения вещества и примеры (опыты), подтверждающие ее основные положения. 2) Знать постоянную Авогадро и уметь опре-делять число молекул (атомов) в данной массе вещества.

8. Мотивация познавательной деятельности учащихся Учение о строении и свойствах вещества яв-ляется одним из основных вопросов физики. Знание молекулярно-кинетической теории позволяет не только глубже вникнуть в суть процессов, происходящие внутри вещества, но и влиять на них, т.е. получать материалы с заданными свойствами, что имеет немало-важное значение для специалистов ряда от-раслей народного хозяйства.

9. Последовательность изложения материала • 1) Что изучает молекулярная физика. • 2) Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества и их опытные обоснования. • 3) Понятие атома и молекулы, моля, молярные массы и постоянной Авогадро. • 4) Масса атомов и молекул. Определение массы одной молекулы и числа молекул (атомов) в данной массе вещества. • 5) Молекулярные силы взаимодействия, их природа, сфера действия, одновременность действия сил притяжения и отталкивания. • 6) Опытные обоснования движения молекул. • 7) Характерные особенности строения твердых, жидких и газообразных тел. Движение молекул в твердых, жидких и газообразных телах. • 8) Понятие агрегатного состояния вещества. • 9) Проверь себя.

10. Молекулярная физика изучает физические свойства и агрегатные состояния тел в зависимости от их молекулярного строение, молекулярных сил и характера движения молекул. Изучение свойств вещества показало что одно и тоже вещество может встречаться в твердом, жидком газообразном состоянии, которое часто называют агрегатным состоянием. Например: лед, вода, и водяной пар.

11. Как вы знаете, большинство веществ в зависимости от внешних условий (давления и температуры) могут быть либо твердыми, либо жидкими, либо газообразными. Возникает вопрос: одинаковы ли частицы одного и того же вещества, но в различных агрегатных состояниях? • Специальными исследованиями установлено, что частицы вещества не изменяются при изменении его агрегатного состояния. Например, на рисунке показано расположение молекул одного и того же вещества – воды – в твердом, жидком и газообразном состояниях. Как видите, молекулы воды остаются прежними; изменяется лишь расположение частиц и расстояния между ними.

12. Частицы взаимодействуют друг с другом Все тела состоят из частиц (атомов, молекул, ионов и др.) Частицы непрерывно хаотически движутся Основные Положения Молекулярно-Кинетической Теории 1 3 В основе молекулярно -кинетической теории строения вещества лежат три положения 2

13. 1 3 Первое положение подтверждают испарение жидкостей и твердых тел, получение фотографий отдельных крупных молекул и групп атомов, косвенные измерения масс и размеров молекул. Подтверждением третьего положения МКТ о взаимодействии частиц является возникновение упругих сил при деформациях тел, существование различных агрегатных состояний (твердого, жидкого, газообразного) одного и того же вещества. 2 Второе положение МКТ о непрерывном движении частиц подтверждают такие явления, как броуновское движение и диффузия. Опытное обоснование Основных положений молекулярно-кинетической теории

14. Основные понятия молекулярно-кинетической теории наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Размеры атома порядка 10-10 м Атом наименьшая устойчивая частица данного вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Размеры молекул 10-10 - 10-7м Молекула единица количества вещества, содержащего столько же молекул, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода Моль в одном моле любого вещества содержится одинаковое число атомов или молекул, равное постоянной Авогадро Na=6,02 · 1023моль-1 Постоянная Авогадро масса одного моля веществаM = m · Na где m – масса одного атома или молекулы Молярная масса

15. Масса одного атома или молекулы m0 = M / Na • Число атомов или молекул в данной массе (m)вещества n = m · Na / M • Число молей определяется по формуле ν= m / Mилиν= n / Na

16. Если бы между молекулами не существовало сил притяжения, то все тела при любых условиях находились бы только в газообразном состоянии. Но одни силы притяжения не могут обеспечить существования устойчивых образований из атомов и молекул. На очень малых расстояниях между молекулами обязательно действуют силы отталкивания. Благодаря этому молекулы не проникают друг в друга и куски вещества никогда не сжимаются до размеров одной молекулы. Молекула - это сложная система, состоящая из отдельных заряженных частиц: электронов и атомных ядер. Хотя в целом молекулы электрически нейтральны, тем не менее между ними на малых расстояниях действуют значительные электрические силы: происходит взаимодействие электронов и атомных ядер соседних молекул. Если молекулы находятся на расстояниях, превышающих их размеры в несколько раз, то силы взаимодействия практически не сказываются. Силы между электрически нейтральными молекулами являются короткодействующими. На расстояниях, превышающих 2 - 3 диаметра молекул, действуют силы притяжения. По мере уменьшения расстояния между молекулами сила притяжения сначала увеличивается, а затем начинает убывать и убывает до нуля, когда расстояние между двумя молекулами становится равным сумме радиусов молекул. При дальнейшем уменьшении расстояния электронные оболочки атомов начинают перекрываться, и между молекулами возникают быстро нарастающие силы отталкивания.

17. Взаимодействие заряженных частиц в веществе и зависимость силы от расстояния.

18. Броуновское движение Траектория движения 3-х броуновских частиц

19. В высокий сосуд с водой бросим несколько крупинок краски. Они опустятся на дно сосуда, и вокруг них вскоре образуется фиолетовое облачко окрашен-ной воды. Оставим сосуд в покое на несколько недель. Наблюдая за ним все это время, мы обнаружим постепенное распространение окраски по всей высоте сосуда. Говорят, что происходит диффузия краски в воду. Диффузия объясняется просто. Частицы веществ, беспорядочно двигаясь, проникают в промежутки друг между другом, что и означает смешивание веществ. Наиболее быстро диффузия происходит в газах. Медленнее – в жид-костях, а в твердых телах – совсем медленно: годами. Известен, например, следующий опыт. Две гладко отшлифованные пластины из золота и свинца пролежали друг на друге около 5 лет. За это время золото и свинец продиф-фундировали (проникли) друг в друга на глубину около 1 мм.

20. Молекулы в газе движутся хаотично (беспорядочно). В газах расстояние между атомами или молекулами в среднем во много раз больше размеров самих молекул. Молекулы в газе движутся с большими скоростями (сотни м/с). Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга как абсолютно упругие шарики, изменяя величину и направление скоростей. При больших расстояниях между молекулами силы притяжения малы и не способны удержать молекулы газа друг возле друга. Поэтому газы могут неограниченно расширяться. Газы легко сжимаются, среднее расстояние между молекулами при этом уменьшается, но все равно остается большим их размеров. Газы не сохраняют ни формы, ни объема, их объем и форма совпадают с объемом и формой сосуда, который они заполняют.

21. Молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу. Поэтому жидкости очень плохо сжимаются и сохраняют свой объем. Молекулы жидкости совершают колебания около положения равновесия. Время от времени молекула совершает переходы из одного оседлого состояния в другое, как правило, в направлении действия внешней силы. Время оседлого состояния молекулы мало и с ростом температуры уменьшается, а время перехода молекулы в новое оседлое состояние еще меньше. Поэтому жидкости текучи, не сохраняют своей формы и принимают форму сосуда, в который налиты. Теория жидкого состояния вещества впервые была разработана крупным советским физиком-теоретиком Я.И. Френкелем.

22. Атомы и молекулы твердых тел колеблются около определенных положений равновесия. Поэтому твердые тела сохраняют и объем, и форму. Если мысленно соединить центры положений равновесия атомов или ионов твердого тела, то получится кристаллическая решетка.

24. Изучение свойств вещества показало, что одно и то же вещество может встречаться в твердом, жидком и газообразном состояниях, которые часто называют агрегатными состояниями, например: лед, вода и водяной пар.

25. Проверь себя • Задание 1 • Задание 2 • Задание 3 • Задание 4 • Задание 5 Правильные ответы

26. Дидактическая цель 1) Познакомить учащихся с понятиями внут-ренней энергии, макроскопических пара-метров газа (температурой, давлением, объ-ёмом и массой), вакуума, межзвёздного газа. 2) Дать молекулярно – кинетическое истол-кование температуры и давления.

27. Воспитательная цель На примере установления макроскопических пара-метров газа – температуры и давления – необходимо раскрыть одну из категорий материалистической диалектики – причину и следствие. Так, например, изменения скорости движения или кинетической энергии молекул (причина) вызывает изменение температуры (следствие); изменение кинетической энергии молекул (причина) вызывает изменение давления газа (следствие). Причинная связь явлений имеет объективный, универсальный, всеобщий харак-тер. Все явления в природе, все изменения и процессы вызываются действием определённых причин. В мире нет и не может быть беспричинных явлений. Знание учащимися этой категории материалистической диалектики будет содействовать прочному усвоению физики.

28. Основные знания и умения 1) Знать понятия внутренней энергии, тепло-вого равновесия, теплового движения моле-кул, вакуума, длины свободного пробега молекул. 2) Знать устройство, принцип действия и наз-начение термометра, манометра, барометра и уметь ими пользоваться.

29. Мотивация познавательной деятельности учащихся Перед изучением нового материала следует сообщить учащимся, что значение материала данного занятия необходимо для усвоения основного уравнения молекулярно – кинетической теории газов и основных газовых законов, которые будут изучаться на последующих занятиях, а поэтому требуется хорошо осмыслить понятия внутренней энергии, температуры и давления. Очень важно понятия вакуума, который имеет большое практическое значение. В настоящее время многие специалисты связанные с работой вакуумной аппаратуры и криогенной техники. Представление о межзвездной среде и газовых туманностях имеет важное познавательное значение, необходимое для формирования астрофизической картины мира.

30. Последовательность изложения материала • 1) Понятие идеального и реального газов. • 2) Понятие о внутренней энергии. • 3) Тепловое равновесие. Понятие температуры. Термометр и его шкала. • 4) Измерение скорости движения молекул. Опыт Штерна. • 5) Распределение молекул по скоростям. • 6) Давление газа. Единица давления в СИ. • 7) Параметры нормального состояния газа. • 8) Понятие вакуума. Межзвездный газ.

31. Идеальный газ- модель реального газа, которая удовлетворяет следующим требованиям: • расстояние между молекулами гораздо больше их размеров (молекулы можно считать материальными точками); • силами взаимодействия, кроме моментов соударения, можно пренебречь (потенциальная энергия взаимодействия молекул по сравнению с кинетической энергией хаотического движения пренебрежимо мала); • столкновение молекул друг с другом и со стенка-ми абсолютно упругое; • движение каждой молекулы подчиняется классическим законам динамики Ньютона.

32. Различные формы движения материи в процессе взаимодействия тел и частиц переходят одна в другую. Единой всеобщей мерой движения материи является энергия. Поэтому каждому виду движения материи принято ставить в соответствие и определенный вид энергии. В современной физике условно различают следующие виды энергии: механическую, внутреннюю, химическую, атомную, ядерную, электромагнит-ную и энергию излучения. • Энергией также обладают все физические поля: гравитационное, электромагнитное и ядерное. • Сумма всех видов энергии частиц, из которых состоит данное тело, и энергии полей, которые осуществляют связь и взаимо-действие между его частицами, называется внутренней энергией тела. Внутренняя энергия зависит только от массы тела: U = mc2, где с = 3·108 м/с — скорость света в вакууме. • В молекулярной физике рассматриваются только те изменения внутренней энергии, которые связаны с молекулярными процессами (тепловым движением молекул).

33. В теории тепловых явлений основной величиной является температура, которая характеризует степень нагретости тела (холодное, теплое, горячее). Для ее измерения был создан прибор, называемый термометром. Однако, термо-метр никогда не покажет температуру тела сразу же после того, как он соприкоснулся с ним. Необходимо некоторое время для того, чтобы температуры тела и термометра выровнялись, и между телами установилось тепловое равновесие, при котором температура перестает изменяться. • Для сравнения тепловых состояний различных тел необходимо принять тепловое состояние какого-либо тела за эталон. За такое состояние принято тепловое состояние тающего льда при нор­мальном атмосферном давлении. Величина, характеризующая степень отклонения внутренней энергии тела от внутренней энергии тающего льда, называется температурой тела.

34. Измерить температуру тела - это значит измерить его внутреннюю энергию в условных единицах - градусах, отсчитываемых от условно принятого уровня. Для шкалы Цельсия – это внутренняя энергия тающего льда при нормальном атмосферном давлении, она принимается за 0о С, а температура кипения воды – за 100о С. • С точки зрения молекулярно-кинетической теории: - температура - мера средней кинетической энергии хаотического движения молекул; - тепловое равновесие – состояние, при котором все макроскопические параметры (давление, объем) сколь угодно долго остаются неизменными.

35. Температура является мерой изменения кинетической энергии хаотического движения молекул. Рассмотрим опыт по определению скорости движения молекул газа. Впервые он был поставлен в 1920 г. физиком О.Штерном. Прибор Штерна состоял из двух цилиндров разных радиусов, закрепленных на одной оси. Воздух из цилиндров был откачан до глубокого вакуума. Вдоль оси натягивалась платиновая нить, покрытая тонким слоем серебра. При пропускании по нити электрического тока она нагревалась до высокой температуры, и серебро с ее поверхности испарялось. В стенке внутреннего цилиндра была сделана узкая продольная щель, через которую проникали движущиеся атомы металла, осаждаясь на внутренней поверхности внешнего цилиндра, образуя хорошо наблюдаемую полоску.

36. Цилиндры начинали вращать с постоянной угловой скоростью. Теперь атомы, прошедшие сквозь прорезь, оседали уже не прямо напротив щели, а смещались на некоторое расстояние, так как за время их полета внешний цилиндр успевал повернуться на некоторый угол. Зная величины радиусов цилиндров, скорость их вращения и величину смещения, легко найти скорость движения атомов. Если бы все атомы двигались с одинаковой скоростью, то при вращении установки полоска на стенке внешнего цилиндра получалась бы точно такой же тонкой, как и в случае, когда установка не вращалась. Однако при вращении полоска, образованная осевшими на стенку цилиндра атомами, оказывалась размытой. Значит скорости атомов были разными.

38. Согласно молекулярно-кинетической теории, как бы не изменялись скорости молекул при столкновениях, средняя квадратичная скорость молекул массой m0 в газе, находящемся в состоянии равновесия при Т = const, остается постоянной и равной Это объясняется тем, что в газе, находящемся в состоянии равновесия, устанавливается некое стационарное, не меняющееся со временем распределение молекул по скоростям, которое подчиняется вполне определенному статистическому закону. Этот закон выведен Дж.Максвеллом. Закон Максвелла описывается некоторой функцией f(v), называемой функци-ей распределения молекул по скоростям. Если разбить диапазон скоростей молекул на малые интервалы, равные Δv, то на каждый интервал скорости будет приходиться некото­рое число молекул ΔN(v), имеющих скорость, заключенную в данном интервале. Функция f (v) определяет относительное число молекул ΔN(v)/N, скорости которых лежат в интервале от v до v + Δv, т. е.

39. График функции распределения молекул по скоростям:

40. При повышении температуры максимум функции распределения молекул по скоростям сместится вправо (значение наиболее вероятной скорости становится больше). Однако площадь, ограниченная кривой остается неизменной, поэтому при повышении температуры кривая распределения молекул будет растягиваться и понижаться:

41. Воспользуемся моделью идеального газа для объяснения происхождения давления газа. Вследствие теплового движения, частицы газа время от времени ударяются о стенки сосуда. При каждом ударе молекулы действуют на стенку сосуда с некоторой силой. Складываясь друг с другом, силы ударов отдельных частиц образуют некоторую силу давления, постоянно действующую на стенку.

42. Понятно, что чем больше частиц содержится в сосуде, тем чаще они будут ударяться о стенку сосуда, и тем большей будет сила давления, а значит и давление. Чем быстрее движутся частицы, тем сильнее они ударяют в стенку сосуда. Чем больше масса частицы, тем больше сила удара. Чем быстрее движутся частицы, тем чаще они ударяются о стенки сосуда. Итак, сила, с которой молекулы действуют на стенку сосуда, прямо пропорциональна числу молекул, содержащихся в единице объема (это число называется концентрацией молекул и обозначается n), массе молекулы mo, среднему квадрату их скоростей и площади стенки сосуда. В результате получаем: давление газа прямо пропорционально концентрации частиц, массе частицы и квадрату скорости частицы (или их кинетической энергии). Зависимость давления идеального газа от концентрации и от средней кинетической энергии частиц выражается основным уравнением молекулярно-кинетической теории идеального газа. Мы получили основное уравнение МКТ идеального газа из общих соображений, но его можно строго вывести, опираясь на законы классической механики. Приведем одну из форм записи основного уравнения МКТ: P=(1/3)· n· mo· V2

43. Единица давления в СИ – паскаль (Па): 1 Па = 1 Н / м2

44. Параметры нормального состояния газа: • давление p0 = 1 атм = 105 Па ; • температура t0 = 0о C ; • объем V0 = 22,4 м3.

45. Принято считать, что в сосуде вакуум, если средняя длина свободного пробега молекул газа определяется только размерами сосуда. При этом в большинстве случаев молекулы беспрепятственно летают между стенками сосуда и лишь после многих ударов о стенки изредка сталкиваются друг с другом. Степеньразрежения газа зависит от соотношения между среднейдлиной свободного пробега молекул λ и линейными размерамисосуда d. Различают следующие степени вакуума: - сверхвысокийλ>> d - давление 10-8 мм рт. ст. и меньше; - высокийλ> d - давление 10-8– 10-3мм рт. ст.; - среднийλ< d - давление 10-3- 1 мм рт. ст.; - низкийλ<< d - давление 1 - 760 мм рт. ст.

46. В природе существует среда, где концентрация частиц в миллионы раз меньше, чем в самом высоком вакууме, который удается создать в земных лабораториях (10-9 Па или 10-11 мм рт. ст.). Это межзвездная среда. Межзвездная среда состоит прежде всего из атомов и молекул водорода, причем плотность вещества не является равномерной. Даже с помощью небольшого телескопа можно наблюдать светлые туманности в созвездиях Ориона, Стрельца, Лебедя, Единорога и др. В туманностях, которые представляют собой протяженные облака межзвездного газа и пыли, средняя плотность газа составляет 10 частиц на 1 см3. В газовых туманностях давление газа в десятки тысяч раз меньше, чем в сверхвакууме. В1 м3 воздуха при нормальном атмосферном давлении содержится молекул порядка 1025, а в газовых туманностях - порядка 106 - 108. Абсолютного вакуума не существует, потому что пространство, в котором, предположим, нет ни одной частицы, не пустое, а заполнено гравитационными и электромагнитными полями.

47. Дидактическая цель 1) Ознакомить учащихся с основным уравнением молекулярно – кинетической теории идеального газа. 2) Дать понятие температуры на основе молекулярно – кинетической теории. 3) Дать понятие абсолютного нуля и термодинамической шкалы температур.

48. Воспитательная цель На данном занятии учащиеся непосред-ственно знакомятся со статистическими закономерностями, благодаря которым устанавливается связь между свойствами отдельных микрочастиц вещества (массой, скоростью и концентрацией молекул) с макропараметрами, характеризующими состояние вещества (давлением). Учащиеся убеждаются в могуществе физических методов познания законов природы, в частности статистического метода.

49. Основные знания и умения 1)Знать математическую запись основного уравнения молекулярно-кинетической тео-рии и уметь объяснять давление газа на стенки сосуда с точки зрения этой теории. 2) Уметь решать задачи с использованием основного уравнения молекулярно-кинети-ческой теории газов и производить перехо-ды от практической шкалы температур к термодинамической и наоборот.

50. Последовательность изложения материала • 1) Основное уравнение молекулярно- кинетической теории идеального газа. • 2) Внутренняя энергия идеального газа. • 3) Теплоёмкость. Удельная и молярная теплоёмкости. • 4) Абсолютный нуль. Термодинамическая шкала температуры. Связь междупрактической и термодинамической шкалами температур.