الرابع ياكوفليف | مواد في الفيزياء | MathUs.ru

الفيزياء الجزيئية والديناميكا الحرارية

هذا الدليل مخصص للقسم الثاني الفيزياء الجزيئية. الديناميكا الحرارية لمبرمج الاستخدام في الفيزياء. يغطي المواضيع التالية.

الحركة الحرارية للذرات وجزيئات المادة. الحركة البراونية. انتشار. دليل تجريبي للنظرية الذرية. تفاعل جسيمات المادة.

نماذج هيكل الغازات والسوائل والمواد الصلبة.

نموذج الغاز المثالي. العلاقة بين الضغط ومتوسط ​​الطاقة الحركية الحركة الحراريةجزيئات الغاز المثالية. درجة الحرارة المطلقة. اتصال درجة حرارة الغاز بمتوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئاته. المعادلة p = nkT. معادلة منديليف لكلابيرون.

المعالجات المتساوية: العمليات متساوي الحرارة ، متساوي الضغط ، متساوي الضغط ، ثابت الحرارة.

أزواج مشبعة وغير مشبعة. رطوبة الجو.

التغيرات في الحالات الكلية للمادة: التبخر والتكثيف ، غليان السائل ، الذوبان والتبلور. تغير الطاقة في انتقالات الطور.

الطاقة الداخلية. التوازن الحراري. انتقال الحرارة. كمية الحرارة. حرارة نوعيةمواد. معادلة توازن الحرارة.

العمل في الديناميكا الحرارية. القانون الأول للديناميكا الحرارية.

مبادئ تشغيل الآلات الحرارية. كفاءة المحرك الحراري. القانون الثاني للديناميكا الحرارية. مشاكل الطاقة وحماية البيئة.

يحتوي الدليل أيضًا على بعض مواد اضافية، غير مدرج في مبرمج الاستخدام (ولكنه مدرج في المناهج الدراسية!). تتيح لك هذه المواد فهم الموضوعات التي يتم تناولها بشكل أفضل.

1.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3 السوائل. . . . . . 10

	الصيغ الأساسية للفيزياء الجزيئية
	درجة حرارة
		نظام الديناميكا الحرارية. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		توازن حراري. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		مقياس درجة الحرارة. درجة الحرارة المطلقة . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	معادلة الغاز المثالية للدولة
		متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات الغاز. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2 المعادلة الأساسية لـ MKT للغاز المثالي. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.3 طاقة الجسيمات ودرجة حرارة الغاز. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6.1 عملية الديناميكا الحرارية. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.2 عملية متساوية الحرارة. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.3 الرسوم البيانية العملية متساوي الحرارة. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

6.4 عملية متساوية الضغط. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6.5 قطع من عملية متساوية الضغط. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

	عملية إيزوكوريك. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	مؤامرات عملية Isochoric. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 بخار مشبع

7.1 التبخر والتكثيف

7.2 توازن ديناميكي. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.3 خصائص البخار المشبع. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

8.1 الطاقة الداخلية للغاز المثالي أحادي الذرة. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

8.2 وظيفة الحالة. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.3 التغيير في الطاقة الداخلية: القيام بالعمل. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.4 التغير في الطاقة الداخلية: انتقال الحرارة . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.5 توصيل حراري. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

10 انتقالات المرحلة

10.1 الذوبان والتبلور. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

10.2 مخطط الانصهار. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

10.3 الحرارة النوعية للانصهار. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

10.4 مخطط التبلور. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

10.5 التبخير والتكثيف. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

10.6 الغليان. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

10.7 جدول الغليان. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

10.8 منحنى التكثيف. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11 القانون الأول للديناميكا الحرارية

11.1 عمل الغاز في عملية متساوية الضغط. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

11.2 يعمل الغاز في عملية تعسفية. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.3 العمل المنجز على الغاز. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.4 القانون الأول للديناميكا الحرارية. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

11.5 تطبيق القانون الأول للديناميكا الحرارية على المعالجات المتساوية. . . . . . . . . . . . . 46

11.6 عملية ثابت الحرارة. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.1 محركات الحرارة. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

12.2 ماكينات التبريد. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

13.1 عدم رجوع العمليات في الطبيعة. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

13.2 مسلمات كلاوزيوس وكلفن. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1 أحكام أساسيةالنظرية الحركية الجزيئية

يمتلك الفيزيائي الأمريكي العظيم ريتشارد فاينمان ، مؤلف الدورة الشهيرة "محاضرات فاينمان في الفيزياء" كلمات رائعة:

إذا ، نتيجة لكارثة عالمية ، تراكمت كلها معرفة علميةإذا تم نقل عبارة واحدة فقط إلى الأجيال القادمة من الكائنات الحية ، فما العبارة ، المكونة من أقل عدد من الكلمات ، والتي ستجلب أكبر قدر من المعلومات؟ أعتقد أن هذه فرضية ذرية (يمكنك تسميتها ليست فرضية ، بل حقيقة ، لكن هذا لا يغير شيئًا): كل الأجسام تتكون من ذرات أجسام صغيرة تتحرك باستمرار ، تنجذب على مسافة قصيرة ، لكن صد إذا ضغط أحدهما بقوة على الآخر. في هذه الجملة الواحدة. . . يحتوي على كمية لا تصدق من المعلومات حول العالم ، ما عليك سوى وضع القليل من الخيال والتفكير فيه.

تحتوي هذه الكلمات على جوهر النظرية الحركية الجزيئية (MKT) لبنية المادة. على وجه التحديد ، الأحكام الرئيسية لـ MKT هي البيانات الثلاثة التالية.

1. تتكون أي مادة من أصغر جزيئات الجزيئات والذرات. توجد بشكل منفصل في الفضاء ، أي على مسافات معينة من بعضها البعض.

2. تكون الذرات أو جزيئات المادة في حالة حركة عشوائية 1 ، الذي لا ينتهي أبدًا.

3. تتفاعل ذرات أو جزيئات مادة ما مع بعضها البعض بواسطة قوى الجذب والتنافر ، والتي تعتمد على المسافات بين الجسيمات.

هذه الأحكام هي تعميم للعديد من الملاحظات والحقائق التجريبية. دعونا نلقي نظرة فاحصة على هذه الأحكام ونقدم تبريرها التجريبي.

1.1 الذرات والجزيئات

لنأخذ قطعة من الورق ونبدأ في تقسيمها إلى أجزاء أصغر وأصغر. هل سنحصل على قطع من الورق في كل خطوة ، أم سيظهر شيء جديد في مرحلة ما؟

يخبرنا الموقف الأول لـ MKT أن المادة ليست قابلة للقسمة بلا حدود. عاجلاً أم آجلاً سوف نصل إلى "الحد الأخير" لأصغر جسيمات مادة معينة. هذه الجسيمات هي ذرات وجزيئات. يمكن أيضًا تقسيمها إلى أجزاء ، ولكن بعد ذلك ستتوقف المادة الأصلية عن الوجود.

الذرة هي أصغر جسيم لعنصر كيميائي معين يحتفظ بكل عناصره الخواص الكيميائية. لا يوجد الكثير من العناصر الكيميائية ؛ تم تلخيصها جميعًا في الجدول الدوري.

الجزيء هو أصغر جسيم في مادة معينة (وليس عنصرًا كيميائيًا) الذي يحتفظ بجميع خواصه الكيميائية. يتكون الجزيء من ذرتين أو أكثر من عنصر كيميائي واحد أو أكثر.

على سبيل المثال ، H2O عبارة عن جزيء ماء يتكون من ذرتين هيدروجين وذرة أكسجين. بتقسيمها إلى ذرات ، لن نتعامل بعد الآن مع مادة تسمى "الماء". علاوة على ذلك ، من خلال تقسيم ذرات H و O إلى الأجزاء المكونة لها ، نحصل على مجموعة من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات ، وبالتالي نفقد المعلومات التي كانت في البداية عبارة عن الهيدروجين والأكسجين.

1 تسمى هذه الحركة بالحركة الحرارية.

حجم الذرة أو الجزيء (يتكون من لا عدد كبيرذرات) حوالي 10 8 سم وهذه قيمة صغيرة بحيث لا يمكن رؤية الذرة في أي مجهر ضوئي.

باختصار ، تسمى الذرات والجزيئات ببساطة جسيمات المادة. ما هو بالضبط الجسيم ذرة أو جزيء في كل حالة معينة ليس من الصعب تحديده. إذا كان الأمر يتعلق عنصر كيميائي، ثم الجسيم سيكون ذرة ؛ إذا تم النظر في مادة معقدة ، فإن جسيمها عبارة عن جزيء يتكون من عدة ذرات.

علاوة على ذلك ، فإن الاقتراح الأول لـ MKT ينص على أن جسيمات المادة لا تملأ الفراغ بشكل مستمر. توجد الجسيمات بشكل منفصل ، أي كما لو كانت في نقاط منفصلة. توجد فجوات بين الجسيمات ، يمكن أن يختلف حجمها في حدود معينة.

تشهد ظاهرة التمدد الحراري للأجسام لصالح المركز الأول لـ MKT. وهي ، عند تسخينها ، تزداد المسافات بين جزيئات المادة ، وتزداد أبعاد الجسم. عند التبريد ، على العكس من ذلك ، تقل المسافات بين الجزيئات ، ونتيجة لذلك يتقلص الجسم.

يعد الانتشار ، الاختراق المتبادل للمواد الملامسة لبعضها البعض ، تأكيدًا مذهلاً للموقف الأول لـ MKT.

على سبيل المثال ، في الشكل. يوضح الشكل 1 2 عملية الانتشار في سائل. يتم وضع جزيئات المذاب في كوب من الماء وتوجد أولاً في الجزء الأيسر العلوي من الزجاج. بمرور الوقت ، تتحرك الجسيمات (على سبيل المثال ، منتشرة) من منطقة ذات تركيز عالٍ إلى منطقة تركيز منخفض. في النهاية ، يصبح تركيز الجسيمات هو نفسه في كل مكان ؛ الجسيمات موزعة بالتساوي في جميع أنحاء حجم السائل.

أرز. 1. إنتشار في سائل

كيف نفسر الانتشار من وجهة نظر النظرية الحركية الجزيئية؟ بكل بساطة: جزيئات مادة ما تخترق الفجوات بين جزيئات مادة أخرى. يزداد الانتشار بشكل أسرع ، وكلما كانت هذه الفجوات أكبر ؛ لذلك ، يسهل خلط الغازات مع بعضها البعض (حيث تكون المسافات بين الجزيئات كثيرة المزيد من الأحجامالجسيمات نفسها).

1.2 الحركة الحرارية للذرات والجزيئات

لنتذكر مرة أخرى صياغة الاقتراح الثاني لـ MKT: تقوم جسيمات المادة بحركة عشوائية (تسمى أيضًا الحركة الحرارية) ، والتي لا تتوقف أبدًا.

التأكيد التجريبي للموضع الثاني لـ MKT هو مرة أخرى ظاهرة الانتشار ، لأن الاختراق المتبادل للجسيمات ممكن فقط مع حركتها المستمرة!

2 صورة من en.wikipedia.org.

لكن الدليل الأكثر وضوحا على الحركة الفوضوية الأبدية لجسيمات المادة هو الحركة البراونية. هذا هو اسم الحركة العشوائية المستمرة لجسيمات براونيان لجزيئات الغبار أو الحبوب (حجمها 10 5-104 سم) معلقة في سائل أو غاز.

حصلت الحركة البراونية على اسمها تكريما لعالم النبات الاسكتلندي روبرت براون ، الذي رأى من خلال مجهر الرقص المستمر لجزيئات حبوب اللقاح المعلقة في الماء. كدليل على أن هذه الحركة تستغرق وقتًا طويلاً ، وجد براون قطعة من الكوارتز ذات تجويف مملوء بالماء. على الرغم من حقيقة أن الماء وصل إلى هناك منذ عدة ملايين من السنين ، إلا أن الفئران التي وصلت إلى هناك استمرت في حركتها ، والتي لم تكن مختلفة عما لوحظ في التجارب الأخرى.

سبب الحركة البراونية هو أن الجسيم المعلق يتعرض لتأثيرات غير معوضة من جزيئات السائل (الغاز) ، وبسبب الحركة الفوضوية للجزيئات ، فإن حجم واتجاه التأثير الناتج لا يمكن التنبؤ به على الإطلاق. لذلك ، يصف الجسيم البراوني مسارات متعرجة معقدة (الشكل 2) 3.

أرز. 2. الحركة البراونية

حجم الجسيمات البراونية هو 1000-10000 ضعف حجم الذرة. من ناحية أخرى ، يكون الجسيم البراوني صغيرًا بدرجة كافية ولا يزال "يشعر" بأن عددًا مختلفًا من الجزيئات اصطدم به في اتجاهات مختلفة ؛ هذا الاختلاف في عدد التأثيرات يؤدي إلى نزوح ملحوظ للجسيم البراوني. من ناحية أخرى ، فإن الجسيمات البراونية كبيرة بما يكفي ليتم رؤيتها بالمجهر.

بالمناسبة ، يمكن أيضًا اعتبار الحركة البراونية كدليل على حقيقة وجود الجزيئات ، أي أنها يمكن أن تكون أيضًا بمثابة إثبات تجريبي للموضع الأول لـ MKT.

1.3 تفاعل جسيمات المادة

يتحدث الموضع الثالث لـ MKT عن تفاعل جسيمات مادة ما: تتفاعل الذرات أو الجزيئات مع بعضها البعض بواسطة قوى الجذب والتنافر ، والتي تعتمد على المسافات بين الجسيمات: مع زيادة المسافات ، تبدأ قوى الجذب في تسود ، مع انخفاض في القوة البغيضة.

يتضح صحة الموضع الثالث لـ MKT من خلال القوى المرنة الناشئة عن تشوهات الأجسام. عندما يتمدد الجسم ، تزداد المسافات بين جزيئاته ، وتبدأ قوى جذب الجسيمات لبعضها البعض في السيادة. عندما يتم ضغط الجسم ، تقل المسافات بين الجسيمات ، ونتيجة لذلك ، تسود قوى التنافر. في كلتا الحالتين ، يتم توجيه القوة المرنة في الاتجاه المعاكس للتشوه.

3 صورة من موقع nv-magadan.narod.ru.

تأكيد آخر لوجود قوى التفاعل بين الجزيئات هو وجود ثلاث حالات مجمعة للمادة.

في في الغازات ، يتم فصل الجزيئات عن بعضها البعض بمسافات تتجاوز بشكل كبير أبعاد الجزيئات نفسها (في الهواء عند الظروف الطبيعيةحوالي 1000 مرة). في مثل هذه المسافات ، تكون قوى التفاعل بين الجزيئات غائبة عمليًا ، وبالتالي تشغل الغازات الحجم الكامل المقدم لها ويمكن ضغطها بسهولة.

في في السوائل ، تكون المسافات بين الجزيئات قابلة للمقارنة مع حجم الجزيئات. إن قوى الجذب الجزيئي ملموسة للغاية وتضمن الحفاظ على الحجم بالسوائل. لكن هذه القوى ليست قوية بما يكفي لتحافظ السوائل على شكلها ، والسوائل ، مثل الغازات ، تأخذ شكل وعاء.

في في المواد الصلبة ، تكون قوى التجاذب بين الجسيمات قوية جدًا: لا تحتفظ المواد الصلبة بالحجم فحسب ، بل بالشكل أيضًا.

إن انتقال مادة من حالة تجميع إلى أخرى هو نتيجة لتغير في حجم قوى التفاعل بين جسيمات المادة. تبقى الجسيمات نفسها دون تغيير.

ما رأيك في تحديد معدل ذوبان السكر في الماء؟ يمكنك القيام بتجربة بسيطة. خذ قطعتين من السكر ورمي إحداهما في كوب من الماء المغلي والأخرى في كوب من الماء البارد.

سترى كيف سيذوب السكر الموجود في الماء المغلي أسرع عدة مرات من الماء البارد. سبب الانحلال هو الانتشار. هذا يعني أن الانتشار يحدث بشكل أسرع وأكثر درجة حرارة عالية. يحدث الانتشار بسبب حركة الجزيئات. لذلك ، نستنتج أن الجزيئات تتحرك بشكل أسرع في درجات حرارة أعلى. أي أن سرعة حركتهم تعتمد على درجة الحرارة. هذا هو السبب في أن الحركة الفوضوية العشوائية للجزيئات التي يتكون منها الجسم تسمى الحركة الحرارية.

الحركة الحرارية للجزيئات

مع ارتفاع درجة الحرارة ، تزداد الحركة الحرارية للجزيئات ، وتتغير خصائص المادة. يذوب الصلب ، ويتحول إلى سائل ، ويتبخر السائل ، ويتحول إلى حالة غازية. وفقًا لذلك ، إذا تم خفض درجة الحرارة ، فإن متوسط ​​طاقة الحركة الحرارية للجزيئات سينخفض ​​أيضًا ، وبالتالي ، ستحدث عمليات تغيير حالة تجمع الأجسام في غير إتجاه: سيتكثف الماء في سائل ، ويتجمد السائل في حالة صلبة. في الوقت نفسه ، نتحدث دائمًا عن متوسط ​​قيم درجة الحرارة والسرعة الجزيئية ، حيث توجد دائمًا جسيمات ذات قيم أكبر وأصغر لهذه القيم.

تتحرك الجزيئات في المواد ، وتقطع مسافة معينة ، لذلك تقوم ببعض العمل. أي يمكننا التحدث عن الطاقة الحركية للجسيمات. بسبب ترتيبها المتبادل ، هناك أيضًا طاقة محتملة للجزيئات. عندما نتحدث عن الطاقة الحركية والمحتملة للأجسام ، فإننا نتحدث عن وجود الطاقة الميكانيكية الكلية للأجسام. إذا كانت جسيمات الجسم تمتلك طاقة حركية وطاقة كامنة ، فيمكننا التحدث عن مجموع هذه الطاقات ككمية مستقلة.

الطاقة الداخلية للجسم

تأمل في مثال. إذا ألقينا كرة مرنة على الأرض ، فإن الطاقة الحركية لحركتها تتحول تمامًا إلى طاقة كامنة في اللحظة التي تلمس فيها الأرض ، ثم تعود إلى طاقة حركية عندما ترتد. إذا رمينا كرة حديدية ثقيلة على سطح صلب غير مرن ، فإن الكرة ستهبط دون أن ترتد. ستكون طاقاته الحركية والمحتملة بعد الهبوط مساوية للصفر. أين ذهبت الطاقة؟ هل اختفت للتو؟ إذا فحصنا الكرة والسطح بعد الاصطدام ، يمكننا أن نرى أن الكرة قد سوت قليلاً ، وتركت انبعاجًا على السطح ، وكلاهما تدفأ قليلاً. أي أنه كان هناك تغيير في ترتيب جزيئات الأجسام ، كما ارتفعت درجة الحرارة. هذا يعني أن الطاقات الحركية والمحتملة لجزيئات الجسم قد تغيرت. لم تذهب طاقة الجسم إلى أي مكان، فقد انتقلت إلى الطاقة الداخلية للجسم. تسمى الطاقة الداخلية بالطاقة الحركية والوضعية لجميع جزيئات الجسم. تسبب اصطدام الجثث في تغير في الطاقة الداخلية ، وزاد ، وانخفضت الطاقة الميكانيكية. هذا ما تتكون منه

§ 1. الحركة الحرارية. درجة الحرارة في العالم من حولنا ، هناك أنواع مختلفة الظواهر الفيزيائيةالمرتبطة بأجسام التدفئة والتبريد. نحن نعلم ذلك عند تسخينها ماء باردأولا تصبح دافئة ثم ساخنة. بكلمات مثل "بارد" و "دافئ" و "ساخن" ، نشير إلى درجة مختلفة من تسخين الأجساد ، أو ، كما يقولون في الفيزياء ، إلى درجة حرارة مختلفة للأجسام. درجة حرارة الماء الساخن أعلى من درجة حرارة الماء البارد. تكون درجة حرارة الهواء في الصيف أعلى منها في الشتاء.أمثلة على الظواهر الحرارية:
أ - ذوبان الجليد. ب - تجميد الماء تُقاس درجة حرارة الجسم بميزان حرارة ويُعبر عنها بالدرجات المئوية (درجة مئوية).أنت تعلم بالفعل أن الانتشار عند درجة حرارة أعلى يكون أسرع. هذا يعني أن سرعة حركة الجزيئات ودرجة الحرارة مرتبطان. عندما ترتفع درجة الحرارة ، تزداد سرعة حركة الجزيئات ، وعندما تنخفض تنخفض. لذلك ، تعتمد درجة حرارة الجسم على سرعة حركة الجزيئات.يتكون الماء الدافئ من نفس جزيئات الماء البارد. يكمن الاختلاف بينهما فقط في سرعة حركة الجزيئات ، وتسمى الظواهر المرتبطة بالتدفئة أو التبريد ، مع تغير درجة الحرارة ، بالحرارة. وتشمل هذه الظواهر ، على سبيل المثال ، تسخين الهواء وتبريده ، وذوبان الجليد ، وذوبان المعادن ، وما إلى ذلك. تكون الجزيئات أو الذرات التي تتكون منها الأجسام في حركة عشوائية مستمرة. عددهم في الجثث من حولنا كبير جدا. إذن ، في حجم يساوي 1 سم 3 من الماء ، يوجد حوالي 3.34 1022 جزيء. يتحرك كل جزيء في مسار معقد للغاية. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن جزيئات الغاز التي تتحرك بسرعات عالية في اتجاهات مختلفة ، على سبيل المثال ، تتصادم مع بعضها البعض ومع جدران الوعاء. نتيجة لذلك ، يغيرون سرعتهم ويستمرون في الحركة مرة أخرى. يوضح الشكل 1 مسارات الجسيمات المجهرية للطلاء الذائبة في الماء.أرز. 1. مسار حركة جزيئات الطلاء الدقيقة الذائبة في الماء نظرًا لأن درجة حرارته مرتبطة بسرعة حركة جزيئات الجسم ، فإن الحركة العشوائية للجسيمات تسمى الحركة الحرارية. في السوائل ، يمكن للجزيئات أن تتأرجح وتدور وتتحرك بالنسبة لبعضها البعض. في المواد الصلبة ، تهتز الجزيئات والذرات حول مواضع متوسطة معينة ، وتشارك جميع جزيئات الجسم في الحركة الحرارية ، وبالتالي ، مع تغير في طبيعة الحركة الحرارية ، تتغير أيضًا حالة الجسم وخصائصه. لذلك ، عندما ترتفع درجة الحرارة ، يبدأ الجليد في الذوبان ويتحول إلى سائل. إذا تم تخفيض درجة حرارة الزئبق ، على سبيل المثال ، فإنه يتحول من سائل إلى مادة صلبة شعرية الكريستالجليد درجة حرارة الجسم في الداخل اغلق الاتصالبمتوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات. كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم ، زاد متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئاته. مع انخفاض درجة حرارة الجسم ، ينخفض ​​متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئاته.

يناقش هذا الدرس مفهوم الحركة الحرارية وكمية فيزيائية مثل درجة الحرارة.

الظواهر الحرارية في حياة الإنسان لها أهمية كبيرة. نواجههم أثناء توقعات الطقس وأثناء غليان الماء العادي. ترتبط الظواهر الحرارية بعمليات مثل إنشاء مواد جديدة ، وذوبان المعادن ، واحتراق الوقود ، وإنشاء أنواع جديدة من الوقود للسيارات والطائرات ، وما إلى ذلك.

درجة الحرارة هي واحدة من أهم المفاهيمالمرتبطة بالظواهر الحرارية ، حيث غالبًا ما تكون درجة الحرارة أهم ما يميزهالعمليات الحرارية.

تعريف.الظواهر الحرارية- هذه ظواهر مرتبطة بتسخين أو تبريد الأجسام ، وكذلك بالتغير في حالة تجمعها (الشكل 1).

أرز. 1. ذوبان الجليد وتسخين المياه والتبخر

ترتبط جميع الظواهر الحرارية درجة حرارة.

جميع الجثث تتميز بحالة من توازن حراري. الشخصيات الرئيسيهالتوازن الحراري هو درجة الحرارة.

تعريف.درجة حرارةهو مقياس "دفء" الجسم.

نظرًا لأن درجة الحرارة هي كمية فيزيائية ، فيمكن ويجب قياسها. تسمى الأداة المستخدمة لقياس درجة الحرارة ميزان الحرارة(من اليونانية. ثيرمو- "دافيء"، ميتريو- "أنا أقيس") (الشكل 2).

أرز. 2. ميزان الحرارة

اخترع غاليليو جاليلي مقياس الحرارة الأول (أو بالأحرى نظيره).

أرز. 3 - جاليليو جاليلي (1564-1642)

اختراع جاليليو الذي قدمه لطلابه في محاضرات بالجامعة في أواخر السادس عشرالقرن (1597) ، كان يسمى منظار. يعتمد تشغيل أي مقياس حرارة على المبدأ التالي: الخصائص الفيزيائيةالمواد تتغير مع درجة الحرارة.

تجربة جاليليوويتكون مما يلي: أخذ قارورة ذات ساق طويلة وملأها بالماء. ثم أخذ كوبًا من الماء وقلب القارورة رأسًا على عقب ، ووضعها في كوب. جزء من الماء ، بالطبع ، انسكب ، ولكن نتيجة لذلك ، بقي مستوى معين من الماء في الساق. إذا تم تسخين القارورة (التي تحتوي على هواء) الآن ، فإن مستوى الماء سينخفض ​​، وإذا تم تبريده ، فإنه على العكس سيرتفع. هذا يرجع إلى حقيقة أنه عند تسخينها ، تميل المواد (على وجه الخصوص ، الهواء) إلى التمدد ، وعندما يتم تبريدها ، فإنها تضيق (وهذا هو السبب في جعل القضبان غير متصلة ، وتهدل الأسلاك بين القطبين أحيانًا).

أرز. 4. تجربة جاليليو

شكلت هذه الفكرة أساس أول منظار حراري (الشكل 5) ، مما جعل من الممكن تقييم التغير في درجة الحرارة (من المستحيل قياس درجة الحرارة بدقة باستخدام هذا المنظار الحراري ، لأن قراءاته ستعتمد بشدة على الضغط الجوي).

أرز. 5. نسخة من منظار جاليليو الحراري

في الوقت نفسه ، تم تقديم ما يسمى بمقياس الدرجة. الكلمة ذاتها درجةفي اللاتينية تعني "خطوة".

حتى الآن ، نجت ثلاثة مقاييس رئيسية.

1. درجة مئوية

المقياس الأكثر استخدامًا ، والمعروف للجميع منذ الطفولة ، هو المقياس المئوي.

Anders Celsius (الشكل 6) - عالم الفلك السويدي ، الذي اقترح مقياس درجة الحرارة التالي: - نقطة غليان الماء ؛ - نقطة تجمد الماء. في الوقت الحاضر ، اعتدنا جميعًا على مقياس سلزيوس المقلوب.

أرز. 6 أندريس سيلسيوس (1701-1744)

ملحوظة:قال سيلسيوس نفسه أن هذا الاختيار للمقياس كان سببه حقيقة بسيطة: لكن في الشتاء لن تكون هناك درجة حرارة سلبية.

2. مقياس فهرنهايت

في إنجلترا والولايات المتحدة وفرنسا وأمريكا اللاتينية وبعض البلدان الأخرى ، يحظى مقياس فهرنهايت بشعبية.

غابرييل فهرنهايت (الشكل 7) هو باحث ومهندس ألماني طبق لأول مرة مقياسه الخاص في صناعة الزجاج. مقياس فهرنهايت أرق: أبعاد مقياس فهرنهايت أقل من درجة مقياس سلزيوس.

أرز. 7- غابرييل فهرنهايت (1686-1736)

3. مقياس ريومور

تم اختراع المقياس التقني من قبل الباحث الفرنسي R.A. ريومور (الشكل 8). وفقًا لهذا المقياس ، فإنه يتوافق مع نقطة تجمد الماء ، لكن Réaumur اختار درجة حرارة 80 درجة كنقطة غليان الماء.

أرز. 8 - رينيه أنطوان ريومور (1683-1757)

في الفيزياء ، ما يسمى ب المقياس المطلق - مقياس كلفن(الشكل 8). 1 درجة مئوية تساوي 1 درجة كلفن ، لكن درجة الحرارة في تقابل تقريبًا (الشكل 9).

أرز. 9- ويليام طومسون (اللورد كلفن) (1824-1907)

أرز. 10. موازين درجة الحرارة

تذكر أنه عندما تتغير درجة حرارة الجسم ، تتغير أبعادها الخطية (عند تسخينها ، يتمدد الجسم ، عندما يبرد ، يضيق). يتعلق الأمر بسلوك الجزيئات. عند تسخينها ، تزداد سرعة حركة الجسيمات ، على التوالي ، تبدأ في التفاعل كثيرًا ويزداد الحجم (الشكل 11).

أرز. 11. تغيير الأبعاد الخطية

من هذا يمكننا أن نستنتج أن درجة الحرارة مرتبطة بحركة الجسيمات التي تتكون منها الأجسام (وهذا ينطبق على الأجسام الصلبة والسائلة والغازية).

حركة الجسيمات في الغازات (الشكل 12) عشوائية (لأن الجزيئات والذرات في الغازات لا تتفاعل عمليًا).

أرز. 12. حركة الجسيمات في الغازات

حركة الجسيمات في السوائل (الشكل 13) "تقفز" ، أي أن الجزيئات تقود "أسلوب حياة خامل" ، لكنها قادرة على "القفز" من مكان إلى آخر. هذا يحدد سيولة السوائل.

أرز. 13. حركة الجزيئات في السوائل

حركة الجسيمات في المواد الصلبة(الشكل 14) يسمى متذبذبة.

أرز. 14. حركة الجسيمات في المواد الصلبة

وبالتالي ، فإن جميع الجسيمات في حركة مستمرة. تسمى حركة الجسيمات هذه الحركة الحرارية(حركة عشوائية فوضوية). هذه الحركة لا تتوقف أبدًا (طالما أن درجة حرارة الجسم). تم تأكيد وجود الحركة الحرارية في عام 1827 من قبل عالم النبات الإنجليزي روبرت براون (الشكل 15) ، وبعد ذلك سميت هذه الحركة الحركة البراونية.

أرز. 15. روبرت براون (1773-1858)

حتى الآن ، من المعروف أن درجة حرارة منخفضةالذي يمكن تحقيقه هو تقريبا. عند درجة الحرارة هذه تتوقف حركة الجسيمات (ومع ذلك ، فإن الحركة داخل الجسيمات نفسها لا تتوقف).

تم وصف تجربة جاليليو في وقت سابق ، وفي الختام ، دعونا نفكر في تجربة أخرى - تجربة العالم الفرنسي غيوم أمونتون (الشكل 15) ، الذي اخترع في عام 1702 ما يسمى ميزان حرارة الغاز. مع تغييرات طفيفة ، هذا ميزان الحرارة صمد حتى يومنا هذا.

أرز. 15- غيوم أمونتون (1663-1705)

تجربة أمونتون

أرز. 16. تجربة أمونتون

خذ قارورة بالماء وقم بتوصيلها بسدادة بأنبوب رفيع. إذا قمت الآن بتسخين الماء ، فبسبب تمدد الماء ، سيزداد مستواه في الأنبوب. وفقًا لمستوى ارتفاع الماء في الأنبوب ، يمكن استخلاص استنتاج حول التغير في درجة الحرارة. ميزة ترمومتر أمونتونهو أنه لا يعتمد على الضغط الجوي.

في هذا الدرس ، اعتبرنا مثل هذا الأمر مهمًا الكمية المادية، كيف درجة حرارة. درسنا طرق قياسه وخصائصه وخصائصه. في الدرس التالي ، سوف نستكشف المفهوم الطاقة الداخلية.

فهرس

1. جيندنشتاين إل إي ، كايدالوف أ.ب. ، كوزيفنيكوف ف.ب. / إد. Orlova V.A.، Roizena I.I. الفيزياء 8. - م: Mnemosyne.
2. Peryshkin A.V. الفيزياء 8. - م: بوستارد ، 2010.
3. فاديفا أ.أ ، زاسوف أ.ف. ، كيسيليف د. الفيزياء 8. - م: التنوير.

1. بوابة الإنترنت "class-fizika.narod.ru" ()
2. بوابة الإنترنت "school.xvatit.com" ()
3. بوابة الإنترنت "ponimai.su" ()

العمل في المنزل

1 - رقم 1-4 (الفقرة 1). Peryshkin A.V. الفيزياء 8. - م: بوستارد ، 2010.

2. لماذا لا يمكن معايرة منظار جاليليو الحراري؟

3. مسمار حديد مسخن على الموقد:

كيف تغيرت سرعة جزيئات الحديد؟

كيف ستتغير سرعة حركة الجزيئات إذا تم إنزال الظفر إلى ماء بارد؟

كيف يغير هذا سرعة جزيئات الماء؟

كيف يتغير حجم الظفر خلال هذه التجارب؟

4. تم نقل البالون من الغرفة إلى الصقيع:

كيف سيتغير حجم الكرة؟

كيف ستتغير سرعة حركة جزيئات الهواء داخل البالون؟

كيف ستتغير سرعة الجزيئات داخل الكرة إذا أعيدت إلى الغرفة ، بالإضافة إلى وضعها في البطارية؟

الحركة الحرارية

تتكون أي مادة من أصغر الجزيئات - الجزيئات. مركبهو أصغر جسيم في مادة معينة يحتفظ بجميع خواصه الكيميائية. توجد الجزيئات بشكل منفصل في الفضاء ، أي على مسافات معينة من بعضها البعض ، وهي في حالة مستمرة حركة غير منتظمة (فوضوية) .

نظرًا لأن الأجسام تتكون من عدد كبير من الجزيئات وحركة الجزيئات عشوائية ، فمن المستحيل تحديد عدد التأثيرات التي سيختبرها هذا الجزيء أو ذاك من الآخرين. لذلك يقولون أن موقع الجزيء وسرعته في كل لحظة من الزمن عشوائي. ومع ذلك ، هذا لا يعني أن حركة الجزيئات لا تخضع لقوانين معينة. على وجه الخصوص ، على الرغم من اختلاف سرعات الجزيئات في وقت ما ، فإن معظمها لها سرعات قريبة من بعض القيمة المحددة. عادة ، عند الحديث عن سرعة حركة الجزيئات ، فإنهم يقصدون متوسط ​​السرعة (v $ cp).

من المستحيل تحديد أي اتجاه معين تتحرك فيه جميع الجزيئات. حركة الجزيئات لا تتوقف أبدا. يمكننا القول أنه مستمر. تسمى هذه الحركة الفوضوية المستمرة للذرات والجزيئات -. يتم تحديد هذا الاسم من خلال حقيقة أن سرعة حركة الجزيئات تعتمد على درجة حرارة الجسم. كلما زاد متوسط ​​سرعة حركة جزيئات الجسم ، ارتفعت درجة حرارته. بالمقابل ، كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم ، زاد متوسط ​​سرعة الجزيئات.

تم اكتشاف حركة الجزيئات السائلة من خلال مراقبة الحركة البراونية - حركة جزيئات صلبة صغيرة جدًا معلقة فيها. يقوم كل جسيم باستمرار بالقفزات في اتجاهات عشوائية ، ويصف المسار في شكل خط متقطع. يمكن تفسير هذا السلوك للجسيمات بافتراض أنها تتعرض لتأثيرات الجزيئات السائلة في وقت واحد من جوانب مختلفة. يؤدي الاختلاف في عدد هذه التأثيرات من اتجاهات متعاكسة إلى حركة الجسيم ، حيث تتناسب كتلته مع كتل الجزيئات نفسها. تم اكتشاف حركة هذه الجسيمات لأول مرة في عام 1827 من قبل عالم النبات الإنجليزي براون ، ملاحظًا جزيئات حبوب اللقاح في الماء تحت المجهر ، ولهذا أطلق عليها - الحركة البراونية.