I. V. Yakovlev | مواد فیزیک | MathUs.ru

فیزیک مولکولی و ترمودینامیک

این راهنما به بخش دوم ¾فیزیک مولکولی اختصاص دارد. ترمودینامیک رمزگذار آزمون دولتی واحد در فیزیک. موضوعات زیر را پوشش می دهد.

حرکت حرارتی اتم ها و مولکول های ماده. حرکت براونی انتشار. شواهد تجربی نظریه اتمی. برهم کنش ذرات ماده.

مدل های ساختار گازها، مایعات و جامدات.

مدل گاز ایده آل رابطه فشار و انرژی جنبشی متوسط حرکت حرارتیمولکول های گاز ایده آل دمای مطلق رابطه بین دمای گاز و میانگین انرژی جنبشی ذرات آن. معادله p = nkT. معادله کلاپیرون مندلیف.

فرآیندهای همدما: فرآیندهای همدما، ایزوکوریک، ایزوباریک، آدیاباتیک.

جفت اشباع و غیر اشباع. رطوبت هوا.

تغییرات در حالات کل ماده: تبخیر و تراکم، جوشاندن مایع، ذوب و تبلور. تغییرات انرژی در انتقال فاز

انرژی درونی. تعادل گرمایی. انتقال حرارت. مقدار گرما. گرمای خاصمواد معادله تعادل حرارتی

کار در ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

اصول عملکرد موتورهای حرارتی کارایی یک موتور حرارتی قانون دوم ترمودینامیک مشکلات انرژی و حفاظت از محیط زیست.

دفترچه راهنما نیز حاوی مقداری است مواد اضافی، در رمزگذار آزمون یکپارچه ایالت گنجانده نشده است (اما در برنامه آموزشی مدرسه!). این مطالب به شما این امکان را می دهد که موضوعات تحت پوشش را بهتر درک کنید.

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

2.3 مایعات . . . . . 10

	فرمول های اساسی فیزیک مولکولی
	درجه حرارت
		سیستم ترمودینامیکی. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		تعادل گرمایی. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		مقیاس دما. دمای مطلق . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	معادله حالت گاز ایده آل
		میانگین انرژی جنبشی ذرات گاز. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2 معادله اصلی گاز ایده آل MKT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.3 انرژی ذرات و دمای گاز. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6.1 فرآیند ترمودینامیکی. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.2 فرآیند همدما. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.3 نمودارهای فرآیند ایزوترمال. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

6.4 فرآیند ایزوباریک. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6.5 نمودارهای فرآیند ایزوباریک. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

	فرآیند همحجم. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	نمودارهای یک فرآیند ایزوکوریک. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 بخار اشباع

7.1 تبخیر و تراکم

7.2 تعادل پویا. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.3 خواص بخار اشباع. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

8.1 انرژی داخلی یک گاز ایده آل تک اتمی. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

8.2 عملکرد وضعیت. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.3 تغییر در انرژی درونی: کار انجام شده. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.4 تغییر در انرژی داخلی: انتقال حرارت . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.5 رسانایی گرمایی. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

10 انتقال فاز

10.1 ذوب و تبلور. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

10.2 نمودار ذوب. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

10.3 گرمای ویژه همجوشی. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

10.4 نمودار تبلور. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

10.5 تبخیر و تراکم. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

10.6 جوشیدن. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

10.7 نمودار جوش. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

10.8 نمودار تراکم. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11 قانون اول ترمودینامیک

11.1 کار گاز در یک فرآیند ایزوباریک. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

11.2 کار گاز در یک فرآیند دلخواه. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.3 کارهای انجام شده روی گاز. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.4 قانون اول ترمودینامیک. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

11.5 کاربرد قانون اول ترمودینامیک در فرآیندهای ایزو. . . . . . . . . . . . . 46

11.6 فرآیند آدیاباتیک. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.1 موتورهای حرارتی. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

12.2 ماشین های تبرید. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

13.1 برگشت ناپذیری فرآیندها در طبیعت. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

13.2 اصول کلازیوس و کلوین. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1 مقررات اساسینظریه جنبشی مولکولی

فیزیکدان بزرگ آمریکایی، ریچارد فاینمن، نویسنده دوره معروف "سخنرانی های فاینمن در مورد فیزیک"، این کلمات شگفت انگیز را نوشت:

اگر در نتیجه نوعی فاجعه جهانی، همه انباشته شوند دانش علمیاز بین می رود و تنها یک عبارت به نسل های آینده موجودات زنده منتقل می شود، کدام عبارت متشکل از کمترین کلمات بیشترین اطلاعات را به همراه خواهد داشت؟ من معتقدم که این یک فرضیه اتمی است (شما می توانید آن را نه یک فرضیه، بلکه یک واقعیت نامید، اما این چیزی را تغییر نمی دهد): همه اجسام از اتم های اجسام کوچک تشکیل شده اند که در حرکت مداوم هستند، در فاصله کوتاهی جذب می شوند، اما اگر یکی از آنها به دیگری نزدیکتر شود، دفع کنید. در این یک عبارت . . حجم باورنکردنی اطلاعات در مورد جهان وجود دارد، فقط باید کمی تخیل و کمی توجه به آن داشته باشید.

این کلمات حاوی جوهر نظریه جنبشی مولکولی (MKT) ساختار ماده است. یعنی مفاد اصلی ICT سه عبارت زیر است.

1. هر ماده ای از ذرات ریز مولکول ها و اتم ها تشکیل شده است. آنها بطور گسسته در فضا، یعنی در فواصل معینی از یکدیگر قرار دارند.

2. اتم ها یا مولکول های یک ماده در حالت حرکت تصادفی هستند 1، که هرگز متوقف نمی شود.

3. اتم ها یا مولکول های یک ماده از طریق نیروهای جاذبه و دافعه که به فاصله بین ذرات بستگی دارد با یکدیگر برهم کنش می کنند.

این مقررات تعمیم مشاهدات و حقایق تجربی متعدد است. بیایید نگاهی دقیق تر به این مفاد داشته باشیم و توجیه تجربی آنها را ارائه کنیم.

1.1 اتم ها و مولکول ها

بیایید یک تکه کاغذ برداریم و شروع به تقسیم آن به قطعات کوچکتر و کوچکتر کنیم. آیا در هر مرحله تکه‌های کاغذ به دست ما می‌رسد یا در مرحله‌ای چیز جدیدی ظاهر می‌شود؟

اولین موقعیت MKT به ما می گوید که ماده به طور نامحدود قابل تقسیم نیست. دیر یا زود به ¾آخرین مرز¿ کوچکترین ذرات این ماده خواهیم رسید. این ذرات اتم و مولکول هستند. آنها همچنین می توانند به قطعات تقسیم شوند، اما پس از آن ماده اصلی وجود نخواهد داشت.

اتم کوچکترین ذره یک عنصر شیمیایی است که تمام آن را حفظ می کند. خواص شیمیایی. عناصر شیمیایی زیادی وجود ندارد، همه آنها در جدول تناوبی فهرست شده اند.

یک مولکول کوچکترین ذره یک ماده معین (که یک عنصر شیمیایی نیست) است که تمام خواص شیمیایی خود را حفظ می کند. یک مولکول از دو یا چند اتم از یک یا چند عنصر شیمیایی تشکیل شده است.

به عنوان مثال، H2O یک مولکول آب است که از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است. با تقسیم آن به اتم، دیگر با ماده ای به نام ¾آب¿ سروکار نداریم. در مرحله بعد، با تقسیم اتم های H و O به اجزای سازنده آنها، مجموعه ای از پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها را به دست می آوریم و در نتیجه این اطلاعات را از دست می دهیم که در ابتدا هیدروژن و اکسیژن بودند.

1 این حرکت را حرکت حرارتی می نامند.

اندازه یک اتم یا مولکول (شامل نه تعداد زیادیاتم ها) حدود 10 8 سانتی متر است. این مقدار آنقدر کوچک است که یک اتم را با هیچ میکروسکوپ نوری نمی توان دید.

اتم ها و مولکول ها را به اختصار ذرات ماده می نامند. تعیین اینکه یک ذره دقیقاً چیست، یک اتم یا یک مولکول، در هر مورد خاص دشوار نیست. اگر صحبت می کنیم عنصر شیمیایی، سپس ذره یک اتم خواهد بود. اگر یک ماده پیچیده در نظر گرفته شود، ذره آن یک مولکول متشکل از چندین اتم است.

علاوه بر این، موقعیت اول MCT بیان می کند که ذرات ماده به طور مداوم فضا را پر نمی کنند. ذرات به صورت گسسته، یعنی در نقاط جداگانه قرار دارند. بین ذرات شکاف هایی وجود دارد که اندازه آنها می تواند در محدوده های خاصی متفاوت باشد.

اولین موقعیت MKT توسط پدیده انبساط حرارتی اجسام پشتیبانی می شود. یعنی با گرم شدن، فاصله بین ذرات یک ماده افزایش می یابد و اندازه بدن افزایش می یابد. برعکس، هنگام خنک شدن، فاصله بین ذرات کاهش می یابد و در نتیجه بدن منقبض می شود.

تایید واضح موقعیت اول MCT نیز انتشار است، نفوذ متقابل مواد در تماس به یکدیگر.

به عنوان مثال، در شکل. شکل 1 فرآیند انتشار در یک مایع را نشان می دهد. ذرات یک ماده محلول در یک لیوان آب قرار می گیرند و ابتدا در قسمت سمت چپ بالای لیوان قرار می گیرند. با گذشت زمان، ذرات از ناحیه ای با غلظت بالا به ناحیه ای با غلظت پایین حرکت می کنند (که گفته می شود پخش می شوند). در نهایت، غلظت ذرات در همه جا یکسان می شود؛ ذرات به طور مساوی در کل حجم مایع توزیع می شوند.

برنج. 1. انتشار در مایع

چگونه می توان انتشار را از دیدگاه نظریه جنبشی مولکولی توضیح داد؟ بسیار ساده است: ذرات یک ماده به فضاهای بین ذرات ماده دیگر نفوذ می کنند. انتشار هر چه سریعتر انجام شود، این شکاف ها بزرگتر است؛ بنابراین، گازها (که در آنها فواصل زیادی بین ذرات وجود دارد) به راحتی با یکدیگر مخلوط می شوند. اندازه های بیشترخود ذرات).

1.2 حرکت حرارتی اتم ها و مولکول ها

اجازه دهید یک بار دیگر فرمول موقعیت دوم MCT را به یاد بیاوریم: ذرات ماده تحت حرکت تصادفی (که حرکت حرارتی نیز نامیده می‌شود)، که هرگز متوقف نمی‌شود.

تایید تجربی موقعیت دوم MKT دوباره پدیده انتشار است، زیرا نفوذ متقابل ذرات تنها با حرکت مداوم آنها امکان پذیر است!

2 تصویر از en.wikipedia.org.

اما بارزترین شواهد حرکت آشفته ابدی ذرات ماده، حرکت براونی است. این نام برای حرکت تصادفی پیوسته ذرات براونی ذرات غبار یا دانه ها (اندازه های 10 5 - 104 سانتی متر) معلق در مایع یا گاز است.

جنبش براونی نام خود را به افتخار گیاه شناس اسکاتلندی رابرت براون، که از طریق میکروسکوپ رقص مداوم ذرات گرده معلق در آب را مشاهده کرد، گرفت. برای اثبات اینکه این حرکت برای همیشه انجام می شود، براون یک قطعه کوارتز با حفره ای پر از آب پیدا کرد. با وجود این واقعیت که میلیون ها سال پیش آب به آنجا رسیده بود، لکه هایی که در آنجا بودند به حرکت خود ادامه دادند، که هیچ تفاوتی با آنچه در آزمایشات دیگر مشاهده شد، نداشت.

دلیل حرکت براونی این است که یک ذره معلق ضربه‌های جبران‌ناپذیری از مولکول‌های مایع (گاز) را تجربه می‌کند و به دلیل حرکت آشفته مولکول‌ها، بزرگی و جهت ضربه حاصل کاملاً غیرقابل پیش‌بینی است. بنابراین، یک ذره براونی مسیرهای پیچیده زیگزاگ را توصیف می کند (شکل 2)3.

برنج. 2. حرکت براونی

اندازه ذرات براونی 1000-10000 برابر بزرگتر از اندازه یک اتم است. از یک طرف، ذره براونی بسیار کوچک است و هنوز "احساس" می کند که تعداد متفاوتی از مولکول ها در جهات مختلف به آن برخورد می کنند. این تفاوت در تعداد ضربه ها منجر به حرکات قابل توجه ذره براونی می شود. از سوی دیگر، ذرات براونی به اندازه ای بزرگ هستند که در زیر میکروسکوپ دیده شوند.

به هر حال، حرکت براونی را می توان به عنوان دلیلی بر واقعیت وجود مولکول ها نیز در نظر گرفت، یعنی می تواند به عنوان اثبات تجربی اولین موقعیت MKT نیز عمل کند.

1.3 برهم کنش ذرات ماده

موضع سوم MCT در مورد برهمکنش ذرات ماده صحبت می کند: اتم ها یا مولکول ها توسط نیروهای جاذبه و دافعه با یکدیگر برهم کنش می کنند که به فاصله بین ذرات بستگی دارد: با افزایش فواصل، نیروهای جاذبه شروع به غالب شدن می کنند و همانطور که نیروی دافعه کاهش می یابد.

اعتبار موقعیت سوم MKT توسط نیروهای الاستیک ناشی از تغییر شکل اجسام اثبات می شود. وقتی جسمی کشیده می شود، فاصله بین ذرات آن افزایش می یابد و نیروهای جاذبه بین ذرات شروع به تسلط می کنند. هنگامی که جسم فشرده می شود، فواصل بین ذرات کاهش می یابد و در نتیجه نیروهای دافعه غالب می شوند. در هر دو حالت، نیروی الاستیک در جهت مخالف تغییر شکل هدایت می شود.

3 تصویر از سایت nv-magadan.narod.ru.

تایید دیگر وجود نیروهای برهمکنش بین مولکولی وجود سه حالت تجمع ماده است.

که در در گازها، مولکول ها در فواصل بسیار بیشتر از اندازه خود مولکول ها از یکدیگر جدا می شوند (در هوا در شرایط عادیتقریباً 1000 بار). در چنین فواصل، عملاً هیچ نیروی برهمکنشی بین مولکول ها وجود ندارد، بنابراین گازها کل حجم ارائه شده به آنها را اشغال می کنند و به راحتی فشرده می شوند.

که در در مایعات، فاصله بین مولکول ها با اندازه مولکول ها قابل مقایسه است. نیروهای جاذبه مولکولی بسیار قابل توجه هستند و تضمین می کنند که مایعات حجم خود را حفظ می کنند. اما برای اینکه مایعات نیز شکل خود را حفظ کنند، این نیروها به اندازه کافی قوی نیستند؛ مایعات نیز مانند گازها شکل یک ظرف را به خود می گیرند.

که در در جامدات، نیروهای جاذبه بین ذرات بسیار قوی است: جامدات نه تنها حجم، بلکه شکل را نیز حفظ می کنند.

انتقال یک ماده از یک حالت تجمع به حالت دیگر نتیجه تغییر در میزان نیروهای برهمکنش بین ذرات ماده است. خود ذرات بدون تغییر باقی می مانند.

به نظر شما چه چیزی سرعت حل شدن شکر در آب را تعیین می کند؟ می توانید یک آزمایش ساده انجام دهید. دو تکه شکر را بردارید و یکی را در یک لیوان آب جوش و دیگری را در یک لیوان آب سرد بریزید.

خواهید دید که چگونه شکر در آب جوش چندین برابر سریعتر از آب سرد حل می شود. علت انحلال انتشار است. این بدان معنی است که انتشار سریعتر زمانی اتفاق می افتد درجه حرارت بالا. و دلیل انتشار حرکت مولکول ها است. بنابراین، نتیجه می گیریم که مولکول ها در دماهای بالاتر سریعتر حرکت می کنند. یعنی سرعت حرکت آنها به دما بستگی دارد. به همین دلیل است که حرکت بی نظم و تصادفی مولکول های سازنده اجسام را حرکت حرارتی می نامند.

حرکت حرارتی مولکول ها

با افزایش دما، حرکت حرارتی مولکول ها افزایش می یابد و خواص ماده تغییر می کند. یک جامد به مایع تبدیل می شود، یک مایع تبخیر می شود و به حالت گاز تبدیل می شود. بر این اساس، اگر دما کاهش یابد، میانگین انرژی حرکت حرارتی مولکول ها نیز کاهش می یابد و بر این اساس، فرآیندهای تغییر حالت تجمع اجسام در جهت عکس: آب به صورت مایع متراکم می شود، مایع به حالت جامد منجمد می شود. در عین حال، ما همیشه در مورد مقادیر متوسط ​​دما و سرعت مولکول ها صحبت می کنیم، زیرا همیشه ذراتی با مقادیر بالاتر و پایین تر از این مقادیر وجود دارد.

مولکول‌های موجود در مواد حرکت می‌کنند، مسافت معینی را می‌پیمایند و بنابراین کارهایی را انجام می‌دهند. یعنی می توانیم در مورد انرژی جنبشی ذرات صحبت کنیم. به دلیل موقعیت نسبی آنها، انرژی پتانسیل مولکول ها نیز وجود دارد. وقتی از انرژی جنبشی و پتانسیل اجسام صحبت می کنیم، در مورد وجود انرژی مکانیکی کل اجسام صحبت می کنیم. اگر ذرات یک جسم دارای انرژی جنبشی و پتانسیل باشند، بنابراین می توان از مجموع این انرژی ها به عنوان یک کمیت مستقل صحبت کرد.

انرژی درونی بدن

بیایید به یک مثال نگاه کنیم. اگر یک توپ الاستیک را روی زمین پرتاب کنیم، انرژی جنبشی حرکت آن در لحظه تماس با زمین کاملاً به انرژی پتانسیل تبدیل می شود و پس از برگشت به انرژی جنبشی تبدیل می شود. اگر یک توپ آهنی سنگین را روی یک سطح سخت و غیر کشسان پرتاب کنیم، توپ بدون پرش فرود می آید. انرژی جنبشی و پتانسیل آن پس از فرود صفر خواهد بود. انرژی کجا رفت؟ آیا او فقط ناپدید شد؟ اگر توپ و سطح را بعد از برخورد بررسی کنیم، می بینیم که توپ کمی صاف شده، یک فرورفتگی روی سطح باقی مانده است و هر دو کمی گرم شده اند. یعنی در آرایش مولکول های اجسام تغییری ایجاد شد و دما نیز افزایش یافت. این بدان معنی است که انرژی جنبشی و پتانسیل ذرات بدن تغییر کرده است. انرژی بدن هیچ جا از بین نرفته است، به انرژی درونی بدن تبدیل شد. انرژی درونی انرژی جنبشی و پتانسیل تمام ذرات یک جسم است. برخورد اجسام باعث تغییر در انرژی درونی، افزایش و کاهش انرژی مکانیکی شد. این چیزی است که

§ 1. حرکت حرارتی. دما در دنیای اطراف ما متفاوت است پدیده های فیزیکیکه با گرمایش و سرمایش اجسام همراه است. ما می دانیم که وقتی گرم می شود آب سردابتدا گرم و سپس گرم می شود. با کلماتی مانند «سرد»، «گرم» و «گرم»، درجه حرارت متفاوت اجسام، یا به قول فیزیک، دمای متفاوت اجسام را نشان می‌دهیم. دمای آب گرم بیشتر از دمای آب سرد است. دمای هوا در تابستان بیشتر از زمستان است.نمونه هایی از پدیده های حرارتی:
الف - ذوب یخ؛ ب - انجماد آب دمای بدن با استفاده از دماسنج اندازه گیری می شود و بر حسب درجه سانتیگراد (درجه سانتیگراد) بیان می شود.قبلاً می دانید که انتشار در دماهای بالاتر سریعتر رخ می دهد. این بدان معنی است که سرعت حرکت مولکول ها و دما با هم مرتبط هستند. با افزایش دما، سرعت حرکت مولکول ها افزایش می یابد و با کاهش دما، سرعت حرکت مولکول ها کاهش می یابد. در نتیجه دمای بدن به سرعت حرکت مولکول ها بستگی دارد.آب گرم از همان مولکول های آب سرد تشکیل شده است. تفاوت بین آنها فقط در سرعت حرکت مولکول ها نهفته است.به پدیده های مرتبط با گرم شدن یا سرد شدن اجسام، با تغییر دما، حرارتی می گویند. چنین پدیده هایی عبارتند از، برای مثال، گرم کردن و سرد کردن هوا، ذوب یخ، ذوب فلزات و غیره. ذوب فلز. مولکول ها یا اتم هایی که اجسام را می سازند در حرکت تصادفی پیوسته هستند. تعداد آنها در بدن های اطراف ما بسیار زیاد است. بنابراین، حجمی برابر با 1 سانتی متر مکعب آب حاوی حدود 3.34 1022 مولکول است. هر مولکول در طول یک مسیر بسیار پیچیده حرکت می کند. این به این دلیل است که مثلاً ذرات گازی که با سرعت زیاد در جهات مختلف حرکت می کنند با یکدیگر و با دیواره های ظرف برخورد می کنند. در نتیجه سرعت خود را تغییر داده و دوباره به حرکت خود ادامه می دهند. شکل 1 مسیر حرکت ذرات میکروسکوپی رنگ محلول در آب را نشان می دهد.برنج. 1. مسیر حرکت ریزذرات رنگ محلول در آب از آنجایی که سرعت حرکت مولکول های یک جسم با دمای آن مرتبط است، حرکت تصادفی ذرات نامیده می شود. حرکت حرارتی. در مایعات، مولکول ها می توانند نسبت به یکدیگر ارتعاش، چرخش و حرکت کنند. در جامدات مولکول ها و اتم ها حول موقعیت های متوسط ​​خاصی ارتعاش می کنند همه مولکول های بدن در حرکت حرارتی شرکت می کنند بنابراین با تغییر ماهیت حرکت حرارتی حالت بدن و خواص آن نیز تغییر می کند. بنابراین، با افزایش دما، یخ شروع به ذوب شدن می کند و به مایع تبدیل می شود. اگر دمای مثلاً جیوه را پایین بیاورید از مایع به جامد تبدیل می شود شبکه کریستالییخ دمای بدن در است اتصال نزدیکبا میانگین انرژی جنبشی مولکول ها. هر چه دمای جسم بالاتر باشد، میانگین انرژی جنبشی مولکول های آن بیشتر است. با کاهش دمای جسم، انرژی جنبشی متوسط ​​مولکول های آن کاهش می یابد.

این درس مفهوم حرکت حرارتی و کمیت فیزیکی مانند دما را بررسی می کند.

پدیده های حرارتی در زندگی انسان از اهمیت بالایی برخوردارند. ما هم در زمان پیش بینی آب و هوا و هم در زمان جوشاندن آب معمولی با آنها مواجه می شویم. پدیده های حرارتی با فرآیندهایی مانند ایجاد مواد جدید، ذوب فلزات، احتراق سوخت، ایجاد انواع جدید سوخت برای خودروها و هواپیماها و غیره همراه است.

دما یکی از مهمترین مفاهیمبا پدیده های حرارتی مرتبط است، زیرا اغلب این دما است مهمترین ویژگیسیر فرآیندهای حرارتی

تعریف.پدیده های حرارتی- اینها پدیده هایی هستند که با گرم کردن یا خنک کردن اجسام و همچنین با تغییر در وضعیت تجمع آنها مرتبط هستند (شکل 1).

برنج. 1. ذوب یخ، گرم شدن آب و تبخیر

همه پدیده های حرارتی با درجه حرارت.

همه بدن ها با وضعیت خود مشخص می شوند تعادل گرمایی. مشخصه اصلیتعادل حرارتی دما است.

تعریف.درجه حرارت- این معیاری برای "گرمی" بدن است.

از آنجایی که دما یک کمیت فیزیکی است، می توان و باید آن را اندازه گیری کرد. برای اندازه گیری دما، دستگاهی به نام دماسنج(از یونانی حرارتی- "گرم"، مترو- "اندازه گیری") (شکل 2).

برنج. 2. دماسنج

اولین دماسنج (یا بهتر است بگوییم، آنالوگ آن) توسط گالیله گالیله اختراع شد (شکل 3).

برنج. 3. گالیله گالیله (1564-1642)

اختراع گالیله که او در سخنرانی های دانشگاه به دانشجویان خود ارائه کرد اواخر شانزدهمقرن (1597)، نامیده شد ترموسکوپ. عملکرد هر دماسنج بر اساس اصل زیر است: مشخصات فیزیکیمواد بسته به دما تغییر می کنند.

آزمایش گالیلهبه این صورت بود: فلاسکی با ساقه بلند برداشت و پر از آب کرد. سپس یک لیوان آب برداشت و فلاسک را زیر و رو کرد و در لیوان گذاشت. مقداری از آب به طور طبیعی بیرون ریخت، اما در نتیجه سطح معینی از آب در پا باقی ماند. اگر اکنون فلاسک (که حاوی هوا است) را گرم کنید، سطح آب کاهش می یابد و اگر آن را خنک کنید، برعکس، بالا می رود. این به این دلیل است که هنگام گرم شدن، مواد (به ویژه هوا) تمایل به انبساط دارند و هنگام سرد شدن تمایل به انقباض دارند (به همین دلیل است که ریل ها پیوسته نیستند و سیم های بین پست ها گاهی اوقات کمی آویزان می شوند). .

برنج. 4. آزمایش گالیله

این ایده اساس اولین ترموسکوپ را تشکیل داد (شکل 5)، که امکان ارزیابی تغییرات دما را فراهم کرد (اندازه گیری دقیق دما با چنین ترموسکوپی غیرممکن است، زیرا خوانش آن تا حد زیادی به فشار اتمسفر بستگی دارد).

برنج. 5. کپی از دماسنج گالیله

در همان زمان مقیاس به اصطلاح درجه معرفی شد. خود کلمه درجهترجمه از لاتین به معنای "گام" است.

تا به امروز، سه مقیاس اصلی حفظ شده است.

1. درجه سانتیگراد

پرکاربردترین مقیاسی است که همه از دوران کودکی آن را می شناسند - مقیاس سلسیوس.

آندرس سلسیوس (شکل 6) یک ستاره شناس سوئدی است که مقیاس دمایی زیر را پیشنهاد کرده است: - نقطه جوش آب. - دمای انجماد آب امروزه همه ما به مقیاس معکوس درجه سانتیگراد عادت کرده ایم.

برنج. 6 آندرس سلسیوس (1701-1744)

توجه داشته باشید:خود سلسیوس گفت که این انتخاب مقیاس ناشی از واقعیت ساده: اما در زمستان دمای منفی وجود نخواهد داشت.

2. مقیاس فارنهایت

در انگلستان، ایالات متحده آمریکا، فرانسه، آمریکای لاتین و برخی کشورهای دیگر مقیاس فارنهایت رایج است.

گابریل فارنهایت (شکل 7) محقق و مهندس آلمانی است که برای اولین بار از ترازوی خود برای ساخت شیشه استفاده کرد. مقیاس فارنهایت ظریف تر است: از نظر ابعاد، یک درجه در مقیاس فارنهایت کوچکتر از یک درجه در مقیاس سانتیگراد است.

برنج. 7 گابریل فارنهایت (1686-1736)

3. مقیاس Reaumur

مقیاس فنی توسط محقق فرانسوی R.A. Reaumur (شکل 8). با توجه به این مقیاس، با دمای انجماد آب مطابقت دارد، اما Reaumur دمای 80 درجه را به عنوان نقطه جوش آب انتخاب کرد.

برنج. 8. رنه آنتوان رومور (1683-1757)

در فیزیک، به اصطلاح مقیاس مطلق - مقیاس کلوین(شکل 8). 1 درجه سانتیگراد برابر با 1 درجه کلوین است، اما دما تقریباً مطابقت دارد (شکل 9).

برنج. 9. ویلیام تامسون (لرد کلوین) (1824-1907)

برنج. 10. مقیاس های دما

به یاد بیاوریم که وقتی دمای بدن تغییر می کند، ابعاد خطی آن تغییر می کند (هنگامی که گرم می شود، بدن منبسط می شود، وقتی سرد می شود، منقبض می شود). این به دلیل رفتار مولکول ها است. هنگامی که گرم می شود، سرعت حرکت ذرات افزایش می یابد؛ بر این اساس، آنها اغلب شروع به تعامل می کنند و حجم افزایش می یابد (شکل 11).

برنج. 11. تغییر ابعاد خطی

از اینجا می توان نتیجه گرفت که دما به حرکت ذرات سازنده اجسام مربوط می شود (این در مورد اجسام جامد، مایع و گاز صدق می کند).

حرکت ذرات در گازها (شکل 12) تصادفی است (از آنجایی که مولکول ها و اتم ها در گازها عملا برهم کنش ندارند).

برنج. 12. حرکت ذرات در گازها

حرکت ذرات در مایعات (شکل 13) "شبیه جهش" است، یعنی مولکول ها یک "سبک زندگی بی تحرک" دارند، اما می توانند از یک مکان به مکان دیگر "پرش" کنند. این سیالیت مایعات را تعیین می کند.

برنج. 13. حرکت ذرات در مایعات

حرکت ذرات در مواد جامد(شکل 14) نوسانی نامیده می شود.

برنج. 14. حرکت ذرات در جامدات

بنابراین، تمام ذرات در حرکت مداوم هستند. این حرکت ذرات نامیده می شود حرکت حرارتی(بی نظمی، حرکت آشفته). این حرکت هرگز متوقف نمی شود (تا زمانی که بدن دما دارد). وجود حرکت حرارتی در سال 1827 توسط گیاه شناس انگلیسی رابرت براون تأیید شد (شکل 15) که به نام او این حرکت نامیده می شود. حرکت براونی.

برنج. 15. رابرت براون (1773-1858)

امروزه شناخته شده است که بیشترین دمای پایین، که تقریباً می توان به آن دست یافت. در این دما است که حرکت ذرات متوقف می شود (اما حرکت درون خود ذرات متوقف نمی شود).

آزمایش گالیله قبلا توضیح داده شد، و در پایان، بیایید آزمایش دیگری را در نظر بگیریم - تجربه دانشمند فرانسوی گیوم آمونتون (شکل 15)، که در سال 1702 به اصطلاح را اختراع کرد. دماسنج گازی. با تغییرات جزئی، این دماسنج تا به امروز باقی مانده است.

برنج. 15. گیوم آمونتون (1663-1705)

تجربه آمونتون

برنج. 16. تجربه آمونتون

یک فلاسک با آب بردارید و آن را با یک درپوش با یک لوله نازک وصل کنید. اگر اکنون آب را گرم کنید، به دلیل انبساط آب، سطح آن در لوله افزایش می یابد. بر اساس میزان افزایش آب در لوله، می توان نتیجه گرفت که دما در حال تغییر است. مزیت - فایده - سود - منفعت دماسنج آمونتوناین است که به فشار اتمسفر بستگی ندارد.

در این درس ما به این مهم نگاه کردیم کمیت فیزیکی، چگونه درجه حرارت. ما روش‌های اندازه‌گیری، ویژگی‌ها و ویژگی‌های آن را مطالعه کردیم. در درس های آینده این مفهوم را مطالعه خواهیم کرد انرژی درونی.

کتابشناسی - فهرست کتب

1. Gendenshtein L.E.، Kaidalov A.B.، Kozhevnikov V.B. / اد. Orlova V.A., Roizena I.I. فیزیک 8. - M.: Mnemosyne.
2. پریشکین A.V. فیزیک 8. - M.: Bustard، 2010.
3. Fadeeva A.A.، Zasov A.V.، Kiselev D.F. فیزیک 8. - م.: اشراق.

1. پورتال اینترنتی "class-fizika.narod.ru" ()
2. پورتال اینترنتی “school.xvatit.com” ()
3. پورتال اینترنتی "ponimai.su" ()

مشق شب

1. شماره 1-4 (بند 1). پریشکین A.V. فیزیک 8. - M.: Bustard، 2010.

2. چرا ترموسکوپ گالیله را نمی توان کالیبره کرد؟

3. یک میخ آهنی روی اجاق گاز گرم شد:

سرعت حرکت مولکول های آهن چگونه تغییر کرد؟

اگر میخ در آب سرد قرار گیرد سرعت مولکول ها چگونه تغییر می کند؟

سرعت حرکت مولکول های آب چگونه تغییر می کند؟

حجم ناخن در طول این آزمایش ها چگونه تغییر می کند؟

4. بالون از اتاق به سرما منتقل شد:

حجم توپ چگونه تغییر خواهد کرد؟

سرعت مولکول های هوا در داخل توپ چگونه تغییر می کند؟

اگر توپ به اتاق بازگردانده شود و علاوه بر آن در کنار باتری قرار گیرد، سرعت مولکول های داخل آن چگونه تغییر می کند؟

حرکت حرارتی

هر ماده ای از ذرات ریز - مولکول ها تشکیل شده است. مولکول- این کوچکترین ذره یک ماده معین است که تمام خواص شیمیایی خود را حفظ می کند. مولکول ها به طور مجزا در فضا، یعنی در فواصل معینی از یکدیگر قرار دارند و در حالت پیوسته هستند. حرکت بی نظم (آشوب). .

از آنجایی که اجسام از تعداد زیادی مولکول تشکیل شده‌اند و حرکت مولکول‌ها تصادفی است، نمی‌توان دقیقاً گفت که این یا آن مولکول‌ها چه تعداد ضربه از مولکول‌های دیگر خواهد داشت. بنابراین می گویند موقعیت مولکول و سرعت آن در هر لحظه از زمان تصادفی است. با این حال، این بدان معنا نیست که حرکت مولکول ها از قوانین خاصی تبعیت نمی کند. به طور خاص، اگرچه سرعت مولکول ها در یک نقطه از زمان متفاوت است، اما بیشتر آنها دارای مقادیر سرعتی نزدیک به مقدار خاصی هستند. معمولاً وقتی در مورد سرعت حرکت مولکول ها صحبت می شود، منظور آنها است سرعت متوسط (v$cp).

تعیین جهت خاصی که همه مولکولها در آن حرکت می کنند غیرممکن است. حرکت مولکول ها هرگز متوقف نمی شود. می توان گفت که پیوسته است. چنین حرکت آشفته پیوسته اتم ها و مولکول ها - نامیده می شود. این نام با این واقعیت تعیین می شود که سرعت حرکت مولکول ها به دمای بدن بستگی دارد. هر چه میانگین سرعت حرکت مولکول های یک جسم بیشتر باشد، دمای آن بیشتر می شود. برعکس، هر چه دمای بدن بالاتر باشد، میانگین سرعت حرکت مولکولی بیشتر است.

حرکت مولکول های مایع با مشاهده حرکت براونی کشف شد - حرکت ذرات بسیار کوچک ماده جامد معلق در آن. هر ذره به طور مداوم در جهت های دلخواه حرکات ناگهانی انجام می دهد و مسیرها را به شکل یک خط شکسته توصیف می کند. این رفتار ذرات را می‌توان با در نظر گرفتن اینکه آن‌ها از طرف‌های مختلف به طور همزمان از مولکول‌های مایع برخورد می‌کنند توضیح داد. تفاوت در تعداد این ضربه ها از جهات مخالف منجر به حرکت ذره می شود، زیرا جرم آن با جرم خود مولکول ها متناسب است. حرکت چنین ذرات اولین بار در سال 1827 توسط گیاه شناس انگلیسی براون کشف شد و ذرات گرده را در آب زیر میکروسکوپ مشاهده کرد و به همین دلیل نام آن را - حرکت براونی.