IV Jakovlev | Materiály o fyzike | MathUs.ru

Molekulárna fyzika a termodynamika

Táto príručka je venovaná druhej časti ¾Molekulárna fyzika. Termodynamika kodifikátora USE vo fyzike. Zahŕňa nasledujúce témy.

Tepelný pohyb atómov a molekúl látok. Brownov pohyb. Difúzia. Experimentálne dôkazy atomistickej teórie. Interakcia častíc hmoty.

Modely štruktúry plynov, kvapalín a pevných látok.

Ideálny plynový model. Vzťah medzi tlakom a priemernou kinetickou energiou tepelný pohyb ideálne molekuly plynu. absolútna teplota. Spojenie teploty plynu s priemernou kinetickou energiou jeho častíc. Rovnica p = nkT . Mendelejevova rovnica Clapeyrona.

Izoprocesy: izotermické, izochorické, izobarické, adiabatické procesy.

Nasýtené a nenasýtené páry. Vlhkosť vzduchu.

Zmeny agregovaných stavov hmoty: vyparovanie a kondenzácia, varenie kvapaliny, topenie a kryštalizácia. Zmena energie vo fázových prechodoch.

Vnútorná energia. Tepelná rovnováha. Prenos tepla. Množstvo tepla. Špecifické teplo látok. Rovnica tepelnej bilancie.

Práca v termodynamike. Prvý zákon termodynamiky.

Princípy činnosti tepelných strojov. účinnosť tepelného motora. Druhý zákon termodynamiky. Problémy energetiky a ochrany životného prostredia.

Návod obsahuje aj niektoré doplnkový materiál, ktorá nie je súčasťou kodifikátora USE (ale je súčasťou školské osnovy!). Tento materiál vám umožní lepšie porozumieť preberaným témam.

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

2.3 Kvapaliny . . . . . . desať

	Základné vzorce molekulovej fyziky
	Teplota
		Termodynamický systém. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Tepelná rovnováha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		teplotná stupnica. Absolútna teplota . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Stavová rovnica ideálneho plynu
		Priemerná kinetická energia častíc plynu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2 Základná rovnica MKT ideálneho plynu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.3 Energia častíc a teplota plynu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6.1 Termodynamický proces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.2 Izotermický proces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.3 Grafy izotermických procesov. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

6.4 Izobarický proces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6.5 Zákresy izobarického procesu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

	Izochorický proces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Izochorické grafy procesov. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 Nasýtená para

7.1 Odparovanie a kondenzácia

7.2 dynamická rovnováha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.3 Vlastnosti nasýtenej pary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

8.1 Vnútorná energia monatomického ideálneho plynu. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

8.2 Funkcia stavu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.3 Zmena vnútornej energie: práca. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.4 Zmena vnútornej energie: prenos tepla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.5 Tepelná vodivosť. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

10 fázových prechodov

10.1 Topenie a kryštalizácia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

10.2 Tabuľka topenia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

10.3 Špecifické teplo topenia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

10.4 Schéma kryštalizácie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

10.5 Vyparovanie a kondenzácia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

10.6 Varenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

10.7 Plán varu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

10.8 Krivka kondenzácie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11 Prvý zákon termodynamiky

11.1 Práca plynu v izobarickom procese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

11.2 Plyn pracuje v ľubovoľnom procese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.3 Práce vykonané na plyne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.4 Prvý zákon termodynamiky. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

11.5 Aplikácia prvého zákona termodynamiky na izoprocesy. . . . . . . . . . . . . 46

11.6 adiabatický proces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.1 Tepelné motory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

12.2 Chladiace stroje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

13.1 Nezvratnosť procesov v prírode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

13.2 Postuláty Clausiusa a Kelvina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1 Kľúčové body molekulárnej kinetickej teórie

Veľký americký fyzik Richard Feynman, autor slávneho kurzu ¾Feynmanove prednášky o fyzike¿, vlastní nádherné slová:

Ak by sa v dôsledku nejakej globálnej katastrofy všetko nahromadilo vedecké poznatky Ak by sa budúcim generáciám živých bytostí preniesla iba jedna fráza, ktorá veta zložená z najmenšieho počtu slov by priniesla najviac informácií? Domnievam sa, že ide o atómovú hypotézu (môžete to nazvať nie hypotézou, ale skutočnosťou, ale to nič nemení): všetky telesá sú zložené z atómov malých telies, ktoré sú v neustálom pohybe, priťahujú sa na krátku vzdialenosť, ale odpudzovať, ak jeden z nich silnejšie tlačí na druhého. V tejto jednej vete. . . obsahuje neskutočné množstvo informácií o svete, stačí do toho vložiť trochu fantázie a trocha rozmýšľania.

Tieto slová obsahujú podstatu molekulárno-kinetickej teórie (MKT) štruktúry hmoty. Konkrétne, hlavnými ustanoveniami MKT sú nasledujúce tri vyhlásenia.

1. Akákoľvek látka pozostáva z najmenších častíc molekúl a atómov. Sú umiestnené diskrétne v priestore, to znamená v určitých vzdialenostiach od seba.

2. Atómy alebo molekuly hmoty sú v stave náhodného pohybu 1, ktorá nikdy nekončí.

3. Atómy alebo molekuly látky medzi sebou interagujú príťažlivými a odpudivými silami, ktoré závisia od vzdialenosti medzi časticami.

Tieto ustanovenia sú zovšeobecnením mnohých pozorovaní a experimentálnych faktov. Pozrime sa bližšie na tieto ustanovenia a uvedieme ich experimentálne zdôvodnenie.

1.1 Atómy a molekuly

Vezmeme si papier a začneme ho deliť na menšie a menšie časti. Dostaneme papieriky na každom kroku, alebo sa v určitej fáze objaví niečo nové?

Prvá pozícia MKT nám hovorí, že hmota nie je nekonečne deliteľná. Skôr či neskôr sa dostaneme na „poslednú hranicu“ najmenších častíc danej látky. Tieto častice sú atómy a molekuly. Môžu byť tiež rozdelené na časti, ale potom pôvodná látka prestane existovať.

Atóm je najmenšia častica daného chemického prvku, ktorá si zachováva všetky svoje Chemické vlastnosti. Nie je tam toľko chemických prvkov, všetky sú zhrnuté v periodickej tabuľke.

Molekula je najmenšia častica danej látky (nejedná sa o chemický prvok), ktorá si zachováva všetky svoje chemické vlastnosti. Molekula sa skladá z dvoch alebo viacerých atómov jedného alebo viacerých chemických prvkov.

Napríklad H2O je molekula vody zložená z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka. Rozdelením na atómy sa už nebudeme zaoberať látkou zvanou ¾voda¿. Ďalej, rozdelením atómov H a O na ich zložky získame súbor protónov, neutrónov a elektrónov, a tým stratíme informáciu, že to bol najprv vodík a kyslík.

1 Tento pohyb sa nazýva tepelný pohyb.

Veľkosť atómu alebo molekuly (pozostávajúca z nie Vysoké číslo atómov) je asi 10 8 cm.To je taká malá hodnota, že atóm nie je možné vidieť v žiadnom optickom mikroskope.

Atómy a molekuly sa v skratke nazývajú jednoducho častice hmoty. Čo presne je častica, atóm alebo molekula v každom konkrétnom prípade, nie je ťažké určiť. Ak ide o chemický prvok, potom častica bude atóm; ak sa uvažuje o komplexnej látke, potom jej častica je molekula pozostávajúca z niekoľkých atómov.

Ďalej, prvý návrh MKT uvádza, že častice hmoty nevypĺňajú priestor nepretržite. Častice sú umiestnené diskrétne, to znamená, akoby v samostatných bodoch. Medzi časticami sú medzery, ktorých veľkosť sa môže v určitých medziach meniť.

V prospech prvej pozície MKT svedčí fenomén tepelnej rozťažnosti telies. Pri zahrievaní sa totiž zväčšujú vzdialenosti medzi časticami látky a zväčšujú sa rozmery tela. Pri ochladzovaní sa naopak vzdialenosti medzi časticami zmenšujú, v dôsledku čoho sa teleso sťahuje.

Výrazným potvrdením prvej pozície MKT je aj difúzia, vzájomné prenikanie kontaktujúcich látok do seba.

Napríklad na obr. 1 znázorňuje2 proces difúzie v kvapaline. Častice rozpustenej látky sa umiestnia do pohára s vodou a nachádzajú sa najskôr v ľavej hornej časti pohára. V priebehu času sa častice pohybujú (povedzme, difundujú) z oblasti s vysokou koncentráciou do oblasti s nízkou koncentráciou. Nakoniec je koncentrácia častíc všade rovnaká, častice sú rovnomerne rozložené v celom objeme kvapaliny.

Ryža. 1. Difúzia v kvapaline

Ako vysvetliť difúziu z pohľadu molekulárno-kinetickej teórie? Veľmi jednoducho: častice jednej látky prenikajú do medzier medzi časticami inej látky. Difúzia prebieha tým rýchlejšie, čím sú tieto medzery väčšie, a preto sa plyny najľahšie navzájom miešajú (pričom vzdialenosti medzi časticami sú veľké viac veľkostí samotné častice).

1.2 Tepelný pohyb atómov a molekúl

Pripomeňme si ešte raz formuláciu druhého tvrdenia MKT: častice hmoty vykonávajú náhodný pohyb (nazývaný aj tepelný pohyb), ktorý sa nikdy nezastaví.

Experimentálnym potvrdením druhej polohy MKT je opäť fenomén difúzie, pretože vzájomné prenikanie častíc je možné len pri ich kontinuálnom pohybe!

2 Obrázok z en.wikipedia.org.

Najvýraznejším dôkazom večného chaotického pohybu častíc hmoty je však Brownov pohyb. Toto je názov nepretržitého náhodného pohybu Brownových častíc prachových častíc alebo zŕn (veľkosti 10 5 - 104 cm) suspendovaných v kvapaline alebo plyne.

Brownov pohyb dostal svoje meno na počesť škótskeho botanika Roberta Browna, ktorý mikroskopom videl nepretržitý tanec peľových častíc suspendovaných vo vode. Ako dôkaz, že tento pohyb trvá večnosť, Brown našiel kúsok kremeňa s dutinou naplnenou vodou. Napriek tomu, že sa tam voda dostala pred mnohými miliónmi rokov, trosky, ktoré sa tam dostali, pokračovali vo svojom pohybe, ktorý sa nelíšil od toho, čo bolo pozorované pri iných experimentoch.

Dôvodom Brownovho pohybu je, že suspendovaná častica zažíva nekompenzované dopady molekúl kvapaliny (plynu) a kvôli chaotickému pohybu molekúl sú veľkosť a smer výsledného nárazu absolútne nepredvídateľné. Brownova častica preto opisuje zložité kľukaté trajektórie (obr. 2)3.

Ryža. 2. Brownov pohyb

Veľkosť Brownových častíc je 1000-10000 krát väčšia ako veľkosť atómu. Na jednej strane je Brownova častica dostatočne malá a stále „cíti“, že do nej v rôznych smeroch naráža iný počet molekúl; tento rozdiel v počte dopadov vedie k viditeľným posunom Brownovej častice. Na druhej strane sú Brownove častice dostatočne veľké na to, aby ich bolo možné vidieť mikroskopom.

Mimochodom, Brownov pohyb možno považovať aj za dôkaz samotnej skutočnosti existencie molekúl, t.j. môže slúžiť aj ako experimentálne zdôvodnenie prvej polohy MKT.

1.3 Interakcia častíc hmoty

Tretia pozícia MKT hovorí o interakcii častíc látky: atómy alebo molekuly medzi sebou interagujú silami príťažlivosti a odpudzovania, ktoré závisia od vzdialenosti medzi časticami: ako sa vzdialenosti zväčšujú, príťažlivé sily sa začínajú zmenšovať. prevládajú, s poklesom odpudivej sily.

O platnosti tretej polohy MKT svedčia elastické sily vznikajúce pri deformáciách telies. Keď sa teleso natiahne, zväčšia sa vzdialenosti medzi jeho časticami a začnú prevládať sily priťahovania častíc k sebe navzájom. Pri stlačení telesa sa vzdialenosti medzi časticami zmenšujú a v dôsledku toho prevládajú odpudivé sily. V oboch prípadoch je elastická sila nasmerovaná v smere opačnom k ​​deformácii.

3 Obrázok zo stránky nv-magadan.narod.ru.

Ďalším potvrdením existencie síl medzimolekulovej interakcie je prítomnosť troch agregovaných stavov hmoty.

AT V plynoch sú molekuly od seba oddelené vzdialenosťami výrazne presahujúcimi rozmery samotných molekúl (vo vzduchu pri normálnych podmienkach asi 1000 krát). V takýchto vzdialenostiach interakčné sily medzi molekulami prakticky neexistujú, preto plyny zaberajú celý objem, ktorý im je poskytnutý, a ľahko sa stláčajú.

AT V kvapalinách sú priestory medzi molekulami porovnateľné s veľkosťou molekúl. Sily molekulárnej príťažlivosti sú veľmi hmatateľné a zabezpečujú zachovanie objemu kvapalinami. Tieto sily však nie sú dostatočne silné na to, aby si kvapaliny zachovali svoju formu, a kvapaliny, podobne ako plyny, nadobúdajú formu nádoby.

AT V pevných látkach sú príťažlivé sily medzi časticami veľmi silné: pevné látky si zachovávajú nielen objem, ale aj tvar.

Prechod látky z jedného stavu agregácie do druhého je výsledkom zmeny veľkosti síl vzájomného pôsobenia medzi časticami látky. Samotné častice zostávajú nezmenené.

Čo podľa vás určuje rýchlosť rozpúšťania cukru vo vode? Môžete urobiť jednoduchý experiment. Vezmite dva kúsky cukru a jeden hoďte do pohára vriacej vody, druhý do pohára studenej vody.

Uvidíte, ako sa cukor vo vriacej vode rozpustí niekoľkonásobne rýchlejšie ako v studenej. Príčinou rozpúšťania je difúzia. To znamená, že k difúzii dochádza rýchlejšie pri viac vysoká teplota. Difúzia je spôsobená pohybom molekúl. Preto sme dospeli k záveru, že molekuly sa pri vyšších teplotách pohybujú rýchlejšie. To znamená, že rýchlosť ich pohybu závisí od teploty. Preto sa náhodný chaotický pohyb molekúl, ktoré tvoria telo, nazýva tepelný pohyb.

Tepelný pohyb molekúl

So stúpajúcou teplotou sa zvyšuje tepelný pohyb molekúl a menia sa vlastnosti látky. Pevná látka sa topí, mení sa na kvapalinu, kvapalina sa odparuje a prechádza do plynného stavu. Preto, ak sa teplota zníži, potom sa zníži aj priemerná energia tepelného pohybu molekúl, a teda procesy zmeny stavu agregácie telies nastanú v opačný smer: voda kondenzuje na kvapalinu, kvapalina zamrzne do pevného stavu. Zároveň vždy hovoríme o priemerných hodnotách teploty a molekulárnej rýchlosti, pretože vždy existujú častice s väčšími a menšími hodnotami týchto hodnôt.

Molekuly v látkach sa pohybujú a prechádzajú určitú vzdialenosť, preto vykonávajú určitú prácu. To znamená, že môžeme hovoriť o kinetickej energii častíc. V dôsledku ich vzájomného usporiadania existuje aj potenciálna energia molekúl. Keď hovoríme o kinetickej a potenciálnej energii telies, hovoríme o existencii celkovej mechanickej energie telies. Ak majú častice telesa kinetickú a potenciálnu energiu, môžeme teda hovoriť o súčte týchto energií ako o nezávislej veličine.

Vnútorná energia tela

Zvážte príklad. Ak hodíme elastickú loptičku na podlahu, potom sa kinetická energia jej pohybu v momente dotyku s podlahou úplne premení na potenciálnu energiu a pri odraze sa premení späť na kinetickú energiu. Ak hodíme ťažkú ​​železnú guľu na tvrdý, nepružný povrch, loptička dopadne bez odrazu. Jeho kinetická a potenciálna energia po pristátí sa bude rovnať nule. Kam sa podela energia? Len tak zmizla? Ak po kolízii preskúmame loptičku a povrch, vidíme, že loptička sa trochu sploštila, na povrchu zostala priehlbina a obe sa mierne zahriali. To znamená, že došlo k zmene usporiadania molekúl telies a zvýšila sa aj teplota. To znamená, že kinetická a potenciálna energia častíc telesa sa zmenila. Energia tela nikam neodišla, prešla do vnútornej energie tela. Vnútorná energia sa nazýva kinetická a potenciálna energia všetkých častíc telesa. Zrážka telies spôsobila zmenu vnútornej energie, tá sa zväčšila a mechanická energia klesla. Toto sa skladá

§ 1. Tepelný pohyb. teplotaVo svete okolo nás sú rôzne fyzikálnych javov spojené s vykurovacími a chladiacimi telesami. Pri zahriatí to vieme studená voda najprv sa zahreje a potom zahreje. Slovami ako „studený“, „teplý“ a „horúci“ poukazujeme na iný stupeň zahrievania telies, alebo, ako sa hovorí vo fyzike, na inú teplotu telies. Teplota teplej vody je vyššia ako teplota studenej vody. Teplota vzduchu v lete je vyššia ako v zime. Príklady tepelných javov:
a - topiaci sa ľad; b - zamrznutie vody Telesná teplota sa meria teplomerom a vyjadruje sa v stupňoch Celzia (°C). Už viete, že difúzia pri vyššej teplote je rýchlejšia. To znamená, že rýchlosť pohybu molekúl a teplota spolu súvisia. Keď teplota stúpa, rýchlosť pohybu molekúl sa zvyšuje, keď klesá, klesá. Preto telesná teplota závisí od rýchlosti pohybu molekúl. Teplá voda sa skladá z rovnakých molekúl ako studená voda. Rozdiel medzi nimi spočíva len v rýchlosti pohybu molekúl.Javy spojené s ohrevom alebo chladením telies, so zmenou teploty, sa nazývajú tepelné. Medzi takéto javy patrí napríklad zahrievanie a ochladzovanie vzduchu, topenie ľadu, topenie kovov atď. Topenie kovu Molekuly alebo atómy, ktoré tvoria telá, sú v nepretržitom náhodnom pohybe. Ich počet v telách okolo nás je veľmi veľký. Takže v objeme rovnajúcom sa 1 cm3 vody je asi 3,34 1022 molekúl. Každá molekula sa pohybuje po veľmi zložitej trajektórii. Je to spôsobené tým, že napríklad častice plynu pohybujúce sa vysokou rýchlosťou v rôznych smeroch narážajú do seba a do stien nádoby. V dôsledku toho zmenia rýchlosť a opäť pokračujú v pohybe. Obrázok 1 ukazuje trajektórie mikroskopických častíc farby rozpustených vo vode. Ryža. 1. Trajektória pohybu mikročastíc farby rozpustených vo vode Keďže jeho teplota súvisí s rýchlosťou pohybu molekúl telesa, náhodný pohyb častíc sa nazýva tzv tepelný pohyb. V kvapalinách môžu molekuly navzájom oscilovať, rotovať a pohybovať sa. V pevných látkach molekuly a atómy kmitajú okolo určitých priemerných polôh.Na tepelnom pohybe sa podieľajú všetky molekuly telesa, preto so zmenou charakteru tepelného pohybu sa mení aj stav telesa a jeho vlastnosti. Takže keď teplota stúpne, ľad sa začne topiť a mení sa na kvapalinu. Ak sa teplota napríklad ortuti zníži, zmení sa z kvapaliny na pevnú látku kryštálová mriežkaľad Telesná teplota je v úzke spojenie s priemernou kinetickou energiou molekúl. Čím vyššia je telesná teplota, tým väčšia je priemerná kinetická energia jeho molekúl. Keď teplota telesa klesá, priemerná kinetická energia jeho molekúl klesá.

Táto lekcia sa zaoberá pojmom tepelný pohyb a takou fyzikálnou veličinou, ako je teplota.

Tepelné javy v živote človeka majú veľký význam. Stretávame sa s nimi ako pri predpovedi počasia, tak aj pri vare obyčajnej vody. Tepelné javy sú spojené s takými procesmi, ako je vytváranie nových materiálov, tavenie kovov, spaľovanie paliva, vytváranie nových druhov palív pre automobily a lietadlá atď.

Teplota je jednou z najdôležitejšie pojmy spojené s tepelnými javmi, keďže často ide o teplotu najdôležitejšia charakteristika tepelné procesy.

Definícia.tepelné javy- ide o javy spojené s ohrievaním alebo ochladzovaním telies, ako aj so zmenou ich stavu agregácie (obr. 1).

Ryža. 1. Topenie ľadu, ohrev vody a odparovanie

Všetky tepelné javy sú spojené s teplota.

Všetky orgány sú charakterizované stavom ich tepelná rovnováha. Hlavná charakteristika tepelná rovnováha je teplota.

Definícia.Teplota je mierou "tepla" tela.

Keďže teplota je fyzikálna veličina, môže a mala by sa merať. Prístroj používaný na meranie teploty sa nazýva tzv teplomer(z gréčtiny. termo- "teplý", metero- „meriam“) (obr. 2).

Ryža. 2. Teplomer

Prvý teplomer (alebo skôr jeho analóg) vynašiel Galileo Galilei (obr. 3).

Ryža. 3. Galileo Galilei (1564-1642)

Vynález Galilea, ktorý predstavil svojim študentom na prednáškach na univerzite v r koncom XVI storočia (1597), bol tzv termoskop. Prevádzka akéhokoľvek teplomeru je založená na nasledujúcom princípe: fyzikálne vlastnosti látky sa menia s teplotou.

Galileova skúsenosť pozostávalo z nasledovného: vzal banku s dlhou stopkou a naplnil ju vodou. Potom vzal pohár vody, otočil banku hore dnom a vložil ju do pohára. Časť vody sa samozrejme vyliala, no v dôsledku toho určitá hladina vody v nohe zostala. Ak sa teraz banka (ktorá obsahuje vzduch) zahreje, hladina vody klesne a ak sa ochladí, naopak, stúpne. Je to spôsobené tým, že pri zahrievaní majú látky (najmä vzduch) tendenciu expandovať a pri ochladzovaní sa zužujú (preto sú koľajnice nesúvislé a drôty medzi pólmi sa niekedy trochu prehýbajú).

Ryža. 4. Skúsenosti s programom Galileo

Táto myšlienka tvorila základ prvého termoskopu (obr. 5), ktorý umožnil vyhodnotiť zmenu teploty (s takýmto termoskopom nie je možné presne zmerať teplotu, pretože jej hodnoty budú silne závisieť od atmosférického tlaku).

Ryža. 5. Kópia Galileovho termoskopu

Zároveň sa zaviedla takzvaná stupňová stupnica. Samotné slovo stupňa v latinčine znamená "krok".

Dodnes sa zachovali tri hlavné stupnice.

1. Celzia

Najpoužívanejšou stupnicou, ktorú pozná každý už od detstva, je Celziova stupnica.

Anders Celsius (obr. 6) - švédsky astronóm, ktorý navrhol nasledujúcu teplotnú stupnicu: - bod varu vody; - bod tuhnutia vody. V dnešnej dobe sme všetci zvyknutí na obrátenú Celziovu stupnicu.

Ryža. 6 Andres Celsius (1701-1744)

Poznámka: Sám Celsius povedal, že táto voľba mierky bola spôsobená jednoduchý fakt: ale v zime nebude žiadna mínusová teplota.

2. stupnica Fahrenheita

V Anglicku, USA, Francúzsku, Latinskej Amerike a niektorých ďalších krajinách je populárna stupnica Fahrenheita.

Gabriel Fahrenheit (obr. 7) je nemecký výskumník, inžinier, ktorý prvýkrát aplikoval vlastnú stupnicu pri výrobe skla. Fahrenheitova stupnica je tenšia: rozmer stupnice Fahrenheit je menší ako stupeň Celziovej stupnice.

Ryža. 7 Gabriel Fahrenheit (1686-1736)

3. Réaumurova stupnica

Technickú stupnicu vynašiel francúzsky výskumník R.A. Réaumur (obr. 8). Podľa tejto stupnice zodpovedá bodu tuhnutia vody, no Réaumur zvolil za bod varu vody teplotu 80 stupňov.

Ryža. 8. René Antoine Réaumur (1683-1757)

Vo fyzike tzv absolútna mierka - Kelvinova stupnica(obr. 8). 1 stupeň Celzia sa rovná 1 stupňu Kelvina, ale teplota v približne zodpovedá (obr. 9).

Ryža. 9. William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907)

Ryža. 10. Teplotné stupnice

Pripomeňme si, že pri zmene telesnej teploty sa menia jeho lineárne rozmery (pri zahrievaní sa teleso rozťahuje, pri ochladzovaní zužuje). Súvisí to so správaním molekúl. Pri zahrievaní sa rýchlosť pohybu častíc zvyšuje, respektíve začínajú častejšie interagovať a zväčšuje sa objem (obr. 11).

Ryža. 11. Zmena lineárnych rozmerov

Z toho môžeme usudzovať, že teplota je spojená s pohybom častíc, ktoré tvoria telesá (to platí pre pevné, kvapalné a plynné telesá).

Pohyb častíc v plynoch (obr. 12) je náhodný (keďže molekuly a atómy v plynoch prakticky neinteragujú).

Ryža. 12. Pohyb častíc v plynoch

Pohyb častíc v kvapalinách (obr. 13) je "skákavý", to znamená, že molekuly vedú "sedavý spôsob života", ale sú schopné "skákať" z jedného miesta na druhé. To určuje tekutosť kvapalín.

Ryža. 13. Pohyb častíc v kvapalinách

Pohyb častíc v pevné látky(obr. 14) sa nazýva oscilačný.

Ryža. 14. Pohyb častíc v pevných látkach

Všetky častice sú teda v nepretržitom pohybe. Tento pohyb častíc sa nazýva tepelný pohyb(náhodný, chaotický pohyb). Tento pohyb sa nikdy nezastaví (pokiaľ má telo teplotu). Prítomnosť tepelného pohybu potvrdil v roku 1827 anglický botanik Robert Brown (obr. 15), podľa ktorého je tento pohyb tzv. Brownov pohyb.

Ryža. 15. Robert Brown (1773-1858)

K dnešnému dňu je známe, že nízka teplota, ktoré možno dosiahnuť je približne . Práve pri tejto teplote sa pohyb častíc zastaví (pohyb vnútri častíc samotných sa však nezastaví).

Skúsenosť Galilea bola popísaná skôr a na záver uvažujme o ďalšej skúsenosti – skúsenosti francúzskeho vedca Guillauma Amontona (obr. 15), ktorý v roku 1702 vynašiel tzv. plynový teplomer. S menšími zmenami sa tento teplomer zachoval dodnes.

Ryža. 15. Guillaume Amonton (1663-1705)

Skúsenosti z Amontonu

Ryža. 16. Skúsenosti Amontonu

Vezmite banku s vodou a uzavrite ju zátkou s tenkou hadičkou. Ak teraz ohrievate vodu, potom v dôsledku expanzie vody sa jej hladina v trubici zvýši. Podľa úrovne stúpania vody v trubici je možné vyvodiť záver o zmene teploty. Výhoda Teplomer Amonton je, že nezávisí od atmosférického tlaku.

V tejto lekcii sme to považovali za dôležité fyzikálne množstvo, ako teplota. Študovali sme metódy jeho merania, charakteristiky a vlastnosti. V ďalšej lekcii tento koncept preskúmame vnútornej energie.

Bibliografia

1. Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Ed. Orlová V.A., Roizena I.I. Fyzika 8. - M.: Mnemosyne.
2. Peryshkin A.V. Fyzika 8. - M.: Drop, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fyzika 8. - M.: Osveta.

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

Domáca úloha

1. č. 1-4 (odsek 1). Peryshkin A.V. Fyzika 8. - M.: Drop, 2010.

2. Prečo nemôže byť Galileov termoskop kalibrovaný?

3. Železný klinec nahriaty na sporáku:

Ako sa zmenila rýchlosť molekúl železa?

Ako sa zmení rýchlosť pohybu molekúl, ak sa necht spustí do studenej vody?

Ako to zmení rýchlosť molekúl vody?

Ako sa pri týchto pokusoch mení objem nechtu?

4. Balón bol presunutý z miestnosti do mrazu:

Ako sa zmení objem lopty?

Ako sa zmení rýchlosť pohybu molekúl vzduchu vo vnútri balóna?

Ako sa zmení rýchlosť molekúl vo vnútri lopty, ak sa vráti späť do miestnosti a navyše sa priloží k batérii?

tepelný pohyb

Akákoľvek látka pozostáva z najmenších častíc - molekúl. Molekula je najmenšia častica danej látky, ktorá si zachováva všetky svoje chemické vlastnosti. Molekuly sú umiestnené diskrétne v priestore, t. j. v určitej vzdialenosti od seba, a sú v stave nepretržitého nestály (chaotický) pohyb .

Keďže telá pozostávajú z veľkého počtu molekúl a pohyb molekúl je náhodný, nie je možné presne povedať, koľko dopadov zažije tá či oná molekula od ostatných. Preto hovoria, že poloha molekuly, jej rýchlosť v každom časovom okamihu je náhodná. To však neznamená, že pohyb molekúl nie je v súlade s určitými zákonmi. Najmä, aj keď sú rýchlosti molekúl v určitom časovom bode rôzne, väčšina z nich má rýchlosti blízke určitej určitej hodnote. Zvyčajne, keď hovoríme o rýchlosti pohybu molekúl, znamenajú priemerná rýchlosť (v$cp).

Nie je možné určiť konkrétny smer, ktorým sa všetky molekuly pohybujú. Pohyb molekúl sa nikdy nezastaví. Môžeme povedať, že je nepretržitý. Takýto nepretržitý chaotický pohyb atómov a molekúl sa nazýva -. Tento názov je určený skutočnosťou, že rýchlosť pohybu molekúl závisí od teploty tela. Čím väčšia je priemerná rýchlosť pohybu molekúl tela, tým vyššia je jeho teplota. Naopak, čím vyššia je teplota telesa, tým väčšia je priemerná rýchlosť molekúl.

Pohyb tekutých molekúl bol objavený pozorovaním Brownovho pohybu - pohybu veľmi malých pevných častíc v ňom suspendovaných. Každá častica nepretržite skáče v ľubovoľných smeroch a opisuje trajektóriu vo forme prerušovanej čiary. Toto správanie častíc možno vysvetliť predpokladom, že na ne narazia molekuly kvapaliny súčasne z rôznych strán. Rozdiel v počte týchto dopadov z opačných smerov vedie k pohybu častice, pretože jej hmotnosť je úmerná hmotnostiam samotných molekúl. Pohyb takýchto častíc prvýkrát objavil v roku 1827 anglický botanik Brown, ktorý pozoroval peľové častice vo vode pod mikroskopom, a preto sa nazýval - Brownov pohyb.