IV Yakovlev | Fizikte Malzemeler | MathUs.ru

Moleküler fizik ve termodinamik

Bu kılavuz, ikinci bölüm ¾ Moleküler fizik için ayrılmıştır. Fizikte USE kodlayıcısının termodinamiği. Aşağıdaki konuları kapsar.

Atomların ve madde moleküllerinin termal hareketi. Brown hareketi. Difüzyon. Atomistik teorinin deneysel kanıtı. Madde parçacıklarının etkileşimi.

Gazların, sıvıların ve katıların yapı modelleri.

İdeal gaz modeli. Basınç ve ortalama kinetik enerji arasındaki ilişki termal hareket ideal gaz molekülleri. mutlak sıcaklık. Gaz sıcaklığının parçacıklarının ortalama kinetik enerjisiyle bağlantısı. Denklem p = nkT . Mendeleev'in Clapeyron denklemi.

İzoprosesler: izotermal, izokorik, izobarik, adyabatik süreçler.

Doymuş ve doymamış çiftler. Hava nemi.

Maddenin toplam hallerindeki değişiklikler: buharlaşma ve yoğunlaşma, sıvı kaynama, erime ve kristalleşme. Faz geçişlerinde enerji değişimi.

İçsel enerji. Termal denge. Isı transferi. Isı miktarı. Özısı maddeler. Isı dengesi denklemi.

Termodinamikte çalışın. Termodinamiğin birinci yasası.

Termal makinelerin çalışma prensipleri. ısı motoru verimliliği. Termodinamiğin ikinci yasası. Enerji ve çevre koruma sorunları.

Kılavuz ayrıca bazı ek malzeme, USE kodlayıcısına dahil değildir (ancak Okul müfredatı!). Bu materyal, kapsanan konuları daha iyi anlamanızı sağlar.

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

2.3 Sıvılar . . . . . . on

	Moleküler fiziğin temel formülleri
	Sıcaklık
		termodinamik sistem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Termal denge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		sıcaklık ölçeği. Mutlak sıcaklık . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	İdeal gaz hal denklemi
		Gaz parçacıklarının ortalama kinetik enerjisi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2 İdeal bir gazın MKT'sinin temel denklemi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.3 Parçacık enerjisi ve gaz sıcaklığı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6.1 termodinamik süreç. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.2 İzotermal süreç. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.3 İzotermal Süreç Grafikleri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

6.4 İzobarik süreç. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6.5 izobarik sürecin grafikleri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

	izokorik süreç. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	İzokorik Süreç Grafikleri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 Doymuş buhar

7.1 Buharlaşma ve yoğunlaşma

7.2 dinamik denge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.3 Doymuş buhar özellikleri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

8.1 Monatomik bir ideal gazın iç enerjisi. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

8.2 Durum işlevi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.3 İç enerjideki değişim: iş yapmak. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.4 İç enerjideki değişim: ısı transferi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.5 Termal iletkenlik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

10 Faz geçişleri

10.1 Erime ve kristalleşme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

10.2 Erime tablosu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

10.3 Özgül füzyon ısısı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

10.4 Kristalizasyon tablosu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

10.5 Buharlaşma ve yoğunlaşma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

10.6 Kaynatma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

10.7 Kaynatma programı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

10.8 Yoğunlaşma eğrisi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11 Termodinamiğin birinci yasası

11.1 Bir izobarik süreçte bir gazın çalışması. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

11.2 Gaz keyfi bir süreçte çalışıyor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.3 Gaz üzerinde yapılan iş. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.4 Termodinamiğin birinci yasası. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

11.5 Termodinamiğin birinci yasasının izoproseslere uygulanması. . . . . . . . . . . . . 46

11.6 Adyabatik süreç. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.1 ısı motorları. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

12.2 Soğutma makineleri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

13.1 Doğadaki süreçlerin geri döndürülemezliği. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

13.2 Clausius ve Kelvin'in Postülaları. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1 Temel hükümler moleküler kinetik teori

Ünlü "Feynman Lectures on Physics" dersinin yazarı olan büyük Amerikalı fizikçi Richard Feynman'ın harika sözleri var:

Bazı küresel felaketlerin bir sonucu olarak, birikmiş tüm bilimsel bilgi Gelecek nesil canlılara sadece bir cümle aktarılacak olsaydı, o zaman en az sayıda kelimeden oluşan hangi ifade en fazla bilgiyi getirirdi? Bunun bir atomik hipotez olduğuna inanıyorum (buna bir hipotez değil, bir gerçek diyebilirsiniz, ancak bu hiçbir şeyi değiştirmez): tüm cisimler, sürekli hareket halinde olan, kısa bir mesafede çeken küçük cisimlerin atomlarından oluşur, ama biri diğerine daha sert basarsa itin. Bu bir cümlede. . . dünya hakkında inanılmaz miktarda bilgi içeriyor, sadece biraz hayal gücü ve biraz düşünmeniz gerekiyor.

Bu kelimeler, maddenin yapısının moleküler-kinetik teorisinin (MKT) özünü içerir. Yani, MKT'nin ana hükümleri aşağıdaki üç ifadedir.

1. Herhangi bir madde, en küçük molekül ve atom parçacıklarından oluşur. Uzayda ayrı ayrı, yani birbirlerinden belirli mesafelerde bulunurlar.

2. Maddenin atomları veya molekülleri rastgele hareket halindedir 1 , asla sona ermez.

3. Bir maddenin atomları veya molekülleri, parçacıklar arasındaki mesafelere bağlı olan çekim ve itme kuvvetleriyle birbirleriyle etkileşime girer.

Bu hükümler, sayısız gözlemin ve deneysel gerçeğin bir genellemesidir. Bu hükümlere daha yakından bakalım ve deneysel gerekçelerini verelim.

1.1 Atomlar ve moleküller

Bir parça kağıt alalım ve onu daha küçük ve daha küçük parçalara bölmeye başlayalım. Her adımda kağıt parçaları mı alacağız yoksa bir aşamada yeni bir şey mi ortaya çıkacak?

MKT'nin ilk konumu bize maddenin sonsuz bölünebilir olmadığını söyler. Er ya da geç, belirli bir maddenin en küçük parçacıklarının "son sınırına" ulaşacağız. Bu parçacıklar atomlar ve moleküllerdir. Ayrıca parçalara ayrılabilirler, ancak daha sonra orijinal madde var olmaktan çıkacaktır.

Bir atom, belirli bir kimyasal elementin tüm özelliklerini koruyan en küçük parçacığıdır. Kimyasal özellikler. Çok fazla kimyasal element yoktur; hepsi periyodik tabloda özetlenmiştir.

Molekül, belirli bir maddenin (kimyasal element olmayan) tüm kimyasal özelliklerini koruyan en küçük parçacığıdır. Bir molekül, bir veya daha fazla kimyasal elementin iki veya daha fazla atomundan oluşur.

Örneğin H2O, iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomundan oluşan bir su molekülüdür. Onu atomlara ayırarak artık ¾su¿ denen bir maddeyle uğraşmayacağız. Ayrıca, H ve O atomlarını bileşenlerine ayırarak bir dizi proton, nötron ve elektron elde ederiz ve böylece ilk başta hidrojen ve oksijen olduğu bilgisini kaybederiz.

1 Bu harekete termal hareket denir.

Bir atomun veya molekülün boyutu (olmayan Büyük bir sayı atomlar) yaklaşık 108 cm'dir.Bu o kadar küçük bir değerdir ki atom hiçbir optik mikroskopta görülemez.

Atomlar ve moleküller kısaca madde parçacıkları olarak adlandırılır. Her özel durumda bir parçacığın, bir atomun veya bir molekülün tam olarak ne olduğunu belirlemek zor değildir. hakkında ise kimyasal element, o zaman parçacık bir atom olacaktır; karmaşık bir madde düşünülürse, parçacığı birkaç atomdan oluşan bir moleküldür.

Ayrıca, MKT'nin ilk önermesi, madde parçacıklarının sürekli olarak uzayı doldurmadığını belirtir. Parçacıklar ayrı ayrı, yani sanki ayrı noktalarda bulunur. Parçacıklar arasında, boyutları belirli sınırlar içinde değişebilen boşluklar vardır.

Vücutların termal genleşmesi olgusu, MKT'nin ilk konumu lehine tanıklık eder. Yani ısıtıldığında maddenin tanecikleri arasındaki mesafeler artar ve cismin boyutları artar. Soğuduğunda ise tam tersine parçacıklar arasındaki mesafeler azalır ve bunun sonucunda vücut kasılır.

Difüzyon, birbirine temas eden maddelerin karşılıklı nüfuzu, aynı zamanda MKT'nin ilk konumunun çarpıcı bir teyididir.

Örneğin, Şek. 1 bir sıvıda difüzyon sürecini gösterir2. Çözünen maddenin parçacıkları bir bardak suya konur ve ilk olarak bardağın sol üst kısmında bulunur. Zamanla, parçacıklar yüksek konsantrasyonlu bir bölgeden düşük konsantrasyonlu bir bölgeye hareket eder (diyelim ki yayılır). Sonunda, parçacıkların konsantrasyonu her yerde aynı olur; parçacıklar sıvının hacmi boyunca eşit olarak dağılır.

Pirinç. 1. Bir sıvı içinde difüzyon

Moleküler-kinetik teori açısından difüzyon nasıl açıklanır? Çok basit: bir maddenin parçacıkları, başka bir maddenin parçacıkları arasındaki boşluklara nüfuz eder. Difüzyon ne kadar hızlı giderse, bu boşluklar o kadar büyük olur; bu nedenle gazlar birbirleriyle en kolay karışır (parçacıklar arasındaki mesafeler çok fazladır). daha fazla boyut parçacıkların kendileri).

1.2 Atomların ve moleküllerin termal hareketi

MKT'nin ikinci önermesinin formülasyonunu bir kez daha hatırlayın: madde parçacıkları asla durmayan rastgele hareket (termal hareket olarak da adlandırılır) gerçekleştirir.

MKT'nin ikinci konumunun deneysel olarak doğrulanması yine bir difüzyon olgusudur, çünkü parçacıkların karşılıklı nüfuzu ancak sürekli hareketleriyle mümkündür!

2 Resim en.wikipedia.org'dan.

Ancak maddenin parçacıklarının sonsuz kaotik hareketinin en çarpıcı kanıtı Brown hareketidir. Bu, bir sıvı veya gaz içinde asılı halde bulunan toz parçacıklarının veya tanelerin (10 5 - 104 cm boyutunda) Brown parçacıklarının sürekli rastgele hareketinin adıdır.

Brownian hareketi, adını mikroskopta suda asılı duran polen parçacıklarının sürekli dansını gören İskoç botanikçi Robert Brown'un onuruna aldı. Bu hareketin sonsuza kadar sürdüğünün kanıtı olarak Brown, içi suyla dolu bir kuvars parçası buldu. Suyun oraya milyonlarca yıl önce gelmesine rağmen, oraya gelen zerrecikler, diğer deneylerde gözlemlenenden farklı olmayan hareketlerine devam ettiler.

Brown hareketinin nedeni, asılı bir parçacığın sıvı (gaz) moleküllerinden dengelenmemiş darbeler alması ve moleküllerin kaotik hareketi nedeniyle ortaya çıkan etkinin büyüklüğü ve yönünün kesinlikle tahmin edilemez olmasıdır. Bu nedenle, bir Brown parçacığı karmaşık zikzak yörüngeleri tanımlar (Şekil 2)3.

Pirinç. 2. Brown hareketi

Brown parçacıklarının boyutu, bir atomun boyutunun 1000-10000 katıdır. Bir yandan, bir Brown parçacığı yeterince küçüktür ve yine de farklı sayıda molekülün farklı yönlere çarptığını “hissettirir”; çarpma sayısındaki bu fark, Brown parçacığının gözle görülür yer değiştirmelerine yol açar. Öte yandan, Brown parçacıkları mikroskopla görülebilecek kadar büyüktür.

Bu arada, Brown hareketi aynı zamanda moleküllerin varlığının gerçeğinin kanıtı olarak da düşünülebilir, yani MKT'nin ilk konumunun deneysel bir doğrulaması olarak da hizmet edebilir.

1.3 Madde parçacıklarının etkileşimi

MKT'nin üçüncü konumu, bir maddenin parçacıklarının etkileşiminden bahseder: atomlar veya moleküller, parçacıklar arasındaki mesafelere bağlı olan çekim ve itme kuvvetleriyle birbirleriyle etkileşime girer: mesafeler arttıkça, çekim kuvvetleri başlar. itici kuvvette bir azalma ile hakim.

MKT'nin üçüncü konumunun geçerliliği, cisimlerin deformasyonlarından kaynaklanan elastik kuvvetlerle kanıtlanır. Bir cisim gerildiğinde, tanecikleri arasındaki mesafeler artar ve taneciklerin birbirini çekme kuvvetleri hakim olmaya başlar. Bir cisim sıkıştırıldığında, parçacıklar arasındaki mesafeler azalır ve sonuç olarak itme kuvvetleri baskın olur. Her iki durumda da elastik kuvvet, deformasyonun tersi yönde yönlendirilir.

3 Resim nv-magadan.narod.ru sitesinden.

Moleküller arası etkileşim kuvvetlerinin varlığının bir başka teyidi, maddenin üç toplu halinin varlığıdır.

AT Gazlarda moleküller, moleküllerin boyutlarını önemli ölçüde aşan mesafelerle birbirlerinden ayrılırlar (havada normal koşullar yaklaşık 1000 kez). Bu mesafelerde, moleküller arasındaki etkileşim kuvvetleri pratik olarak yoktur, bu nedenle gazlar kendilerine sağlanan tüm hacmi kaplar ve kolayca sıkıştırılır.

AT Sıvılarda, moleküller arasındaki boşluklar moleküllerin boyutuyla karşılaştırılabilir. Moleküler çekim kuvvetleri çok somuttur ve sıvıların hacminin korunmasını sağlar. Ancak bu kuvvetler sıvıların formlarını korumaları için yeterince güçlü değildir ve gazlar gibi sıvılar da kap şeklini alır.

AT Katılarda, parçacıklar arasındaki çekim kuvvetleri çok güçlüdür: katılar sadece hacmini değil, şeklini de korur.

Bir maddenin bir kümelenme durumundan diğerine geçişi, maddenin parçacıkları arasındaki etkileşim kuvvetlerinin büyüklüğündeki bir değişikliğin sonucudur. Parçacıkların kendileri değişmeden kalır.

Sizce şekerin suda çözünme hızını ne belirler? Basit bir deney yapabilirsiniz. İki parça şeker alın ve birini bir bardak kaynar suya, diğerini bir bardak soğuk suya atın.

Kaynar suda şekerin soğuk suya göre birkaç kat daha hızlı nasıl çözüleceğini göreceksiniz. Çözünmenin nedeni difüzyondur. Bu, difüzyonun daha hızlı gerçekleştiği anlamına gelir. Yüksek sıcaklık. Difüzyon, moleküllerin hareketinden kaynaklanır. Bu nedenle, moleküllerin daha yüksek sıcaklıklarda daha hızlı hareket ettiği sonucuna varıyoruz. Yani, hareketlerinin hızı sıcaklığa bağlıdır. Bu nedenle cismi oluşturan moleküllerin rastgele kaotik hareketine termal hareket denir.

Moleküllerin termal hareketi

Sıcaklık arttıkça moleküllerin termal hareketi artar ve maddenin özellikleri değişir. Katı erir, sıvıya dönüşür, sıvı buharlaşır, gaz haline dönüşür. Buna göre, sıcaklık düşürülürse, moleküllerin termal hareketinin ortalama enerjisi de azalacaktır ve buna göre, cisimlerin toplanma durumunu değiştirme süreçleri meydana gelecektir. ters yön: su yoğuşarak sıvı hale gelir, sıvı donarak katı hale geçer. Aynı zamanda, her zaman bu değerlerin daha büyük ve daha küçük değerlerine sahip parçacıklar olduğu için, her zaman sıcaklık ve moleküler hızın ortalama değerlerinden bahsediyoruz.

Maddelerdeki moleküller hareket eder, belirli bir mesafeyi geçer, bu nedenle biraz iş yapar. Yani parçacıkların kinetik enerjisinden bahsedebiliriz. Karşılıklı dizilimlerinden dolayı, moleküllerin bir potansiyel enerjisi de vardır. Cisimlerin kinetik ve potansiyel enerjisinden bahsettiğimizde, cisimlerin toplam mekanik enerjisinin varlığından bahsediyoruz. Vücudun parçacıklarının kinetik ve potansiyel enerjileri varsa, bu nedenle bu enerjilerin toplamından bağımsız bir miktar olarak bahsedebiliriz.

Vücudun iç enerjisi

Bir örnek düşünün. Elastik bir topu yere atarsak, hareketinin kinetik enerjisi, yere değdiği anda tamamen potansiyel enerjiye, zıpladığında ise tekrar kinetik enerjiye dönüşür. Sert, esnek olmayan bir yüzeye ağır bir demir top atarsak, top zıplamadan yere düşer. İnişten sonraki kinetik ve potansiyel enerjileri sıfıra eşit olacaktır. Enerji nereye gitti? Kayboldu mu? Çarpışmadan sonra top ve yüzeyi incelersek topun biraz düzleştiğini, yüzeyde bir göçük kaldığını ve ikisinin de hafifçe ısındığını görebiliriz. Yani, cisimlerin moleküllerinin dizilişinde bir değişiklik oldu ve sıcaklık da arttı. Bu, vücudun parçacıklarının kinetik ve potansiyel enerjilerinin değiştiği anlamına gelir. Vücudun enerjisi hiçbir yere gitmedi, vücudun iç enerjisine geçmiştir. İç enerji, vücudun tüm parçacıklarının kinetik ve potansiyel enerjisi olarak adlandırılır. Vücutların çarpışması iç enerjide bir değişikliğe neden oldu, arttı ve mekanik enerji azaldı. İşte bundan ibaret

§ 1. Termal hareket. sıcaklıkÇevremizdeki dünyada, çeşitli fiziksel olaylar Isıtma ve soğutma gövdeleri ile ilgili. Isıtıldığında biliyoruz soğuk suönce ısınır, sonra ısınır. "Soğuk", "ılık" ve "sıcak" gibi kelimelerle, cisimlerin farklı bir ısınma derecesine veya fizikte dedikleri gibi, farklı bir vücut sıcaklığına işaret ediyoruz. Sıcak su sıcaklığı, soğuk su sıcaklığından daha yüksektir. Yazın hava sıcaklığı kışın olduğundan daha yüksektir. Termal olaylara örnekler:
a - eriyen buz; b - suyun donması Vücut ısısı bir termometre ile ölçülür ve Santigrat derece (°C) olarak ifade edilir. Daha yüksek bir sıcaklıkta difüzyonun daha hızlı olduğunu zaten biliyorsunuz. Bu, moleküllerin hareket hızının ve sıcaklığın ilişkili olduğu anlamına gelir. Sıcaklık arttığında moleküllerin hareket hızı artar, azaldığında azalır. Bu nedenle vücut ısısı moleküllerin hareket hızına bağlıdır. Sıcak su, soğuk su ile aynı moleküllerden oluşur. Aralarındaki fark sadece moleküllerin hareket hızında yatmaktadır.Isıtma veya soğutma cisimleriyle ilişkili, sıcaklıktaki bir değişiklikle ilgili olaylara termal denir. Bu tür fenomenler arasında örneğin havanın ısıtılması ve soğutulması, buzun erimesi, metallerin erimesi vb. Cisimleri oluşturan moleküller veya atomlar sürekli rastgele hareket halindedir. Çevremizdeki bedenlerdeki sayıları çok fazladır. Yani 1 cm3 su hacminde yaklaşık 3.34 1022 molekül vardır. Her molekül çok karmaşık bir yörünge boyunca hareket eder. Bunun nedeni, örneğin farklı yönlerde yüksek hızlarda hareket eden gaz parçacıklarının birbirleriyle ve kabın duvarlarıyla çarpışmasıdır. Sonuç olarak, hızlarını değiştirirler ve tekrar hareket etmeye devam ederler. Şekil 1, suda çözünmüş mikroskobik boya parçacıklarının yörüngelerini göstermektedir. Pirinç. 1. Suda çözünen boya mikropartiküllerinin hareketinin yörüngesi Sıcaklığı, vücut moleküllerinin hareket hızı ile ilgili olduğundan, parçacıkların rastgele hareketine denir. termal hareket. Sıvılarda moleküller salınım yapabilir, dönebilir ve birbirlerine göre hareket edebilir. Katılarda, moleküller ve atomlar belirli ortalama konumlar etrafında titreşirler.Vücudun tüm molekülleri termal harekete katılır, bu nedenle termal hareketin doğasındaki bir değişiklikle vücudun durumu ve özellikleri de değişir. Böylece, sıcaklık yükseldiğinde, buz erimeye başlar ve bir sıvıya dönüşür. Örneğin cıvanın sıcaklığı düşürülürse sıvıdan katıya dönüşür. kristal kafes buz Vücut ısısı yakın bağlantı moleküllerin ortalama kinetik enerjisi ile Vücut sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi o kadar yüksek olur. Bir cismin sıcaklığı azaldıkça moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi azalır.

Bu ders, termal hareket kavramını ve sıcaklık gibi fiziksel bir niceliği tartışır.

İnsan hayatındaki termal olaylar büyük önem taşımaktadır. Hem hava tahmini sırasında hem de sıradan suyun kaynatılması sırasında karşılaşıyoruz. Termal olaylar, yeni malzemelerin yaratılması, metallerin eritilmesi, yakıtın yanması, otomobiller ve uçaklar için yeni yakıt türlerinin yaratılması gibi süreçlerle ilişkilidir.

Sıcaklık bunlardan biridir en önemli kavramlar genellikle sıcaklık olduğundan, termal olaylarla ilişkilidir. en önemli özellik termal süreçler.

Tanım.termal olaylar- bunlar, cisimlerin ısınması veya soğutulması ve ayrıca kümelenme durumlarındaki bir değişiklik ile ilişkili fenomenlerdir (Şekil 1).

Pirinç. 1. Buz eritme, su ısıtma ve buharlaşma

Tüm termal olaylar ile ilişkilidir sıcaklık.

Tüm bedenler durumlarıyla karakterize edilir. Termal denge. Ana karakteristik termal denge sıcaklıktır.

Tanım.Sıcaklık vücudun "sıcaklığının" bir ölçüsüdür.

Sıcaklık fiziksel bir büyüklük olduğu için ölçülebilir ve ölçülmelidir. Sıcaklığı ölçmek için kullanılan alete denir. termometre(Yunancadan. termo- "ılık", metre- “Ölçüyorum”) (Şekil 2).

Pirinç. 2. Termometre

İlk termometre (veya daha doğrusu analogu) Galileo Galilei tarafından icat edildi (Şekil 3).

Pirinç. 3. Galileo Galilei (1564-1642)

Üniversitede derslerde öğrencilerine sunduğu Galileo'nun icadı geç XVI yüzyıl (1597), olarak adlandırıldı termoskop. Herhangi bir termometrenin çalışması aşağıdaki prensibe dayanmaktadır: fiziksel özellikler maddeler sıcaklıkla değişir.

Galileo'nun deneyimişunlardan oluşuyordu: uzun saplı bir şişe aldı ve suyla doldurdu. Sonra bir bardak su aldı ve matarayı ters çevirerek bir bardağa yerleştirdi. Suyun bir kısmı tabii ki döküldü, ancak sonuç olarak bacakta belirli bir miktar su kaldı. Şimdi (hava içeren) şişe ısıtılırsa, su seviyesi düşecek ve soğutulursa, tam tersine yükselecektir. Bunun nedeni, ısıtıldıklarında maddelerin (özellikle havanın) genleşme eğiliminde olmaları ve soğutulduklarında daralmalarıdır (bu nedenle raylar süreksiz hale getirilir ve kutuplar arasındaki teller bazen biraz sarkar).

Pirinç. 4. Galileo'nun Deneyimi

Bu fikir, sıcaklıktaki değişikliği değerlendirmeyi mümkün kılan ilk termoskopun (Şekil 5) temelini oluşturdu (okumaları atmosfer basıncına güçlü bir şekilde bağlı olacağından, sıcaklığı böyle bir termoskopla doğru bir şekilde ölçmek imkansızdır).

Pirinç. 5. Galileo'nun termoskopunun kopyası

Aynı zamanda, sözde derece ölçeği tanıtıldı. çok kelime derece Latince "adım" anlamına gelir.

Bugüne kadar, üç ana ölçek hayatta kaldı.

1. Santigrat

Çocukluğundan beri herkesin bildiği en yaygın kullanılan ölçek Celsius ölçeğidir.

Anders Celsius (Şekil 6) - Aşağıdaki sıcaklık ölçeğini öneren İsveçli gökbilimci: - suyun kaynama noktası; - suyun donma noktası. Günümüzde hepimiz ters Celsius ölçeğine alışkınız.

Pirinç. 6 Andres Santigrat (1701-1744)

Not: Celsius'un kendisi, bu ölçek seçiminin neden olduğunu söyledi. basit gerçek: ancak kışın negatif sıcaklık olmayacaktır.

2. Fahrenhayt ölçeği

İngiltere, ABD, Fransa, Latin Amerika ve diğer bazı ülkelerde Fahrenheit ölçeği popülerdir.

Gabriel Fahrenheit (Şekil 7) kendi ölçeğini cam yapımında ilk kez uygulayan bir Alman araştırmacı ve mühendistir. Fahrenheit ölçeği daha incedir: Fahrenheit ölçeğinin boyutu, Celsius ölçeğinin derecesinden daha küçüktür.

Pirinç. 7 Gabriel Fahrenheit (1686-1736)

3. Réaumur ölçeği

Teknik ölçek, Fransız araştırmacı R.A. Réaumur (Şek. 8). Bu ölçeğe göre suyun donma noktasına karşılık gelir, ancak Réaumur suyun kaynama noktası olarak 80 derecelik bir sıcaklık seçmiştir.

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

Fizikte, sözde mutlak ölçek - Kelvin ölçeği(Şek. 8). 1 santigrat derece 1 Kelvin'e eşittir, ancak içindeki sıcaklık yaklaşık olarak karşılık gelir (Şekil 9).

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

Pirinç. 10. Sıcaklık ölçekleri

Vücut ısısı değiştiğinde doğrusal boyutlarının değiştiğini hatırlayın (ısıtıldığında vücut genişler, soğutulduğunda daralır). Moleküllerin davranışlarıyla alakalıdır. Isıtıldığında, parçacıkların hareket hızı sırasıyla artar, daha sık etkileşime girmeye başlar ve hacim artar (Şekil 11).

Pirinç. 11. Doğrusal boyutları değiştirme

Bundan, sıcaklığın cisimleri oluşturan parçacıkların hareketi ile ilişkili olduğu sonucuna varabiliriz (bu, katı, sıvı ve gaz halindeki cisimler için geçerlidir).

Gazlardaki partiküllerin hareketi (Şekil 12) rastgeledir (çünkü gazlardaki moleküller ve atomlar pratik olarak etkileşime girmez).

Pirinç. 12. Gazlarda parçacıkların hareketi

Parçacıkların sıvılardaki hareketi (Şekil 13) "zıplama"dır, yani moleküller "hareketsiz bir yaşam tarzına" öncülük eder, ancak bir yerden diğerine "zıplayabilir". Bu, sıvıların akışkanlığını belirler.

Pirinç. 13. Sıvılarda parçacıkların hareketi

Parçacıkların hareketi katılar(Şekil 14) salınımlı olarak adlandırılır.

Pirinç. 14. Katılarda parçacıkların hareketi

Böylece tüm parçacıklar sürekli hareket halindedir. Parçacıkların bu hareketine denir. termal hareket(rastgele, kaotik hareket). Bu hareket asla durmaz (vücudun sıcaklığı olduğu sürece). Termal hareketin varlığı, 1827'de İngiliz botanikçi Robert Brown tarafından doğrulandı (Şekil 15), ardından bu harekete bu isim verildi. kahverengi hareket.

Pirinç. 15. Robert Brown (1773-1858)

Bugüne kadar bilinmektedir ki, düşük sıcaklık, elde edilebilir yaklaşık . Bu sıcaklıkta parçacıkların hareketi durur (ancak parçacıkların içindeki hareket durmaz).

Galileo'nun deneyimi daha önce açıklandı ve sonuç olarak, başka bir deneyimi ele alalım - 1702'de sözde icat eden Fransız bilim adamı Guillaume Amonton'un (Şekil 15) deneyimi. gaz termometresi. Küçük değişikliklerle bu termometre bugüne kadar hayatta kaldı.

Pirinç. 15. Guillaume Amonton (1663-1705)

Amonton deneyimi

Pirinç. 16. Amonton Deneyimi

Su ile bir şişe alın ve ince bir tüp ile bir tıpa ile kapatın. Şimdi suyu ısıtırsanız, suyun genleşmesi nedeniyle tüpteki seviyesi artacaktır. Tüpteki suyun yükselme seviyesine göre sıcaklıktaki değişim hakkında bir sonuç çıkarmak mümkündür. Avantaj Amonton termometresi atmosfer basıncına bağlı olmamasıdır.

Bu dersimizde böylesine önemli bir fiziksel miktar, nasıl sıcaklık. Ölçüm yöntemlerini, özelliklerini ve özelliklerini inceledik. Bir sonraki derste, kavramı keşfedeceğiz içsel enerji.

bibliyografya

1. Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Ed. Orlova V.A., Roizena I.I. Fizik 8. - M.: Mnemosyne.
2. Peryshkin A.V. Fizik 8. - M.: Bustard, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizik 8. - M.: Aydınlanma.

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

Ev ödevi

1. No. 1-4 (paragraf 1). Peryshkin A.V. Fizik 8. - M.: Bustard, 2010.

2. Galileo'nun termoskopu neden kalibre edilemiyor?

3. Ocakta ısıtılan demir çivi:

Demir moleküllerinin hızı nasıl değişti?

Çivi soğuk suya indirilirse moleküllerin hareket hızı nasıl değişir?

Bu, su moleküllerinin hızını nasıl değiştirir?

Bu deneyler sırasında çivinin hacmi nasıl değişir?

4. Balon odadan dona taşındı:

Topun hacmi nasıl değişecek?

Balonun içindeki hava moleküllerinin hareket hızı nasıl değişecek?

Top odaya döndürülürse ve ayrıca bataryaya konursa topun içindeki moleküllerin hızı nasıl değişecek?

termal hareket

Herhangi bir madde en küçük parçacıklardan oluşur - moleküller. molekül belirli bir maddenin tüm kimyasal özelliklerini koruyan en küçük parçacığıdır. Moleküller uzayda ayrı ayrı, yani birbirlerinden belirli mesafelerde bulunurlar ve sürekli bir haldedirler. düzensiz (kaotik) hareket .

Cisimler çok sayıda molekülden oluştuğu ve moleküllerin hareketi rastgele olduğu için şu veya bu molekülün diğerlerinden ne kadar etki göreceğini tam olarak söylemek mümkün değildir. Bu nedenle, molekülün konumunun, zamanın her anındaki hızının rastgele olduğunu söylüyorlar. Ancak bu, moleküllerin hareketinin belirli yasalara uymadığı anlamına gelmez. Özellikle, moleküllerin belirli bir zamandaki hızları farklı olsa da, çoğu belirli bir değere yakın hızlara sahiptir. Genellikle, moleküllerin hareket hızından bahsederken şunu kastederler: ortalama sürat (v$cp).

Tüm moleküllerin hareket ettiği belirli bir yönü belirlemek imkansızdır. Moleküllerin hareketi asla durmaz. sürekli olduğunu söyleyebiliriz. Atomların ve moleküllerin böyle sürekli kaotik hareketine - denir. Bu isim, moleküllerin hareket hızının vücudun sıcaklığına bağlı olduğu gerçeğiyle belirlenir. Vücut moleküllerinin ortalama hareket hızı ne kadar yüksek olursa, sıcaklığı da o kadar yüksek olur. Tersine, vücudun sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, moleküllerin ortalama hızı o kadar yüksek olur.

Sıvı moleküllerin hareketi, içinde asılı duran çok küçük katı parçacıkların hareketi olan Brown hareketi gözlemlenerek keşfedildi. Her parçacık, yörüngeyi kesikli bir çizgi şeklinde tanımlayan, sürekli olarak keyfi yönlerde sıçramalar yapar. Parçacıkların bu davranışı, sıvı moleküllerin etkilerini aynı anda farklı yönlerden yaşadıkları varsayılarak açıklanabilir. Zıt yönlerden gelen bu etkilerin sayısındaki fark, kütlesi moleküllerin kütleleriyle orantılı olduğu için parçacığın hareketine yol açar. Bu tür parçacıkların hareketi ilk olarak 1827'de İngiliz botanikçi Brown tarafından sudaki polen parçacıklarını mikroskop altında gözlemleyerek keşfedildi, bu yüzden buna - Brown hareketi.