Методическая разработка по разделу «Молекулярная физика»

Государственное автономное профессиональное

образовательное учреждение Чувашской Республики

«Батыревский агропромышленный техникум»

Министерства образования и молодежной политики

Чувашской Республики

Методическая разработка

по разделу "Молекулярная физика"

по дисциплине "Физика"

в помощь учащимся по профессиям

190631.01 Автомеханик,

110308.02 Тракторист-машинист

сельскохозяйственного производства.

Преподаватель

Спинов Василий Александрович

Молекулярная физика

Основы МКТ

Основным положением молекулярно-кинетической теории является утверждение, что все тела состоят из мельчайших частиц (молекул, атомов и т.д.), которые движутся и взаимодействуют между собой. Доказательствами молекулярного строения вещества являются дробление тел, плавление, испарение, диффузия, броуновское движение и т.д.

Молярной массой M вещества называется масса такого количества молекул данного вещества, которое содержится в углероде ¹²C массой 12 г. Молярную массу вещества можно узнать по таблице Менделеева, сложив атомные массы всех атомов, входящих в молекулу этого вещества. При этом молярная масса будет измеряться в г/моль. Для перевода в систему СИ это значение следует умножить на 10^-3. При этом молярная масса измеряется в кг/моль. Так, например, молярная масса водорода H₂ равна 2 г/моль=2*10³ кг/моль.

В одном моле любого вещества содержится N_A = 6,022*10²³ моль^-1 молекул. Число N_A называется постоянной Авогадро. Масса одной молекулы m₀ выражается формулой

Количеством вещества v называется отношение числа молекул N к числу Авогадро N_A :

Если m — масса вещества, то

Идеальным газом называется газ, в котором молекулы движутся свободно и взаимодействуют между собой и со стенками сосуда только при столкновениях. Модель идеального газа удовлетворительно описывает достаточно разреженные газы.

Среднеквадратичной скоростью молекул

называется следующая физическая величин

где v₁, v₂, v₃,... — скорости молекул: первой, второй, третьей, и так далее до N. Отметим, что средняя скорость молекул равна нулю и не равна

Концентрацией молекул n называется отношение числа молекул N в объеме V к этому объему V:

Давление p можно выразить следующей формулой

Это уравнение носит название основного уравнения молекулярно кинетической теории (МКТ) газов. Это уравнение можно переписать в виде

где ρ— плотность газа, — средняя кинетическая энергия молекулы газа. Средняя кинетическая энергия связана с температурой T газа формулой

где k—постоянная Больцмана. Она численно равна

Можно доказать следующую формулу:

Из нее следует уравнение Менделеева-Клапейрона

где

— универсальная газовая постоянная.

При неизменной массе и составе газа

Если же постоянна еще и температура, то(изотермический процесс),

если давление постоянно, то (изобарный процесс),

если объем постоянен, то

(изохорный процесс).

Водяной пар всегда присутствует в атмосфере Земли, как малая примесь, но он во многом определяет погоду. Влажность воздуха можно характеризовать парциальным давлением пара p или плотностью пара ρ (абсолютная влажность). Насыщенным паром называется пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. При определенной температуре существует такое давление, при котором водяной пар становится насыщенным. Такое давление р_нас называется давлением насыщенного пара. Это давление можно найти по таблице в задачнике. Относительной влажностью φ называется отношение парциального давления пара p к давлению насыщенного пара

Если p_нас — плотность насыщенного пара, то

В жидкостях имеет место явление поверхностного натяжения. Оно состоит в том, что жидкость стремится уменьшить свою энергию, минимизировав поверхность. Как известно, из всех тел заданного объема минимальной поверхностью обладает шар. Именно поэтому жидкость в невесомости приобретает шарообразную форму. Сила поверхностного натяжения F, действующая на тело длины l, выражается формулой

где σ — коэффициент поверхностного натяжения.

Пусть имеется твердое тело длинной l с площадью поперечного сечения S, которое под действием силы F удлинилось на Δl. Тогда имеет место формула

где

напряжение в теле, Е — константа, которая называется модулем Юнга,

— относительное удлинение.

Молекулярно-кинетическая теория идеального газа. Основные положения

Молекулы в идеальном газе движутся хаотически. Движение одной молекулы характеризуют микроскопические параметры (масса молекулы, ее скорость, импульс, кинетическая энергия). Свойства газа как целого описываются с помощью макроскопических параметров (масса газа, давление, объем, температура). Молекулярно-кинетическая теория устанавливает взаимосвязь между микроскопическими и макроскопическими параметрами.

Число молекул в идеальном газе столь велико, что закономерности их поведения можно выяснить только с помощью статистического метода. Равномерное распределение в пространстве молекул идеального газа является наиболее вероятным состоянием газа, т. е. наиболее часто встречающимся.

Распределение молекул идеального газа по скоростям при определенной температуре является статистической закономерностью.

Наиболее вероятная скорость молекул — скорость, которой обладает максимальное число молекул. Стационарное равновесное состояние газа — состояние, в котором число молекул в заданном интервале скоростей остается постоянным.

Температура тела — мера средней кинетической энергии поступательного движения его молекул:

где черта сверху — знак усреднения по скоростям, k = 1,38 • 10^-23 Дж/К — постоянная Больцмана.

Единица термодинамической температуры — кельвин (К).

При абсолютном нуле температуры средняя кинетическая энергия молекул равна нулю.

Средняя квадратичная (тепловая) скорость молекул газа

где М — молярная масса, R = 8,31 Дж/(К • моль) — молярная газовая постоянная.

Давление газа — следствие ударов движущихся молекул:

где n — концентрация молекул (число молекул в единице объема), E_k — средняя кинетическая энергия молекулы.

Давление газа пропорционально его температуре:

Постоянная Лошмидта — концентрация идеального газа при нормальных условиях (атмосферное давление р= 1,01 • 10⁵ Па и температура Т = 273 К):

Уравнение Клапейрона—Менделеева — уравнение состояния идеального газа, связывающее три макроскопических параметра (давление, объем, температуру) данной массы газа.

Изопроцесс — процесс, при котором один из макроскопических параметров состояния данной массы газа остается постоянным. Изотермический процесс — процесс изменения состояния определенной массы газа при постоянной температуре.

Закон Бойля—Мариотта: для газа данной массы при постоянной температуре:

где р₁, р₂, V₁, V₂ — давление и объем газа в начальном и конечном состояниях

Изотерма — график изменения макроскопических параметров газа при изотермическом процессе. Изобарный процесс — процесс изменения состояния определенной массы газа при постоянном давлении.

Закон Гей-Люссака: для газа данной массы при постоянном давлении

где V₁, V₂, T₁, Т₂— объем и температура газа в начальном и конечном состояниях.

Изобара — график изменения макроскопических параметров газа при изобарном процессе.

Изохорный процесс — процесс изменения состояния определенной массы газа при постоянном объеме. Закон Шарля: для газа данной массы при постоянном объеме

где p₁, р₂, T₁, Т₂ — давление и температура газа в начальном и конечном состояниях.

Изохора — график изменения макроскопических параметров газа при изохорном процессе.

Молекулярная структура вещества. Основные положения

Все вещества состоят из движущихся и взаимодействующих между собой атомов и молекул.

Простые вещества состоят из одинаковых атомов, сложные — из атомов различных химических элементов. Атом — наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого движутся отрицательно заряженные электроны, притягивающиеся к положительно заряженному ядру силами электромагнитного взаимодействия.

Главной характеристикой химического элемента является заряд ядра атома.

Z — зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре, совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева.

Атом электронейтрален: положительный заряд (+Ze) ядра компенсируется отрицательным зарядом (-Ze) электронов.

Кроме протонов, в ядре атомов содержатся нейтроны, связанные с протонами сильным взаимодействием. Общее название протонов и нейтронов, входящих в состав ядра, — нуклоны.

Массовое число А равно числу нуклонов в ядре (суммарное число протонов Z и нейтронов N):

Изотоп — разновидность одного и того же химического элемента, атом которого содержит одинаковое число протонов в ядре и разное число нейтронов.

В условном обозначении изотопа химического элемента указываются массовое число А и зарядовое число Z:

Масса атома меньше суммарной массы частиц, входящих в его состав.

Дефект массы — разность суммарной массы отдельных частиц, входящих в состав атома (ядра), и полной массы атома (ядра):

Дефект массы обусловливается выделением энергии ΔЕ при образовании атома:

Атомная единица массы (а.е.м.) — средняя масса нуклона в атоме углерода ¹²6С.

Атомная единица массы равна 1/12 массы атома углерода ¹²6С.

Относительная масса атома М_r — число атомных единиц массы, содержащихся в массе атома:

Моль — количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равна относительной массе атома.

Молярная масса — масса одного моля.

Единица молярной массы — килограмм на моль (кг/моль). Постоянная Авогадро — число атомов (или молекул) в одном моле любого вещества:

Молярная масса вещества

Существует четыре агрегатных состояния (или фазы) вещества: твердое, жидкое, газообразное, плазменное.

Фазовый переход — переход системы из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе скачкообразно изменяется какая-либо физическая величина (например, плотность, внутренняя энергия) или симметрия системы. Вещество находится в твердом состоянии, если средняя потенциальная энергия притяжения молекул много больше их средней кинетической энергии.

Молекулы в твердом теле располагаются упорядоченно.

Жидкое состояние образуется, если средняя потенциальная энергия притяжения молекул соизмерима с их средней кинетической энергией. Упорядоченное расположение молекул наблюдается в жидкости лишь в пределах нескольких соседних молекулярных слоев.

Вещество находится в газообразном состоянии, если средняя кинетическая энергия молекул превышает среднюю потенциальную энергию их взаимодействия. Молекулы газа движутся хаотически. Условия идеальности газа:

1)диаметр молекул много меньше среднего расстояния между ними;

2)средняя кинетическая энергия молекул много больше средней потенциальной энергии их взаимодействия;

3)молекулы взаимодействуют между собой и со стенками упруго. Плазма — электронейтральная совокупность нейтральных и заряженных частиц.

Ионизация — процесс образования ионов из атомов.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/170291-metodicheskaja-razrabotka-po-razdelu-molekulj