План уроку

1.Поняття абсолютної температури

2.Звязок шкал Цельсія і Кельвіна

3.Температура – міра середньої кінетичної енергії молекул

4.Звязок тиску газу з концентрацією його молекул і абсолютною температурою

5.Оцінка швидкості руху на основі МКТ.Дослід Штерна

1.Поняття абсолютної температури

Абсолю́тна температу́ра — параметр стану, який характеризує макроскопічну систему в стані термодинамічної рівноваги.

Абсолютна температура позначається здебільшого великою латинською літерою T й вимірюється в Кельвінах.

Шкали для вимірювання температури тіл у Цельсія, Реомюра і Фаренгейта мають по дві умовно обрані точки відліку, тому не узгоджені між собою, а Кельвін (англ) запропонував таку шкалу для вимірювання температури, в якій найнижча температура в природі-це температура, при якій відсутній рух молекул. її назвали абсолютний нуль температури.

2.Звязок шкал цельсія і кельвіна

У фізиці у більшості випадків користуються введеною ан­глійським вченим У. Кельвіном абсолютною шкалою температур (1848 р.), яка має дві основних точки.

Перша основна точка — 0 К, або абсолютний нуль.

Фізичний зміст абсолютного нуля: це температура, за якої мав би при­пинитися тепловий рух молекул.

При абсолютному нулі молекули поступально не рухаються, але їх коливальний і обертальний рухи зберігаються. Тепловий рух молекул безперервний і нескінченний. Відповідно абсолют­ний нуль температур за наявності молекул речовини недосяж­ний. Абсолютний нуль температур — це найнижча темпера­турна межа, верхньої не існує.

Друга основна точка на абсолютній шкалі температур — це точка, в якій вода існує у всіх трьох станах (твердому, рідкому і газоподібному), вона названа потрійною точкою.

У побуті для вимірювання температури використовують другу температурну шкалу — шкалу Цельсія, названу на честь шведсь­кого астронома А. Цельсія й уведену ним у 1742 р. На шка­лі Цельсія є дві основні точки: 0 °С (точка, у якій тане лід) і 100 °С (точка, у якій кипить вода). Температура, яка визнача­ється за шкалою Цельсія, позначається t. Шкала Цельсія має як додатні, так і від'ємні значення.

За рисунком простежимо зв'язок між температурами за шка­лами Кельвіна та Цельсія.


 

Ціна поділки за шкалою Кельвіна така сама, як і за шкалою Цельсія:

DТ = Т2– Т1=(t2° + 273)(t2° + 273) = t2° – t1° = Dt°.

Отже, DТ = Dt°, тобто зміна температури за шкалою Кельвіна дорівнює зміні температури за шкалою Кельвіна.

Температура вимірюється за допомогою термометрів, дія яких заснована на явищі термодинамічної рівноваги. Тобто термо­метр — це прилад для вимірювання температури за допомогою контакту з дослідженим тілом. У ході виготовлення термометрів різного типу ураховується залежність від температури різних фізичних явищ: теплового розширення, електричних і магнітних явищ тощо.

Розрізняють такі види термометрів: рідинні, термопари, газо­ві, термометри опору.

3.Температура – міра середньої кінетичної енергії молекул

Чим більше швидкість молекул тіла і їх кінетична енергія, тим вище температура тіла.

Середня кінетична енергія молекул тіла прямо пропорційна абсолютній температурі тіла.

E = 3/2kT

де Т-абсолютна температура-температура за шкалою Кельвіна

k-1, 34.10 -34 Дж / ​​К-це постійна Больцмана.

При тепловій рівновазі середні кінетичні енергії молекул двох тіл рівні, тому й температури двох тіл однакові.

4.Звязок тиску газу з концентрацією його молекул і абсолютною температурою

Відповідно до основного рівняння МКТ тиск прямо пропорційний середній кінетичній енергії поступального руху молекул: .

З іншого боку, експериментальна залежність має вигляд:р = роαT.

Прирівнюючи обидва ці рівняння, дістаємо:

Звідси маємо: або

Множник k, що виражає співвідношення між одиницею енергії й одиницею температури, називається сталою Больцмана. 10-23

Таким чином, абсолютна температура є мірою середньої кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу.

Чим вища температура, тим швидше рухаються молекули. У разі наближення температури до абсолютного нуля енергія теплового руху молекул також наближається до нуля.

Основне рівняння МКТ газів можна тепер записати в такому вигляді:

Тобто тиск ідеального газу залежить від концентрації молекул і від абсолютної температури.

 

5.Оцінка швидкості руху на основі МКТ.Дослід Штерна

У вихідних положеннях МКТ стверджується, що молекули і атоми знаходяться у безперервному хаотичному русі. На відміну від руху молекул рідин і твердих тіл, молекули газу вільно рухаються між зіткненнями з іншими молекулами.

Виникає питання: які значення швидкостей руху молекул газу?

Вперше значення швидкостей молекул газу експериментально визначив у 1920 році німецький вчений Отто Штерн.

Отже розглянемо дослід Штерна, а саме: дослідну установку; проведення дослідів; результати дослідів; висновки з дослідів.

Швидкість молекул визначають наступним чином: в циліндрі 1 з вертикальною щілиною 2, з якого видалено повітря, знаходиться вольфрамова (платинова) нитка розжарювання, покрита, наприклад, сріблом. Циліндр 1 знаходиться в циліндрі 3, з якого також відкачали повітря. Якщо через вольфрамову нитку пропустити струм, то при її нагріванні срібло буде випаровуватися, причому частина молекул срібла буде проходити через щілину 2 циліндра 1 та потрапляти на внутрішню стінку циліндра 3, утворюючи при цьому наліт з металу.

Якщо цю установку привести в рухомий стан, то можна помітити зміщення місця нальоту метала у бік, протилежний обертанню. Це пояснюється тим, що поки молекули рухались від циліндра 1 до точки М на внутрішній стіні циліндра 3, положення точки М змістилося на відрізок МL. Якщо обидва циліндри рівномірно оберталися з кутовою швидкістю , то протягом часу , за який атоми срібла пролітали відстань від щілини до стінки зовнішнього циліндра, останній встигав повернутися на кут , і атоми потрапляли в інше місце. Коли б усі атоми рухалися з однаковою швидкістю , зображення щілини зміщувалося б, не змінюючи своєї форми, на деяку відстань , вимірявши яку можна обчислити швидкість атомів.

Зміщення зображення щілини , а час , тоді , звідки

Знаючи місто від щілини до точки М та відстань зміщення МL, число обертів установки і радіус зовнішнього циліндру, можна обчислити швидкість молекул. Цей дослід має назву дослід Штерна.

Чим більша швидкість молекул срібла, тим на більшу відстань вони зміщуються.

При проведенні досліду при різних температурах, з’ясувалося, що при збільшенні температури швидкість молекул збільшується, при зменшенні температури – зменшується.

Значення середніх швидкостей молекул деяких газів (в м/с) при температурі 0ºС і нормальному атмосферному тискові:

азот – 454 м/с, водень – 1693 м/с, вуглекислий газ – 362 м/с, гелій – 1200м/с, кисень – 425 м/с, пара води – 566 м/с.

 

Розв’язати задачі

1. У стиснутому газі взаємодія між молекулами стає істотним. Як змінився б тиск в посудині зі стисненим газом, якби сили взаємодії між молекулами раптово зникли?

2. В закритій посудині відбувається повне згоряння шматочка вугілля з утворенням вуглекислого газу. Після цього посудину охолоджують до початкової температури. Порівняйте кінцевий тиск в посудині з початковим. Обсяг вугілля малий у порівнянні з об'ємом посудини.

3. У закритому балоні знаходиться суміш з m1=0,50 г водню і m2=8,0г кисню при тиску p1= 2,35•105 Па. Між газами відбувається реакція з утворенням водяної пари. Який тиск р встановиться в балоні після охолодження до початкової температури? Конденсації пари не відбувається.

 

Домашнє завдання:

1. Підготувати реферати на тему:

1.Життя та діяльність Жозефа Луі Гей-Люссака

2.Життя та діяльність Роберта Бойля

3.Життя та діяльність Олександра Сезаря Шарля

4.Життя та діяльність Едма Маріотта

2. Розв’язати задачі

1. В закритій посудині при тиску р0 перебуває суміш з одного моля кисню і двох молей водню. Між ними відбувається реакція з утворенням водяної пари. Який тиск установиться в посудині після охолодження до початкової температури? Конденсації пари не відбувається.

2. Визначте середні кінетичні енергії поступального Е руху і середні квадратичні швидкості молекул кисню і водню при температурі t = 27°С.

Тема уроку: Ідеальний газ