Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Иркутский государственный технический университет молекулярная физика термодинамика

Практикум по физике

Издательство

Иркутского государственного технического университета

2008

УДК 53(075.8)

ББК 22.3

Рецензенты: зав. Кафедрой физики Иркутского государственного университета, д. физ.-мат.- наук, профессор Щербаченко Л.А.;

профессор Иркутского государственного университета путей сообщения, д. физ.-мат. наук, профессор Саламатов В.Н.

Редактор, ведущий специалист издательства

Компьютерный набор Т.В. Шинкова, Е.Л. Липовченко.

Авторы: Е.Л. Липовченко, Г.Г. Рябцева, Т.В. Шинкова, Л.В. Каницкая, Э.И. Первушкина, М.З. Николаева.

Е.Л. Липовченко, Г.Г. Рябцева, Т.В. Шинкова. и др. Молекулярная физика. Термодинамика: Практикум по физике. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ. – 2008. – 75с.

Учебное пособие содержит сведения об основных понятиях, определениях, законах молекулярной физики и термодинамики, описания методики и техники выполнения экспериментальных заданий.

Предназначено для студентов инженерных специальностей технических вузов направлений 550000 «Технические науки», 540000 «Профессиональное обучение».

ISBN © Е.Л. Липовченко, Г.Г. Рябцева,

Т.В. Шинкова, Л.В. Каницкая,

Э.И. Первушкина, М.З. Николаева, 2008

© Иркутский государственный

технический университет, 2007

Оглавление

Введение………………………………………………………………………...…....	5
1. Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов..	8
Исходные понятия и определения молекулярной физики и термодинамики.…………………………………………………….………..	8
Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов……………………	10
Законы идеального газа………………………………………………..………	10
Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона-Менделеева)…………………………………………………….	12
Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов……………………………………………………………………………..	13
Молекулярно-кинетический смысл температуры……………………...……	15
Теория равновесных свойств идеального газа…………………………........	16
Положение о равнораспределении энергии по степеням свободы…………………………………………………………..	16
Внутренняя энергия идеального газа…………………………………………	17
распределения Максвелла и Больцмана……………………………………..	17
Лабораторная работа
Определение постоянной Больцмана…………………............	20
Лабораторная работа
Определение универсальной газовой постоянной……..	24
2. явления переноса в термодинамически неравновесных системаХ……………………………………………………………….	26
Виды процессов переноса………………………………………………….....	26
Число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул……….	27
Законы физической кинетики……………………………………………........	28
Лабораторная работа
Определение динамического коэффициента вязкости методом пуазейля……………………………..…….....	30
Лабораторная работа
Определение динамического коэффициента вязкости методом Стокса………………………………….……………...….......	34
Лабораторная работа
Определение длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха……………………………….	36
Лабораторная работа
Определение коэффициента теплопроводности твердых тел.......………………………………………......................................	40
3. Термодинамика………………………………………….…………..……	43
Взаимосвязь между внутренней энергией, работой и теплотой (первый закон термодинамики)……………………….……..…….	43
Применение первого начала термодинамики к изопроцессам……………	45
Теплоемкость вещества…………………………………………..……………	47
Уравнение Пуассона. Политропный процесс………………..……………....	49
Работа газа при изопроцессах……………………………………….………..	50
Обратимые и необратимые процессы. Циклы…………………………….....	52
Второе начало термодинамики………………………………………….….....	54
Третье начало термодинамики…………………………………….………….	58
Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса………... …………….………...	58
Лабораторная работа
Определение отношения теплоемкостей газов ….	59
Лабораторная работа
Определение изменения энтропии при изохорическом процессе в газе…………………….........................................................	62
Лабораторная работа
Определение адиабатической постоянной воздуха ………………………………………………………...………………	65
4. свойства жидкостей………………………………….……...................	68
Поверхностное натяжение…………………………….…………………......	68
Лабораторная работа
Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости……………………...….………………….......	71
Библиографический список……………………………………………….………..	73
Приложение…..………………………………………………………………….......	74

В В Е Д Е Н И Е

Физику по существующей классификации наук относят к разделу естественнонаучных дисциплин. Под естественнонаучными дисциплинами понимают, прежде всего, физику, химию, астрономию, биологию, медицину и др., противопоставляя их с одной стороны гуманитарным (наукам об обществе), с другой – техническим. Среди многочисленных определений, что есть наука, наиболее краткое и в то же время емкое принадлежит Аристотелю: «Наука – это знание, основанное на доказательстве».

При исследовании становления наук Нового времени (XVII в.) принято выделять период предыстории науки, уходящий в античные времена греческой (европейской) философии. В течение примерно двух тысячелетий развития европейской философии формировался фундамент классического научного знания. Крупнейшей заслугой классической европейской философии является развитие следующего фундаментального принципа: мыслительные операции и процедуры в знаковых формах возможны только в том случае, если принимается предположение, что за реальными объектами изучения стоит особый мир идеальных сущностей. У Платона он назывался «миром идей», у Аристотеля –«метафизикой» (т.е. тем, что стоит «за» физикой или за природой), у представителей немецкой классической философии – «трансцендентальным миром».

Появление современных научных знаний стало возможно с тех пор, когда ученые догадались строить свой собственный мир идеальных сущностей, абстрагируясь при этом от несущественных (для данной науки) свойств реального мира. В результате работ родоначальников наук Нового времени в области естествознания (Р. Декарта, Г. Галилея, Ф. Бэкона) появилось как бы «много метафизик» – идеальных действительностей разных наук, получивших после Гоклена и Г. Лейбница название «онтология» (от греч. «ontos» – сущее, «логос» – слово, учение). Каждая наука стала формировать собственную онтологическую картину реальности: в физике – представления об атомарно-кинетическом строении вещества, в химии – о химических элементах и молекулах и т.п.

Принципиальным условием классического научного знания является предположение, что мыслительные операции и процедуры в знаковых формах возможны только по отношению к идеальным объектам, выделенным в рамках онтологической картины соответствующей науки. Так, в арифметике идеальным объектом является «число» (в отличие от «цифры» – знаковой формы числа). В геометрии «идеальная прямая», «непротяженная точка», «идеальная окружность», «идеальный треугольник» – совсем не то же самое, что точка, линия, круг или треугольник, начертанные на бумаге. В физике образцами идеальных объектов являются «материальная точка», «абсолютно твердое тело», «математический маятник», «идеальный газ» и др.

Предпосылки об исходной первичности объекта изучения, его неизменности и независимости от исследователя с неизбежностью (логически) обусловили центральное место идеального объекта среди других элементов и процедур, необходимых для получения классического научного знания.

Следующая совокупность предпосылок классического научного знания касается способа подтверждения его истинности.

Переход к построению предметного теоретического знания на основе идеальных онтологических представлений об устройстве мира повлек за собой получение абстрактных законов и выводов, резко расходившихся с эмпирически фиксируемыми фактами. Классическим примером здесь является вывод Галилея, который он сделал, изучая законы падения тел. «В пустоте все тела падают с одинаковым ускорением», – таков был тезис Галилея. Он прямо противоречил натурным опытам: перо и камень, брошенные с одинаковой высоты, достигают земли, как известно, не одновременно. На это и указывали ему оппоненты.

Заслуга и мужество основателей Новых наук состояли в том, что они принципиально отказались от сбора и регистрации естественно наблюдаемых (эмпирических или натурных) фактов как способа подтверждения (опровержения) научного знания. Взамен отвергнутых натурных опытов в качестве способа подтверждения абстрактно-теоретических гипотез и выводов был предложен искусственный (т.е. специально организованный) научный эксперимент. По сути, это означало, что был придуман качественно новый способ обоснования умозрительных теоретических конструкций. Реальность как бы «подгонялась» под идеальные научные построения. За счет инженерной организации условий реальности теоретические законы идеальных объектов, описываемые в предметном знании, должны были в точности подтверждаться. Но – только в искусственно созданных условиях научного эксперимента.

Фундаментальный сдвиг, который произошел в ХVII в., породив науки Нового времени, состоял в том, что для каждой науки стала создаваться и собственная система реализации предметных знаний – соответствующая инженерия – это совокупность знаний и приемов, которая во-первых, имеет конструктивно-техническую направленность (т.е. эти знания отвечают не на вопрос «Как устроено?», а «Как сделать, чтобы?» или «Что будет, если?»). Так, рядом и параллельно с наукой механикой существует – под тем же названием – механика, как инженерия; инженерией для биологии человека служит медицина, для генетики – генная инженерия.

Инженерные знания реализуются в создаваемых на их основах производствах и технологиях, внутри которых создаются разнообразные вещи. Итак, существует цепочка: «научные знания  инженерные знания  производства и технологии  вещи». А если вспомнить о том, что человечество фактически со времен промышленной революции живет не в естественной природе, а в окружении созданных мышлением и руками человека вещей, то вполне оправданным будет говорить об инженерном мире. Именно в инженерных мирах реализуются законы, представления и идеализации, выработанные в естественных науках.

Начало науки Нового времени состояло в том, что сначала объясняющие гипотезы (у Галилея), потом математизированные модельные идеализации (у Ньютона) начали реализовываться в специально построенных инженерных конструкциях, в специально сделанных «зонах»  экспериментальных устройствах. Так, новые представления о законах движения тел, выдвинутые Галилеем, который опирался на гипотезу о возможности пустоты, с блеском подтвердилась, когда через 30(!) лет Торричелли изобрел свою трубку («Торичеллиеву пустоту») и насос: внутри этой трубки пушинка и пуля падали с одинаковым ускорением. Здесь Торричелли удалось сконструировать экспериментальную зону, где реализовалась идеализация Галилея. Следовательно, эксперимент не есть «допрос природы», как обсуждал это Ф. Бэкон, а испытание технической конструкции, взаимная «подгонка» научных идеализаций и устройств, для их реализации. При рассогласовании теории и реализации можно указать те точки «разрывов», на которые теперь следует обратить внимание при построении более изощренных идеализаций, фактически это позволяет ставить как собственно научные, так и технические проблемы.

В связи с изложенным выше становится понятным, почему рабочая программа в вузе, нацеленном на формирование специалистов технической, инженерной направленности, строится таким образом, что большое количество учебных часов отводится практическим занятиям студентов в лабораториях.

Практические занятия по физике в физической лаборатории преследуют несколько целей: во-первых, дать возмож­ность студентам ознакомиться с физическими приборами и устройствами, во-вторых, предоставить возможность непосредственного наблюдения физических явлений и возможность экспериментальной проверки физических законов, в-третьих, привить навыки методически правильного выполнения физических экспериментов и, в-четвертых, обучить грамотному и осознанному применению математического аппарата для обработки результатов эксперимента.

Предлагаемое пособие соответствует содержанию профессиональной программы по курсу «Общая физика» для инженерных специальностей технических вузов и состоит из теоретической части, позволяющей студентам найти ответы на контрольные вопросы, и экспериментальной части (лабораторных работ по молекулярно-кинетической теории идеального газа и термодинамике).

В пособии имеются иллюстрации и необходимые справочные данные.

1. Молекулярно-кинетическая

идеальных газов

Исходные понятия и определения

молекулярной физики и термодинамики

Молекулярная физика – это раздел физики, в котором изучают структуру, свойства и агрегатное состояние веществ, исходя из молекулярно-кинетических представлений об их природе. Согласно этим представлениям все вещества состоят из атомов, молекул или ионов, которые находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении.

В молекулярной физике используют два различных, но дополняющих друг друга метода: статистический и термодинамический. Первый лежит в основе молекулярно-кинетической теории газов и основан на использовании теории вероятностей и представления изучаемого объекта в виде идеального газа. Все процессы, происходящие в макроскопической системе и ее свойства объясняются как совокупный эффект от взаимодействия большого числа микрочастиц (атомов или молекул). Поэтому молекулярно-кинетическую теорию называют еще и статистической физикой.

Термодинамический метод, в отличие от статистического, не рассматривает внутреннее строение изучаемых объектов и не изучает характер движения отдельных микрочастиц. он основан на анализе условий и закономерностей превращения различных видов энергии исследуемой системы при ее переходе из одного состояния в другое.

Прежде чем перейти к рассмотрению основ молекулярной физики необходимо дать несколько определений.

Термодинамическая система – это мысленно выделенная совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией, как между собой, так и с внешней средой.

Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами состояния) – совокупностью физических величин, которые характеризуют свойства системы: удельный объем (v), давление (p), температура (Т).

Удельный объем v  это объем единицы массы, когда тело однородно, то есть его плотность  = const:

.

Поскольку при постоянной массе удельный объем пропорционален общему объему, то макроскопические свойства однородного тела можно характеризовать объемом тела.

Давлением называется физическая величина

,

где dF_n – это модуль нормальной силы, действующий на малый участок поверхности тела.

Температура – это физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. под равновесным состоянием понимают такое состояние термодинамической системы, при котором термодинамические параметры не меняются во времени.

В соответствии с решением 11 Генеральной конференции по мерам и весам с 1960 г. можно применять только две температурные шкалы – термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в кельвинах (К) и в градусах Цельсия (С). В международной практической шкале в качестве реперных точек принята температура замерзания и кипения воды при давлении 1,01310⁵ Па. Термодинамическая температурная шкала определяется по одной реперной точке – это тройная точка воды – температура, при которой лед, вода и насыщенный пар при давлении 609 Па находятся в термодинамическом равновесии. Температура замерзания воды равна 273,15 К. Термодинамическая температура Т и температура по Международной практической шкале t связаны соотношением:

Т = 273,15 + t.

Температура Т = 0 называется нулем Кельвина. Нормальными условиями (н.у.) принято считать температуру Т₀ = 273,15 К и давление р₀ = 1,01310⁵ Па.

Параметры состояния системы могут изменяться. Любое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее термодинамических параметров, называют термодинамическим процессом.

В молекулярной физике массы атомов и молекул принято характеризовать не их абсолютными значениями, например в кг, а относительными безразмерными величинами  атомной (А_r) и молекулярной (М_r) массами. В качестве атомной единицы массы (а.е.м., m_у) принимается 1/12 массы изотопа углерода ¹²С (m_у = 1,6610^-27 кг). Относительная молекулярная масса М_г = m₀/ m_у, где m₀  абсолютное значение массы молекулы.

В молекулярной физике также используется понятие количества вещества, которое выражается в молях.

Моль равен такому количеству вещества, которое содержит столько же структурных элементов (атомов, молекул), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода ¹²С. Следовательно, 1 моль любого вещества содержит одинаковое число структурных элементов, которое называется постоянная Авогадро:

Например, N = 10²⁵ молекул водорода и N = 10²⁵ молекул кислорода являются одинаковыми количествами вещества, хотя они имеют разные массы: 3,3410^-2 кг и 0,531 кг соответственно.

В молекулярной физике используют также понятие молярная масса , которая определяется как масса 1 моля вещества, т. е.  = N_А m₀.