1488

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет

архитектуры и строительства» (ПГУАС)

Н.А. Очкина

ФИЗИКА

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

Рекомендовано Редсоветом университета

вкачестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению 23.03.01 «Технология транспортных процессов»

Под общей ред. доктора технических наук, профессора Г.И. Грейсуха

Пенза 2015

1

УДК 53 (075.8) ББК 22.3 я73

О-94

Рецензенты: кандидат технических наук, доцент С.В. Тертычная (ПГУ); кандидат физико-математических

наук, доцент П.П. Мельниченко (ПГУАС)

Очкина Н.А.

Физика. Молекулярная физика и термодинамика: учеб. пособие / О-94 Н.А. Очкина; под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. Г.И. Грейсуха. –

Пенза: ПГУАС, 2015. – 216 с.

Рассмотрены основные вопросы молекулярно-кинетической теории и термодинамики. Особое внимание уделено раскрытию физического смысла основных законов, явлений и понятий. Показано, что закономерности и соотношения между физическими величинами в молекулярной физике и термодинамике имеют универсальный характер. Приведены методы решения практических задач и задачи для самостоятельного решения двух уровней сложности, что позволяет осуществлять процесс обучения на основе компетентностного, личностно-ориентированного подхода. Пособие содержит материалы, предназначенные для фонда оценочных средств.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Физика и химия» и предназначено для использования на занятиях по дисциплине «Физика» студентами, обучающимися по направлению 23.03.01 «Технология транспортных процессов».

©Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, 2015

©Очкина Н.А. 2015

2

Успешное освоение законов и теорий молекулярной физики и термодинамики позволит выпускнику-бакалавру:

владеть научными основами технологических процессов в области эксплуатации транспортно-технологических машин и комплексов (ОПК 2); уметь применять систему фундаментальных знаний (математических, естественнонаучных, инженерных и экономических) для идентификации, формулирования и решения технических и технологических проблем эксплуатации транспортно-технологических машин и комплексов (ОПК 3). В тексте учебного пособия наиболее важные положения и термины, а также формулировки законов и формулы выделены жирным шрифтом или курсивом. Это способствует более эффективному усвоению материала

студентами.

4

тепловых явлений и получил название первого начала термодинамики. Значительный вклад в термодинамику внес знаменитый французский физик С. Карно (1796–1832), который стремился разработать проект идеальной и наиболее экономичной тепловой машины. Он открыл соотношение общего типа – второе начало термодинамики. Основным содержанием современной физической термодинамики является изучение закономерностей тепловой формы движения материи и связанных с ней физических явлений.

Тепловая форма движения материи – это хаотическое движение атомов и молекул в макроскопических телах.

Особое положение термодинамики связано с тем, что любая форма энергии (электрическая, механическая, химическая) в итоге преобразуется в тепловую энергию.

6

1. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

Молекулярная физика изучает зависимость строения и физических свойств тел от характера движения и взаимодействия между частицами, из которых состоят тела.

1.1. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа

Основные положения молекулярно-кинетической теории:

1.Все тела состоят из мельчайших частиц – атомов, молекул, в состав которых входят ещё более мелкие элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны). Строение любого вещества дискретно (прерывисто).

2.Атомы и молекулы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении, которое называют тепловым движением.

3.Между частицами любого вещества существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания. Они являются силами электромагнитной природы.

1.1.1. Идеальный газ. Законы идеального газа

Основные формулы

В молекулярно-кинетической теории рассматривают идеализированную модель реальных газов – идеальный газ, удовлетворяющую следующим условиям:

а) собственный объем молекул пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда, в котором находится газ;

б) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда являются абсолютно упругими;

в) потенциальная энергия взаимодействия молекул пренебрежимо мала по сравнению с кинетической энергией их хаотического движения.

Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона – Менделеева)

7

Объединенный закон газового состояния (формула Клапейрона) pVT const (при m const ),

или для двух состояний газа

p1V1 p2V2 .

T1 T2

Если, по условию задачи, газ находится при каких-либо заданных условиях, то его сравнивают с состоянием при нормальных условиях:

p0 1,01 105 Па, T0 273 K, V0 22,4 10 3 м3 (V0 объем 1 моль любого

газа при нормальных условиях). Закон Дальтона

p p1 p2 ... pn

(если в сосуде находится смесь нескольких газов, не вступающих друг с другом в химические реакции, то давление смеси газов p равно сумме

парциальных давлений отдельных компонентов смеси p1 , p2 ,…, pn , т.е.

тех давлений, которые имел бы каждый из газов в отдельности, если бы он при данной температуре один заполнял весь объем).

8

Уравнение Клапейрона – Менделеева для смеси газов

где mi – масса; Mi молярная масса i-го компонента смеси.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1. В баллоне объемом V 10 л находится гелий под давлением p1 1 МПа при температуре T1 300 . После того как из баллона было

где m1 и m2 массы гелия в начальном и конечном состояниях.

Ответ: p2 3,64 105 Па.

9

Пример 2. Сосуд с воздухом, давление которого 97 кПа, соединен с поршневым откачивающим устройством. После пяти ходов поршня давление воздуха в сосуде стало 29 кПа. Определите отношение объемов сосуда и цилиндра откачивающего устройства.

Аналогично, после пятого соединения

10