Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Молекулярная физика и тепловые явления (Для студентов-иностранцев). Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»
ФГБОУ ВО
Е.С. БУНИН, В.А. ЛОПУШАНСКИЙ, Е.В. КРОХИНА
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
И ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
(Для студентов-иностранцев)
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
ВОРОНЕЖ
2022
1
УДК 539.107 : 541.113
Бунин, Е. С.
.
Б Без объявл
ББК В36я7
Б91
Научный редактор профессор Г. В. КАЛАШНИКОВ
Рецензенты:
зав. кафедрой технологических и естественно-научных дисциплин
Воронежского государственного педагогического университета
доцент Е. И. ЧЕРНЫШЁВА;
канд. физ.-мат. наук Р.А. КОНЧАКОВ
(Воронежский государственный педагогический университет)
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Воронежского государственного университета инженерных технологий
Б91
Молекулярная физика и тепловые явления (Для студентовиностранцев) [Текст]: учеб. пособие / Е. С. Бунин,
В.А. Лопушанский, Е. В. Крохина; Воронеж. гос. ун-т инж.
технол. – Воронеж : ВГУИТ, 2022. – 107 с.
ISBN 978-5-00032-578-0
Учебное пособие разработано для студентов подготовительного факультета
и содержит материал по теме «Молекулярная физика и тепловые явления». Оно
предназначено для самостоятельной работы иностранных студентов на занятиях по
физике, а также может быть использовано на уроках русского языка для закрепления и
усвоения физической лексики.
160401000- 07
ОК2(03)- 2022
ISBN 978-5-00032-578-0
Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.
УДК 539.107 : 541.113
ББК В36я7
Бунин Е.С.,
©
Лопушанский В. А.,
Крохина Е.В., 2022
ФГБОУ ВО «Воронеж. гос.
©
ун-т инж. технол.», 2022
2
ГЛАВА 1. МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА ВЕЩЕСТВА
1.1. Агрегатные состояния вещества
Объяснение свойств макроскопических тел и тепловых
процессов, происходящих в них, на основе представлений о том,
что все тела состоят из отдельных, беспорядочно движущихся
частиц, является целью молекулярно-кинетической теории.
Основной физической моделью этой теории является совокупность движущихся и взаимодействующих между собой молекул вещества. Взаимное расположение, характер движения и
взаимодействие молекул одного и того же вещества, характеризуют его агрегатное состояние. Различают четыре агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное, плазменное
(таблица).
Реализация того или иного агрегатного состояния вещества
зависит от соотношения кинетической и потенциальной энергии
молекул, входящих в его состав. Потенциальная энергия молекулы характеризует степень её связи с другими частицами. Между
любыми двумя молекулами вещества на расстоянии, большем
диаметра молекул, действуют силы притяжения электромагнитного происхождения. Кинетическая энергия молекул препятствует этой тенденции сцепления их между собой.
Ø Вещество находится в твердом состоянии, если средняя
потенциальная энергия притяжения молекул много больше их
средней кинетической энергии.
Ø Вещество находится в жидком состоянии, если средняя кинетическая энергия молекул примерно равна средней потенциальной энергии их притяжения.
Ø Вещество находится в газообразном состоянии, если средняя кинетическая энергия молекул превышает их среднюю
потенциальную энергию.
Большая кинетическая энергия молекул в нагретом газе
приводит к возникновению нового агрегатного состояния вещества – плазмы.
Ø Плазма – это частично или полностью ионизированный газ,
образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов).
3
Агрегатные состояния вещества
Твердое тело Жидкость Газ
Сохраняют свою форму
и объём
Сохраняют объём, но
меняют форму
Не имеют собственного
Таблица
объёма и формы
Молекулы расположены
в определённом порядке,
вплотную друг к друг у
Силы притяжения
между молекулами
очень велики
Молекулы совершают
колебания около
некоторого «среднего»
положения
Порядка не существует,
расстояние между
молекулами равно
размеру молекул
Силы притяжения
между молекулами
слабые
Молекулы
могут совершать
различные движения,
перемещаются
«перескоками»
Расстояние между
молекулами значительно
больше размеров
молекул
Силы притяжения
между молекулами
отсутствуют
Молекулы движутся с
большими скоростями
в разных направлениях
Контрольные вопросы и задания
1. Назовите основные агрегатные состояния вещества. Какие из-
менения происходят в веществе при переходе в другое агре-
гатное состояние?
2. При каком условии вещество находится в твёрдом состоянии?
Назовите особенности такого состояния вещества.
3. При каком условии вещество находится в жидком состоянии?
Назовите особенности такого состояния вещества.
4
4. При каком условии вещество находится в газообразном со-
,
AA
mmM
NNN
стоянии? Назовите особенности такого состояния вещества.
5. Что называется плазмой? Из каких компонентов она состоит?
1.2. Основные положения молекулярно-кинетической
теории
Основные положения современной теории строения веще-
ства заключаются в следующем:
Ø все вещества состоят из частиц;
Ø эти частицы беспорядочно движутся;
Ø частицы взаимодействуют друг с другом.
Рассмотрим основные положения молекулярно-
кинетической теории подробнее.
1. Все вещества состоят из атомов и молекул.
Атом – наименьшая частица химического элемента, яв-
ляющаяся носителем его свойств.
Молекула – это система из небольшого числа связанных
друг с другом атомов.
вы, но все они порядка 10
Размеры и формы молекул различных веществ неодинако-
–10
м, то есть очень малы.
Массу одной молекулы можно найти из соотношения:
m
===
0
n
5
где m – масса вещества, кг; N–число молекул в массе вещества;
.AN
N
0
.
M Nm
==×
NA = 6,022·1023моль–1 –постоянная Авогадро; ν – количество
вещества, моль; M – молярная масса вещества, кг/моль.
Количество вещества – это отношение числа частиц в дан-
ной массе вещества к постоянной Авогадро:
n
=
В Международной системе единиц (СИ) количество веще-
ства (моль) входит в состав семи основных единиц.
Постоянная Авогадро – это число атомов или молекул, со-
держащихся в 1 моль вещества.
Молярная масса – это величина, равная отношению массы
вещества к количеству вещества:
m
A
n
Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль).
2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном движении.
Любое вещество может находиться в твердом, жидком, газообразном состоянии и плазме, при этом вещество имеет разное
строение и характер движения молекул.
Тепловые явления происходят внутри тел и определяются
движением этих частиц. Беспорядочное движение молекул называют тепловым (броуновским) движением.
Вещества, у которых молекулы и атомы расположены в оп-
ределенном порядке, образующем пространственную решетку,
называются кристаллическими твердыми телами.
Атомы в твердых телах колеблются относительно некоторых положений равновесия, двигаясь беспрерывно. Молекулы не
могут свободно перемещаться, и твердое тело сохраняет постоянную форму и объём.
Тепловое движение в кристаллах – это колебательное движение частиц, относительно положения равновесия.
В жидкости молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседние положения.
Тепловое движение в жидкости – это колебательное дви-
жение молекул около положения равновесия и периодическое
6
перемещение молекулы на новые места. Расстояние, на которое
м.
l
lt
u
= ×D
2 4.
ZVnSln r ntrnt
= × = × × = × × ×D = × × ×D
перемещается молекула жидкости очень мало (меньше размера
самой молекулы).
В газах расстояния между атомами и молекулами в среднем
значительно больше размеров молекул. Каждая молекула газа
движется прямолинейно и изменяет направление своего движения только при столкновении c другой молекулой или со стенкой
сосуда.
Расстояние, на которое перемещаются молекулы между
двумя последовательными столкновениями, называют длиной
свободного пробега. Эта величина постоянно изменяется, поэтому используют понятие средней длины свободного пробега моле-
кулы. Средняя длина свободного пробега зависит от плотности
вещества. При нормальных условиях (атмосферное давление
760 мм рт. ст. и температура 0 °С средняя длина свободного про-
8
бега молекул воздуха
l
»× Для каждой модели газа
7 10
-
индивидуальна. В очень разреженных газах средняя длина свободного побега измеряется несколькими десятками сантиметров.
Среднюю длину свободного пробега можно вычислить теоретически, если известны радиус молекул r и их концентрация n.
При расчётах будем считать, что молекулы газа при столкновении ведут себя как упругие шары, отталкивающиеся только при
соприкосновении, когда расстояния между их центрами равно
удвоенному радиусу d = 2r. Силу взаимного притяжения молекул
принимать во внимание не будем.
Сначала вычислим число столкновений, которое испытывает молекула за 1 секунду. При движении молекулы 1 соударения
с ней испытывают все молекулы, центры которых оказываются
внутри «цилиндра» радиусом d = 2r и осью, совпадающей с тра-
екторией движения центра молекулы (рис. 1.1). Если средняя
скорость движения молекулы равнаu, то для определения числа
соударений Z за 1 секунду необходимо найти число молекул,
центры которых попадают внутрь «цилиндра» радиусом d = 2r и
длиной
. Очевидно, что число соударений можно определить как произведение объёма цилиндра на концентрацию молекул газа:
ц
2
p u pu
()
2
7
11
,
44
Z rnt rnn
u
pu ps
×D
2
r
sp
Рис. 1.1. Определение длины свободного пробега молекулы
Разделив путь l, пройденный молекулой за 1 секунду, на
число столкновений Z, испытанных ею за это же время, получим
среднюю длину свободного пробега λ:
lt
l
== ==
где
4
= – эффективное сечение, м
22
××D×
2
.
Вид теплового движения (поступательное, колебательное,
вращательное) молекул, зависит от характера их взаимодействия
и изменяется при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое (жидкое, твердое, газообразное). Интенсивность
теплового движения частиц зависит и от температуры тела.
Попытаемся найти математическое выражение зависимости
среднего расстояния s , на которое удаляется молекула от перво-
начального положения, от времени наблюдения t.
Для упрощения вывода будем считать, что молекула движется только в плоскости XOY. Пусть в начальный момент вре-
мени t = 0 молекула находилась в точке О, которую примем за
начало координат. Через время t, достаточно большое по сравне-
8
нию со средним временем между двумя последующими столкно-
N
sssss
=+ +++
rrrrr
s
r
222
22
,.sxy
s xy
...,
... .
N
N
xxxx
yyyy
=D +D + +D
....
ssssNN
ll
Рис.
1.2. Перемещение молекулы
вениями, она окажется в некоторой точке М (рис.1.2).
Вектор перемещения молекулы определяется выражением
123
Модуль вектора перемещения
...
определяется выражением
.
=+
Координаты молекулы в момент времени t определяются
выражением
=D +D + +D
С учётом этого модуль перемещения можно представить
как сумму N квадратов перемещения молекулы, которая по определению равна произведению числа N на квадрат средней длины
свободного пробега λ:
2222
»+++»=
12
=+
12
12
N
9
Таким образом, модуль перемещения
s
r
.tsNt
l l ul
s
r
r
F
1
,
n
r
молекулы за время t
пропорционален корню квадратному из числа столкновений N,
испытанных ею за это время, и средней длине свободного пробега λ. Отсюда связь между модулем перемещения, временем и
средней скоростью молекул определяется выражением:
===
u
l
Полученное соотношение позволяет определять среднюю
длину свободного пробега газовых молекул λ за известное время t
по экспериментальному значению модуля перемещения
и вы-
численной средней скорости их движенияu.
3. Взаимодействие атомов и молекул. Частицы в веществе
связаны друг с другом силами молекулярного взаимодействия —
притяжения и отталкивания.
Между молекулами вещества действуют одновременно силы притяжения и силы отталкивания. Эти силы в большой степени зависят от расстояний между молекулами. Согласно экспериментальным и теоретическим исследованиям межмолекулярные
силы взаимодействия обратно пропорциональны n-й степени расстояния между молекулами:
~
±
где для сил притяжения n = 7, а для сил отталкивания n= 9 ÷ 15.
Таким образом, сила отталкивания сильнее изменяется при изменении расстояния. Между молекулами существуют одновременно
и силы притяжения, и силы отталкивания. Существует некоторое
расстояние r0между молекулами, на котором силы отталкивания
по модулю равны силам притяжения. Это расстояние соответствует устойчивому равновесному положению молекул.
При увеличении расстояния r между молекулами как силы
притяжения, так и силы отталкивания уменьшаются, причем силы отталкивания уменьшаются быстрее и становятся меньше сил
притяжения. Равнодействующая сила (притяжения и отталкивания) стремится сблизить молекулы в исходное состояние. Но начиная с некоторого расстояния rm, взаимодействие молекул становится настолько мало, что им можно пренебречь. Наибольшее
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]