Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика для иностранных учащихся, обучающихся на подготовительном отделении. Учебное пособие
.pdf
в) f2/√2;
.
г) 2f
1
3. Уравнение гармонических колебаний материальной точки имеет вид x = Asin(wt + j
), если j0 = p/6, точка начинает
0
колебаться:
= 2A/√3;
а) x
0
= √3/2A;
б) x
0
= A/2;
в) x
0
= A/√3.
г) x
0
4. Скорость звука больше:
а) в твердом теле;
б) в газе;
в) в жидкости.
5. Механическая волна вызвана колебаниями, уравнение
которых x = 0,03sinpt, t измеряется в секундах. Скорость волны равна 1,5 м/с. Длина волны равна:
а) 6 м;
б) 3 м;
в) 1,5 м;
г) 4,5 м.
6. При образовании механической волны в упругой среде:
а) происходит перенос частиц среды по направлению рас-
пространения волны;
б) переносится энергия колебаний частиц по направлению
распространения волны;
в) ни энергия, ни вещество не переносятся;
г) правильного ответа нет.
7. Инфразвуковая волна не может распространяться:
а) в газе;
б) жидкости;
в) вакууме;
г) в твердом теле.
81
1.5.8. Основные формулы раздела
( )
= w +j
0
cos t�xA
=tT
N
ν= =
1N
tT
p
w = pν =
2
2
T
w=
0
g
l
p
= = p
w
0
2
2
l
T
g
w=
0
k
m
p
= = p
w
0
2
2
m
T
k
= = = +
22
к�max п�max
22
mV kx
EE E
λ=ν =
ν
v
T
Dj = pλ2
l
Название Формула
Уравнение движения для гармонических колебаний
Период колебаний
Частота колебаний
Связь между частотой колебаний, циклической частотой
и периодом
Циклическая частота колебаний математического маятника
Период колебаний математического маятника
Циклическая частота колебаний пружинного маятника
Период колебаний пружинного маятника
Полная механическая энергия
Длина волны
Разность фаз колебаний двух
точек волны
82
2. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
И ТЕРМОДИНАМИКА
2.1. Молекулярная физика
2.1.1. Основные положения молекулярнокинетической теории
Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) – учение о стро-
ении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химического
вещества. В основе молекулярно-кинетической теории лежат
три основных положения.
1. Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образо-
ваны из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят
из атомов («элементарных молекул»). Молекулы химического
вещества могут быть простыми и сложными и состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют
собой электрически нейтральные частицы. При определенных
условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или
отрицательные ионы (соответственно катионы и анионы).
2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении и взаимодействии, скорость которого зависит
от температуры, а характер – от агрегатного состояния вещества.
3. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.
Атом – наименьшая химически неделимая частица эле-
мента (атом железа, гелия, кислорода).
Молекула – наименьшая частица вещества, сохраняющая
его химические свойства. Молекула состоит из одного и более
атомов (вода – Н
Ион – атом или молекула, у которых один или несколько
электронов лишние (или электронов не хватает).
Молекулы имеют чрезвычайно малые размеры. Простые одноатомные молекулы имеют размер порядка 10
О – один атом кислорода и два атома водо рода).
2
–10
м. Сложные
83
многоатомные молекулы могут иметь размеры в сотни и тысячи
раз больше.
Беспорядочное хаотическое движение молекул называется
тепловым движением. Кинетическая энергия теплового движения растет с возрастанием температуры. При низких температурах молекулы конденсируются в жидкое или твердое вещество. При повышении температуры средняя кинетическая
энергия молекулы становится больше, молекулы разлетаются, и образуется газообразное вещество.
В твердых телах молекулы совершают беспорядочные колебания около фиксированных центров (положений равновесия).
Эти центры могут быть расположены в пространстве нерегулярным образом (аморфные тела) или образовывать упорядоченные
объемные структуры (кристаллические тела).
В жидкостях молекулы имеют значительно большую свободу для теплового движения. Они не привязаны к определенным центрам и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей.
В газах расстояния между молекулами обычно значительно больше их размеров. Силы взаимодействия между молекулами на таких больших расстояниях малы, и каждая молекула движется вдоль прямой линии до очередного столкновения
с другой молекулой или со стенкой сосуда. Среднее расстояние
между молекулами воздуха при нормальных условиях – по-
–8
рядка 10
м, т.е. в сотни раз превышает размер молекул. Слабое взаимодействие между молекулами объясняет способность
газов расширяться и заполнять весь объем сосуда. В пределе,
когда взаимодействие стремится к нулю, мы приходим к представлению об идеальном газе.
Идеальный газ – это газ, молекулы которого не взаимодействуют друг с другом, за исключением процессов упругого столкновения, и считаются материальными точками.
В молекулярно-кинетической теории количество вещества
принято считать пропорциональным числу частиц. Единица
количества вещества называется молем (моль).
Моль – это количество вещества, содержащее столько же
частиц (молекул), сколько содержится атомов в 0,012 кг угле-
12
рода
C. Молекула углерода состоит из одного атома. Таким
84
образом, в одном моле любого вещества содержится одно и то
23 1
A
моль
6,022 10 .N−= ⋅
ν= =A.
mN
MN
= =
0
A
,
mM
m
NN
= .
N
n
V
же число частиц (молекул). Это число называется постоянной
Авогадро:
Постоянная Авогадро – одна из важнейших постоянных в
молекулярно-кинетической теории.
Количество вещества определяется как отношение числа
N частиц (молекул) вещества к постоянной Авогадро N
или как
А
отношение массы к молярной массе:
Массу одного моля вещества принято называть молярной
массой. Молярная масса (M) равна произведению массы m
од-
0
ной молекулы данного вещества на постоянную Авогадро (т.е.
на количество частиц в одном моле). Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль). Для веществ, молекулы
которых состоят из одного атома, часто используется термин
атомная масса. В таблице Менделеева молярная масса указана
в граммах на моль. Таким образом имеем еще одну формулу:
где m0 – масса одной частицы вещества;
ство частиц в единице объема):
N – число частиц вещества, содержащихся в массе веще-
ства m;
M – молярная масса;
– число Авогадро.
N
A
Кроме этого понадобится понятие концентрации (количе-
85
2.1.2. Основное уравнение МКТ
ср.�кв
2
0
,
1
3
p nm v=
идеального газа
При своем движении молекулы газа непрерывно сталкиваются друг с другом. Из-за этого характеристики их движения
меняются, поэтому, говоря об импульсах, скоростях, кинетических энергиях молекул, всегда имеют в виду средние значения этих величин.
Число столкновений молекул газа в нормальных условиях
с другими молекулами измеряется миллионами раз в секунду.
Если пренебречь размерами и взаимодействием молекул (как
в модели идеального газа), то можно считать, что между последовательными столкновениями молекулы движутся равномерно и прямолинейно. Естественно, подлетая к стенке сосуда, в
котором расположен газ, молекула испытывает столкновение и
со стенкой. Все столкновения молекул друг с другом и со стенками сосуда считаются абсолютно упругими столкновениями
шариков. При столкновении со стенкой импульс молекулы изменяется, значит, на молекулу со стороны стенки действует
сила. Но по третьему закону Ньютона с точно такой же силой,
направленной в противоположную сторону, молекула действует
на стенку, оказывая на нее давление. Совокупность всех ударов
всех молекул о стенку сосуда и приводит к возникновению давления газа. Давление газа – это результат столкновений молекул со стенками сосуда. Если нет стенки или любого другого препятствия для молекул, то само понятие давления теряет смысл.
Поскольку давление есть следствие ударов молекул о стенку сосуда, очевидно, что его величина должна зависеть от характеристик отдельно взятых молекул. Эта зависимость выражается основным уравнением молекулярно-кинетической
теории идеального газа:
где p – давление газа;
n – концентрация его молекул;
– масса одной молекулы;
m
0
86
vкв – средняя квадратичная скорость (обратите внимание,
= =
ср.кв
0
33
,
kT RT
v
mM
=A,kN R
ε=3.2kT
= ;p nkT = .pV NkT
что в самом уравнении стоит квадрат средней квадратич-
ной скорости).
Физический смысл этого уравнения состоит в том, что оно
устанавливает связь между характеристиками всего газа целиком (давлением) и параметрами движения отдельных молекул,
т.е. связь между макро- и микромиром.
Скорость теплового движения молекул определяется температурой вещества. Для идеального газа эта зависимость выражается простыми формулами для средней квадратичной
скорости движения молекул газа:
где k = 1,38 ⋅ 10
–23
Дж/К – постоянная Больцмана;
T – абсолютная температура.
Закон трех постоянных:
где R = 8,31 Дж/(моль ⋅ К) – универсальная газовая постоянная.
Следующей важной формулой является формула для сред-
ней кинетической энергии поступательного движения молекул газа:
Оказывается, что средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул зависит только от температуры,
одинакова при данной температуре для всех молекул. Ну и наконец, самыми главными и часто применяемыми следствиями
из основного уравнения МКТ являются следующие формулы:
87
2.1.3. Измерение температуры
= + 273.
K С
ТТ
= .pV RT
Понятие температуры тесно связано с понятием теплового
равновесия. Тела, находящиеся в контакте друг с другом, могут обмениваться энергией. Энергия, передаваемая одним телом другому при тепловом контакте, называется количеством
теплоты.
Тепловое равновесие – это такое состояние системы тел, на-
ходящихся в тепловом контакте, при котором не происходит
теплопередачи от одного тела к другому.
Температура – это физический параметр, одинаковый для
всех тел, находящихся в тепловом равновесии.
Для измерения температуры используются физические
приборы – термометры. Термометры должны быть откалиброваны. По температурной шкале Цельсия точке плавления
льда приписывается температура 0 °С, а точке кипения воды –
100 °С.
Английский физик У. Кельвин (Томсон) в 1848 году предложил использовать точку нулевого давления газа для построения новой температурной шкалы (шкала Кельвина). В этой
шкале единица измерения температуры такая же, как и в шкале Цельсия, но нулевая точка сдвинута:
При этом изменение температуры на 1 °С соответствует изменению температуры на 1 К. Изменения температуры по шкалам Цельсия и Кельвина равны. В системе СИ принято единицу
измерения температуры по шкале Кельвина называть кельвином и обозначать буквой К. Температурная шкала Кельвина называется абсолютной шкалой температур.
2.1.4. Уравнение состояния идеального газа,
или уравнение Клапейрона – Менделеева
Уравнение состояния идеального газа является очередным
следствием основного уравнения МКТ и записывается в виде
88
Данное уравнение устанавливает связь между основными
=+ +…
123
pp p p
параметрами состояния идеального газа: давлением, объемом,
количеством вещества и температурой. Очень важно, что эти
параметры взаимосвязаны, изменение любого из них неизбежно приведет к изменению еще хотя бы одного. Именно поэтому данное уравнение и называют уравнением состояния идеального газа. Оно было открыто сначала для одного моля газа
Клапейроном, а впоследствии обобщено на случай большего
количества молей Менделеевым.
Если температура равна T
5
= 1 бар = 1 ⋅ 10
Па, то говорят, что газ находится при нормаль-
= 273 К (0 °С), а давление pн =
н
ных условиях.
2.1.5. Газовые законы
Закон Авогадро: в одном моле любого вещества содержится
одинаковое количество структурных элементов, равное числу
Авогадро.
Закон Дальтона: давление смеси газов равно сумме парци-
альных давлений газов, входящих в эту смесь:
Парциальное давление газа – давление, которое он бы производил, если бы все остальные газы внезапно исчезли из смеси. Например, давление воздуха равно сумме парциальных давлений азота, кислорода, углекислого газа и прочих примесей.
При этом каждый из газов в смеси занимает весь предоставленный ему объем, т.е. объем каждого из газов равен объему смеси.
Закон Бойля – Мариотта: если масса и температура газа
остаются постоянными, то произведение давления газа на его
объем не изменяется:
если m = const и Т = const, то pV = const.
Процесс, происходящий при постоянной температуре, называют изотермическим.
Закон Гей-Люссака: если масса и давление газа остаются
постоянными, то отношение объема газа к его абсолютной
температуре не изменяется:
89
если m = const и p = const, то V/T = const.
Процесс, происходящий при постоянном давлении, называют изобарическим или изобарным.
Закон Шарля: если масса и объем газа остаются постоян-
ными, то отношение давления газа к его абсолютной температуре не изменяется:
если m = const и V = const, то p/T = const.
Процесс, происходящий при постоянном объеме, называют изохорическим или изохорным.
Универсальный газовый закон (Клапейрона): при постоянной массе газа отношение произведения его давления и объема
к температуре не изменяется:
если m = const, то pV/T = const.
2.1.6. Графическое изображение
изопроцессов
Зависимость величин друг от друга удобно изображать графически. Это упрощает понимание взаимосвязи параметров,
происходящих в системе процессов. Основными параметрами,
описывающими состояние идеального газа, являются давление, объем и температура. Графический метод решения задач
и состоит в изображении взаимосвязи этих параметров в различных координатах: (p; V), (p; T) и (V; T).
Изобарный процесс (p = const). Изобарным процессом называют процесс, протекающий при неизменных давлении
и массе газа. Как следует из уравнения состояния идеального
газа, в этом случае объем изменяется прямо пропорционально
температуре. Графики изобарического процесса в координатах р – V; V – Т и р – Т представлены на рис. 2.1.
При этом продолжение графика в координатах V – T направлено точно в начало координат, однако этот график никогда не сможет начаться прямо из начала координат, так как при
очень низких температурах газ превращается в жидкость и зависимость объема от температуры меняется.
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]