Лабораторная работа № 4_2 распределение максвелла
Ознакомьтесь с теорией в конспекте и учебнике (Трофимова Т.И. Курс физики, Москва, 2001, § 43, 44; Савельев И.В. Курс общей физики, Москва, 1970, т. 1, § 93, 98, 99). Запустите программу. Выберите «Термодинамика и молекулярная физика», «Распределение Максвелла». Нажмите кнопку с изображением страницы во внутреннем окне. Прочитайте теорию и запишите необходимое в свой конспект лабораторной работы. Закройте окно теории, нажав кнопку с крестом в правом верхнем углу внутреннего окна.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
Знакомство с компьютерной моделью, описывающей поведение молекул идеального газа.
Экспериментальное подтверждение распределения Максвелла молекул идеального газа по скоростям.
Экспериментальное определение массы молекул в данной модели.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:
Молекулярная физика-раздел физики, изучающий строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении.
Процессы, изучаемые молекулярной физикой. Являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Законы поведения огромного числа молекул, являясь статистическими закономерностями, изучаются с помощью статистического метода. Этот метод основан на том, что свойства макроскопической системы в конечном счете определяются свойствами системы частиц системы, особенностями их движения и усредненными значениями динамических характеристик этих частиц (скорости, энергии и т.д.). Например, температура тела определяется скоростью хаотического движения его молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Таким образом, макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.
В молекулярно-кинетической теории пользуются идеализированной моделью идеального газа, согласно которой считают: что:
1) Собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда;
2) Между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия;
3) Столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.
Модель идеального газа можно использовать при изучении реальных газов, так как в условиях близких к нормальным, а также при низких давлениях газы близки по своим свойствам к идеальному газу.
Скорость каждой молекулы в результате многократных столкновений изменяется по модулю и направлению. Однако из-за хаотического движения молекул все направления движения являются равновероятными, т.е. в любом направлении в среднем движется одинаковое число молекул.
По молекулярно-кинетической
теории, как бы ни изменялись скорости
молекул при столкновениях, средняя
свадратичная скорость
молекул массой m
в газе, находящемся в состоянии равновесия
при Т=const.
остается постоянной и равной υср.кв
=
.
Это объясняется тем, что в газе находящемся в состоянии равновесия, устанавливается некоторое стационарное, не меняющееся со временем распределение молекул по скоростям, которое называется распределением Максвелла. При выводе этого закона Максвелл предполагал, что газ состоит из очень большого числа N тождественных молекул находящихся в состоянии беспорядочного теплового движения при одинаковой температуре. Предполагалось также, что силовые поля на газ не действуют.
Закон Максвелла описывается некоторой функцией f(v) называемой функцией распределения молекул по скоростям. Если разбить диапазон скоростей молекул на малые интервалы, равные dv, то на каждый интервал скорости будет приходиться некоторое число молекул dN(v), имеющих скорость, заключенную в интервале от v до v+dv, т.е. dN(v)/N = f(v) dv
Откуда
Применяя методы теории вероятностей Максвелл нашел функцию f(v) - закон распределения молекул идеального газа по скоростям.
Из уравнения видно, что конкретный вид функции зависит от рода газа (от массы молекулы) и от температуры Т.
