3) Работа в училище.

Здание бывшего Боровского уездного училища. На переднем плане памятный крест на месте разорённой могилы боярыни Морозовой. 2007 год.В Боровском уездном училище[32] Константин Циолковский продолжал совершенствоваться как педагог: преподавал арифметику и геометрию нестандартно, придумывал увлекательные задачи и ставил удивительные, особенно для боровских мальчишек, опыты. Несколько раз запускал с учениками огромный бумажный воздушный шар с «гондолой», в которой находились горящие лучины, для нагрева воздуха. Однажды шар улетел и это чуть не привело к пожару в городе.[источник не указан 971 день]Иногда Циолковскому приходилось заменять других преподавателей и вести уроки черчения, рисования, истории, географии, а один раз даже замещать смотрителя училища.

Первые научные работы. Русское физико-химическое общество

После занятий в училище и по выходным Циолковский продолжал свои исследования дома: работал над рукописями, делал чертежи, ставил эксперименты. В доме у него сверкают электрические молнии, гремят громы, звенят колокольчики, пляшут бумажные куколки.

Самая первая работа Циолковского была посвящена механике в биологии[33]. Ей стала написанная в 1880 году статья «Графическое изображение ощущений». В ней Циолковский развивал свойственную для него в то время пессимистическую теорию «взбаламученного нуля», математически обосновывал идею бессмысленности человеческой жизни. Этой теории, по позднейшему признанию учёного, суждено было сыграть роковую роль в его жизни и в жизни его семьи. Циолковский отослал эту статью в журнал «Русская мысль», но там её не напечатали и рукопись не вернули. Константин переключился на другие темы. В 1881 году Циолковский написал свою первую подлинно научную работу «Теория газов»[34]. Однажды его посетил студент Василий Лавров[35]. Он предложил свою помощь, так как направлялся в Петербург и мог передать рукопись на рассмотрение в Русское физико-химическое общество (РФХО), весьма авторитетное научное сообщество в России того времени. В дальнейшем Лавров передал в РФХО и две следующие работы Циолковского.

«Теория газов» была написана Циолковским на основе имевшихся у него книг[36]. Циолковский самостоятельно разработал основы кинетической теории газов. Вскоре Циолковский получил ответ от Менделеева: кинетическая теория газов открыта 25 лет назад. Этот факт стал неприятным открытием для Константина, причинами его неосведомлённости были изолированность от научного сообщества и отсутствие доступа к современной научной литературе. Несмотря на неудачу, Циолковский продолжил исследования. Второй научной работой, переданной в РФХО, стала статья 1882 года «Механика подобно изменяемого организма»[37]. Профессор Анатолий Богданов занятия «механикой животного организма» назвал «сумасшедствием». Третьей работой, написанной в Боровске и представленной научному обществу, стала статья «Продолжительность лучеиспускания Солнца» (1883)[38], в которой Циолковский описывал механизм действия звезды. Он рассмотрел Солнце как идеальный газовый шар, постарался определить температуру и давление в его центре, время жизни Солнца. Циолковский в своих расчётах использовал лишь основные законы механики (закон всемирного тяготения) и газовой динамики (закон Бойля-Мариотта)[39]. Статью рассматривал профессор Иван Боргман[40]. По мнению Циолковского, она ему понравилась, но так как в первоначальном её варианте практически не было вычислений, «возбудила недоверие». Тем не менее, именно Боргман предлагал опубликовать представленные учителем из Боровска работы, что, впрочем, не было сделано.

Члены Русского физико-химического общества единогласно проголосовали за принятие Циолковского в свои ряды, о чём сообщили в письме. Однако Константин не ответил: «Наивная дикость и неопытность», — сокрушался он позже[41].

Следующая работа Циолковского «Свободное пространство» 1883 года[42] была написана в форме дневника. Это своеобразный мысленный эксперимент, повествование ведётся от имени наблюдателя, находящегося в свободном безвоздушном пространстве и не испытывающем действия сил притяжения и сопротивления. Циолковский описывает ощущения такого наблюдателя, его возможности и ограничения в передвижении и манипуляции с различными объектами. Он анализирует поведение газов и жидкостей в «свободном пространстве», функционирование различных приборов, физиологию живых организмов — растений и животных. Главным результатом этой работы можно считать впервые сформулированный Циолковским принцип о единственно возможном методе передвижения в «свободном пространстве» — реактивном движении. В 1887 году Циолковский написал небольшую повесть «На Луне» — своё первое научно-фантастическое произведение[50]. Повесть во многом продолжает традиции «Свободного пространства», но облечена в более художественную форму, имеет законченный, хотя и очень условный, сюжет. Два безымянных героя — автор и его друг физик — неожиданно попадают на Луну. Главной и единственной задачей произведения является описание впечатлений наблюдателя, находящегося на её поверхности. Рассказ Циолковского отличается убедительностью, наличием многочисленных подробностей, богатым литературным языком. Кроме лунного пейзажа Циолковский описывает вид неба и светил (включая Землю), наблюдаемых с поверхности Луны. Им подробно проанализированы следствия малой силы тяжести, отсутствия атмосферы, других особенностей Луны (скорости вращения вокруг Земли и Солнца, постоянной ориентации относительно Земли) «…мы наблюдали затмение…»

Рис. А. Гофмана Циолковский «наблюдает» солнечное затмение. Также в повести рассказывается о предполагаемом поведении газов и жидкостей, измерительных приборов. Описаны особенности физических явлений: нагрева и охлаждения поверхностей, испарения и кипения жидкостей, горения и взрывов. Циолковский делает ряд намеренных допущений для того, чтобы продемонстрировать лунные реалии. Так, герои, оказавшись на Луне, обходятся без воздуха, на них никак не сказывается отсутствие атмосферного давления — они не испытывают никаких особенных неудобств, находясь на поверхности Луны. Развязка так же условна, как и остальной сюжет, — автор просыпается на Земле и узнаёт, что был болен и находился в летаргическом сне, о чём сообщает своему другу физику, удивляя его подробностями своего фантастического сна[51].

За последние два года проживания в Боровске (1890—1891) Циолковский написал несколько статей, посвящённых различным вопросам. Так, в период 6 октября 1890 - 18 мая 1891 на основе опытов по сопротивлению воздуха им была написана большая работа «К вопросу о летании посредством крыльев». Циолковскому было предложено выбрать фрагмент из этой рукописи и переработать его для печати.[52] Так появилась статья «Давление жидкости на равномерно движущуюся в ней плоскость», в которой Циолковский исследовал движение круглой пластины в воздушном потоке, использовав собственную теоретическую модель, альтернативную ньютоновской, а также предложил устройство простейшей экспериментальной установки — «вертушки». Во второй половине мая Циолковский написал небольшое эссе — «Как предохранить хрупкие и нежные вещи от толчков и ударов»[53]. Эти две работы были отосланы Столетову и во второй половине 1891 года в «Трудах отделения Физических наук Общества любителей естествознания» (т. IV) были напечатаны, став первой публикацией трудов К. Э. Циолковского.

5. 1) Потенциальная энергия — скалярная физическая величина, характеризующая способность некоего тела (или материальной точки) совершать работу за счет его нахождения в поле действия сил. Кинети́ческая эне́ргия — энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек. Часто выделяют кинетическую энергию поступательного и вращательного движения.

2) Если тела, составляющие замкнутую механическую систему, взаимодействуют между собой только силами тяготения и упругости, то работа этих сил равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком:A = –(Ep2 – Ep1).

По теореме о кинетической энергии эта работа равна изменению кинетической энергии тел (см. §1.19):A = Ek2 – Ek1.СледовательноEk2 – Ek1 = –(Ep2 – Ep1) или

Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2.Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной.

Это утверждение выражает закон сохранения энергии в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона. Сумму E = Ek + Ep называют полной механической энергией. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой консервативными силами, то есть силами, для которых можно ввести понятие потенциальной энергии.

Пример применения закона сохранения энергии – нахождение минимальной прочности легкой нерастяжимой нити, удерживающей тело массой m при его вращении в вертикальной плоскости (задача Х. Гюйгенса). Рис. 1.20.1 поясняет решение этой задачи. Рисунок 1.20.1. К задаче Христиана Гюйгенса. – сила натяжения нити в нижней точке траектории.

Закон сохранения энергии для тела в верхней и нижней точках траектории записывается в виде:

Обратим внимание на то, что сила натяжения нити всегда перпендикулярна скорости тела; поэтому она не совершает работы. При минимальной скорости вращения натяжение нити в верхней точке равно нулю и, следовательно, центростремительное ускорение телу в верхней точке сообщается только силой тяжести:

Из этих соотношений следует:

Центростремительное ускорение в нижней точке создается силами и направленными в противоположные стороны:

Отсюда следует, что при минимальной скорости тела в верхней точке натяжение нити в нижней точке будет по модулю равноF = 6mg.

Прочность нити должна, очевидно, превышать это значение. Очень важно отметить, что закон сохранения механической энергии позволил получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории без анализа закона движения тела во всех промежуточных точках. Применение закона сохранения механической энергии может в значительной степени упростить решение многих задач. В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими консервативными силами действуют силы трения или силы сопротивления среды. Сила трения не является консервативной. Работа силы трения зависит от длины пути. Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание).

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую. Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии. Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» (perpetuum mobile) – машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии (рис. 1.20.2). 2

Рисунок 1.20.2. Один из проектов «вечного двигателя». Почему эта машина не будет работать?История хранит немалое число проектов «вечного двигателя». В некоторых из них ошибки «изобретателя» очевидны, в других эти ошибки замаскированы сложной конструкцией прибора, и бывает очень непросто понять, почему эта машина не будет работать. Бесплодные попытки создания «вечного двигателя» продолжаются и в наше время. Все эти попытки обречены на неудачу, так как закон сохранения и превращения энергии «запрещает» получение работы без затраты энергии.

6. 1) Молекулярно-кинетическая теория — это раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов как мельчайших частиц вещества. В основе МКТ лежат три основных положения:

1. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов или ионов.

2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, скорость которого определяет температуру вещества.

3. Между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, характер которых зависит от расстояния между ними.

Основные положения МКТ подтверждаются многими опытными фактами. Существование молекул, атомов и ионов доказано экспериментально, молекулы достаточно изучены и даже сфотографированы с помощью электронных микроскопов. Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объем объясняется непрерывным хаотическим движением молекул. Упругость газов, твердых и жидких тел, способность жидкостей смачивать некоторые твердые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твердыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами. Явление диффузии — способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекулами другого — тоже подтверждает основные положения МКТ. Явлением диффузии объясняется, например, распространение запахов, смешивание разнородных жидкостей, процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавления или путем давления. Подтверждением непрерывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение — непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц, нерастворимых в жидкости.

Движение броуновских частиц объясняется хаотическим движением частиц жидкости, которые сталкиваются с микроскопическими частицами и приводят их в движение. Опытным путем было доказано, что скорость броуновских частиц зависит от температуры жидкости. Теорию броуновского движения разработал А. Эйнштейн. Законы движения частиц носят статистический, вероятностный характер. Известен только один способ уменьшения интенсивности броуновского движения — уменьшение температуры. Существование броуновского движения убедительно подтверждает движение молекул.

Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества v принято считать пропорциональным числу частиц, т. е. структурных элементов, содержащихся в теле.

Единицей количества вещества является моль. Моль — это количество вещества, содержащее столько же структурных элементов любого вещества, сколько содержится атомов в 12 г углерода С12. Отношение числа молекул вещества к количеству вещества называют постоянной Авогадро:

Постоянная Авогадро показывает, сколько атомов и молекул содержится в одном моле вещества. Молярная масса — масса одного моля вещества, равная отношению массы вещества к количеству вещества:

М = m/v.

Молярная масса выражается в кг/моль. Зная молярную массу, можно вычислить массу одной молекулы:

Средняя масса молекул обычно определяется химическими методами, постоянная Авогадро с высокой точностью определена несколькими физическими методами. Массы молекул и атомов со значительной степенью точности определяются с помощью масс-спектрографа.

Массы молекул очень малы. Например, масса молекулы воды:

Молярная масса связана с относительной молекулярной массой Мг. Относительная молекулярная масса — это величина, равная отношению массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода С12. Если известна химическая формула вещества, то с помощью таблицы Менделеева может быть определена его относительная масса, которая, будучи выражена в килограммах, показывает величину молярной массы этого вещества. Диаметром молекулы принято считать минимальное расстояние, на которое им позволяют сблизиться силы отталкивания. Однако понятие размера молекулы является условным. Средний размер молекул порядка 10^-10м. Основные положения МКТ

3 основных положения молекулярно - кинетической теории:

I положение

Все тела (вещества) состоят из частиц (молекул, атомов, ионов...), между которыми есть промежутки.

Опытные обоснования.

- крошение вещества

- испарение жидкостей

- смешивание веществ; диффузия

- фотографии туннельного микроскопа

II положение

Частицы находятся в постоянном, беспорядочном (хаотичном) движении (тепловое движение).

Опытные обоснования.

- испарение (вылет частиц с поверхности вещества)

- диффузия

III положение

Частицы вещества взаимодействуют друг с другом: притягиваются на небольших расстояниях и отталкиваются, когда эти расстояния уменьшаются.

Основные положения МКТ

2) Многие опыты показывают, что размер молекулы очень мал. Линейный размер молекулы или атома можно найти различными способами. Например, с помощью электронного микроскопа, получены фотографии некоторых крупных молекул, а с помощью ионного проектора (ионного микроскопа) можно не только изучить строение кристаллов, но определить расстояние между отдельными атомами в молекуле. Используя достижения современной экспериментальной техники, удалось определить линейные размеры простых атомов и молекул, которые составляют около 10-8 см. Линейные размеры сложных атомов и молекул намного больше. Например, размер молекулы белка составляет 43*10-8 см. Для характеристики атомов используют представление об атомных радиусах, которые дают возможность приближённо оценить межатомные расстояния в молекулах, жидкостях или твёрдых телах, так как атомы по своим размерам не имеют чётких границ. То есть атомный радиус – это сфера, в которой заключена основная часть электронной плотности атома (не менее 90…95%). Размер молекулы настолько мал, что представить его можно только с помощью сравнений. Например, молекула воды во столько раз меньше крупного яблока, во сколько раз яблоко меньше земного шара. Массы атомов и молекул малы и составляют величины порядка

10-26 кг (так, масса молекулы воды составляет 3·10-26 кг). Поэтому для характеристики масс атомов и молекул применяются безразмерные величины, получившие название относительной атомной массы элемента и относительной молекулярной массы вещества.

Относительной атомной массой (Ar) элемента называется отношение массы атома этого элемента к 1/12 массы атома 12С.

Относительной молекулярной массой (Mr) вещества называется отношение массы молекулы этого вещества к 1/12 массы атома 12С.

Масса, равная 1/12 массы атома 12С, называется атомной единицей массы (а.е.м.). Обозначим ее mед. Тогда масса атома будет равна Ar·mед, а масса молекулы - Mr·mед.

Макроскопическая система должна содержать число частиц сравнимое с числом Авогадро, чтобы ее можно было рассматривать в рамках статистической физики. Числом Авогадро называется число атомов, содержащихся в 12 граммах углерода:

NA=6,022·1023 (2)

Отношение числа молекул N в макрообъекте к числу Авогадро NA называют количеством вещества:

ν=N/NA (3)

В качестве единицы количества вещества используется моль, то есть количество вещества, которое содержит столько же частиц (атомов, молекул, ионов), сколько атомов содержится в 12 граммах углерода. Поэтому размерность числа Авогадро - моль-1.

Масса одного моля вещества называется молярной массой M. Молярная масса M связана с массой одной молекулы m0 соотношением:

M=m0·NA (4)

и измеряется в кг/моль.

Если m - масса всего вещества, то количество вещества ν в молях равно:

ν=m/M (5)

Объем одного моля газа (V1) при нормальных условиях (давление

p1=101,3 кПа; температура T1=273 К) составляет 22,4·10-3 м3 . Поэтому число молей газа, содержащихся в объеме V, можно записать и так: ν=V/V1 (6).

7. 1) В современной физике понятие Идеальный газ определяется как 1. между молекулами отсутствуют силы притяжения 2. газ очень разряжен, расстояние между молекулами намного больше их размеров. 3. тепловое равновесие по всему объему достигается мгновенно. Основные параметры идеального газа: давление, объем, температураю. Идеальный газ — математическая модель газа, в которой предполагается, что потенциальной энергией молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями.

2) 1. Понятие идеального газа, его свойства. 2. Объяснение давления газа. 3. Необходимость измерения температуры. 4. Физический смысл температуры. 5. Температурные шкалы. 6. Абсолютная температура.

Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии используется модель идеального газа. Идеальным принято считать газ, если: а) между молекулами отсутствуют силы притяжения, т. е. молекулы ведут себя как абсолютно упругие тела;

б) газ очень разряжен, т.е. расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул;

в) тепловое равновесие по всему объему достигается мгновенно. Условия, необходимые для того, чтобы реальный газ обрел свойства идеального, осуществляются при соответствующем разряжении реального газа. Некоторые газы даже при комнатной температуре и атмосферном давлении слабо отличаются от идеальных. Основными параметрами идеального газа являются давление, объем и температура.

Одним из первых и важных успехов МКТ было качественное и количественное объяснение давления газа на стенки сосуда. Качественное объяснение заключается в том, что молекулы газа при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела и передают свои импульсы стенкам сосуда.

На основании использования основных положений молекулярно-кинетической теории было получено основное уравнение МКТ идеального газа,

которое выглядит так: , где р — давление идеального газа, m0 — масса молекулы, среднее значение

концентрация молекул, квадрата скорости молекул.

Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа

получим основное уравнение

МКТ идеального газа в виде:

Однако, измерив только давление газа, невозможно узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужно измерение еще какой-то физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул. Такой величиной является температура. Температура — скалярная физическая величина, описывающая состояние термодинамического равновесия (состояния, при котором не происходит изменения микроскопических параметров). Как термодинамическая величина температура характеризует тепловое состояние системы и измеряется степенью его отклонения от принятого за нулевое, как молекулярно-кинетиче-ская величина — характеризует интенсивность хаотического движения молекул и измеряется их средней кинетической энергией. Ек = 3/2 kT, где k = 1,38 • 10^(-23) Дж/К и называется постоянной Больцмана.

Температура всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии, одинакова. Измеряется температура термометрами в градусах различных температурных шкал. Существует абсолютная термодинамическая шкала (шкала Кельвина) и различные эмпирические шкалы, которые отличаются начальными точками. До введения абсолютной шкалы температур в практике широкое распространение получила шкала Цельсия (за О °С принята точка замерзания воды, за 100 °С принята точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении).

Единица температуры по абсолютной шкале называется Кельвином и выбрана равной одному градусу по шкале Цельсия 1 К = 1 °С. В шкале Кельвина за ноль принят абсолютный ноль температур, т. е. температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме равно нулю. Вычисления дают результат, что абсолютный нуль температуры равен -273 °С. Таким образом, между абсолютной шкалой температур и шкалой Цельсия существует связь Т = t °C + 273. Абсолютный нуль температур недостижим, так как любое охлаждение основано на испарении молекул с поверхности, а при приближении к абсолютному нулю скорость поступательного движения молекул настолько замедляется, что испарение практически прекращается. Теоретически при абсолютном нуле скорость поступательного движения молекул равна нулю, т. е. прекращается тепловое движение молекул.

3) Температура — физическая величина, характеризующая тепловое состояние тел. В окружающем нас мире происходят различные явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел. Их называют тепловыми явлениями. Так, при нагревании холодная вода сначала становится теплой, а затем горячей; вынутая из пламени металлическая деталь постепенно охлаждается и т. д. Степень нагретости тела, или его тепловое состояние, мы обозначаем словами «теплый», «холодный», «горячий». Для количественной оценки этого состояния и служит температура. Температура — один из макроскопических параметров системы. В физике тела, состоящие из очень большого числа атомов или молекул, называют макроскопическими. Размеры макроскопических тел во много раз превышают размеры атомов. Все окружающие тела — от стола или газа в воздушном шарике до песчинки — макроскопические тела. Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называют макроскопическими параметрами. К ним относятся объем, давление, температура, концентрация частиц, масса, плотность, намагниченность и т. д. Температура — один из важнейших макроскопических параметров системы (газа, в частности). Температура — характеристика теплового равновесия системы. Известно, что для определения температуры среды следует поместить в эту среду термометр и подождать до тех пор, пока температура термометра не перестанет изменяться, приняв значение, равное температуре окружающей среды. Другими словами, необходимо некоторое время для установления между средой и термометром теплового равновесия.

Тепловым, или термодинамическим, равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными. Это означает, что не меняются объем и давление в системе, не происходят фазовые превращения, не меняется темпе­ратура. Однако микроскопические процессы при тепловом равновесии не прекращаются: скорости молекул меняются, они перемещаются, сталкиваются. Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел — термодинамическая система — может находиться в различных состояниях теплового равновесия. В каждом из этих состояний температура имеет свое вполне определенное значение. Другие величины могут иметь разные (но постоянные) значения. Например, давление сжатого газа в баллоне будет отличаться от давления в помещении и при температурном равновесии всей системы тел в этом помещении. Температура характеризует состояние теплового равновесия макроскопической системы: во всех частях системы, находящихся в состоянии теплового равновесия, температура имеет одно и то же значение (это единственный макроскопический параметр, обладающий таким свойством). Если два тела имеют одинаковую температуру, между ними не происходит теплообмен, если разную — теплообмен происходит, причем тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до полного выравнивания температур. Измерение температуры основано на зависимости какой-либо физической величины (например, объема) от температуры. Эта зависимость и используется в температурной шкале термометра — прибора, служащего для измерения температуры. Действие термометра основано на тепловом расширении вещества. При нагревании столбик используемого в термометре вещества (например, ртути или спирта) увеличивается, при охлаждении — уменьшается. Использующиеся в быту термометры позволяют выразить температуру вещества в градусах Цельсия (°С). А. Цельсий (1701-1744) — шведский ученый, предложивший использовать стоградусную шкалу температур. В температурной шкале Цельсия за нуль (с середины XVIII в.) принимается температура тающего льда, а за 100 градусов — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Поскольку различные жидкости расширяются с повышением температуры по-разному, то температурные шкалы в термометрах с разными жидкостями различны. Поэтому в физике используют идеальную газовую шкалу температур, основанную на зависимости объема (при постоянном давлении) или давления (при постоянном объеме) газа от температуры. Температу́ра (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — скалярная физическая величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия. Температура связанна с весьма не определёнными понятиями теплоты и холода, которые располагались в создании человека где-то рядом с запахом, вкусом. Человек с незапамятных времён знал, что когда два тела плотно соприкасаются, то между ними устанавливается тепловое равновесие. Рука, опущенная в воду, оказывается нагретой (или охлаждённой) до той же степени, что и вода. Всюду в природе существуют потоки тепла. В этом естествоиспытатели давно видели проявление великих законов природы.

Античные учёные и схоласты средневековья сопоставляли с теплом и холодом свойство притяжения и отталкивания. Древние врачи были первыми, кому понадобилась сравнительная и притом довольная точная шкала теплоты тела. Они очень давно заметили, что здоровье человека как-то связано с теплотой его тела и что лекарства способны изменить это качество. Лекарствам приписывалось охлаждающее или согревающее действие и степень этого действия определялась градусами. Лекарства смешивались между собой, и смеси имели разные градусы. «Смесь» по-латыни – «температура» (temperature).

Температурная шкала

Во всех приборах, которые были придуманы в 18 веке, измерение температуры сводилось к измерению длины столбика воды, спирта или ртути. Термометры работали только в ограниченном интервале температур. Наполняющие их вещества замерзали и кипели, и этими термометрами нельзя было измерять очень низкие или очень высокие температуры.

Шкала Цельсия точно устанавливала положение двух точек – 0 и 100 градусов, расстояние между которыми на шкале было разбито на равные части. Но роль каждого деления оставалась неопределённой. Необходимо было ещё понять, что происходит в теле, когда ртуть в термометре поднимается на один градус. Проще всего было бы предположить, что при этом энергия тела увеличивается на одну и ту же величину. Такая величина, отнесённая к единице массы тела, называется удельной теплоёмкостью.

Абсолютная шкала температур

Единица температуры возникла случайно – поставили число 100 в точке кипения воды. Этот акт имел важные последствия: в законе Клапейрона – Клаузиуса появилась новая газовая постоянная R=8,3157 джоуль/градус. Такое число возникло только потому, что величина градуса была введена очень давно и все изменения, происходящие с газами, относили по привычки к довольно случайно выбранной шкале температур. Было бы удобнее сейчас изменить определение градуса и «привязать» его к уравнению идеальных газов. Для этого надо просто уменьшить величину градуса в 8,3157 раза и считать, что температура в такой «идеально-газовой» шкале:

О=8,3157Т.

4) - одно из осн. понятий термодинамики, введённое У. Томсоном (Кельвином; W. Thomson) в 1848; обозначается буквой Т. Согласно второму началу термодинамики, 1/Т - интегрирующий множитель для кол-ва теплоты , полученной системой при любом обратимом процессе, поэтому - дифференциал ф-ции состояния S (энтропии). Это позволяет ввести абс. термодинамич. шкалу Кельвина с помощью обратимых термодинамич. циклов, напр. Карно цикла. А. т. связана с энтропией, внутр. энергией U и объёмом V соотношением 1/Т=. А. т. выражается в Кельвинах (К), отсчитывается от абсолютного нуля температуры и измеряется по Международной практической температурной шкале.В статистич. физике А. т. входит в каноническое распределение Гиббса , где Н - ф-ция Гамильтона системы, Z - статистич. интеграл. В статистич. теории неравновесных процессов А. т. вводится с помощью локально-равновесного распределения, подобного распределению Гиббса, но с А. т., зависящей от пространственных координат и времени. Абсолютная температура термодинамическая температура), параметр состояния, характеризующий макроскопическую систему в состоянии термодинамического равновесия (при этом абсолютная температура всех её макроскопических подсистем одинакова). Абсолютная температура введена в 1848 английским физиком У. Томсоном (Кельвином) на основании второго начала термодинамики. Абсолютная температура обозначается символом Т, выражается в Кельвинах (К) и отсчитывается от абсолютного нуля температуры. Её измеряют по термодинамической и международной практическим температурным шкалам.

8. 1) Уравнение состояния идеального газа (иногда уравнение Клапейрона или уравнение Клапейрона — Менделеева) — формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. Уравнение имеет вид: — давление, — молярный объём, — универсальная газовая постоянная, — абсолютная температура,К. Так как где — количество вещества, а где — масса, — молярная масса, уравнение состояния можно записать: Эта форма записи носит имя уравнения (закона) Менделеева — Клапейрона.

В случае постоянной массы газа уравнение можно записать в виде: Последнее уравнение называют объединённым газовым законом. Из него получаются законы Бойля — Мариотта, Шарля и Гей-Люссака: — закон Бойля — Мариотта. — Закон Гей-Люссака. — закон Шарля (второй закон Гей-Люссака, 1808 г.)

С точки зрения химика этот закон может звучать несколько иначе: Объёмы вступающих в реакцию газов при одинаковых условиях (температуре, давлении) относятся друг к другу и к объёмам образующихся газообразных соединений как простые целые числа. Например, 1 объём водорода соединяется с 1 объёмом хлора, при этом образуются 2 объёма хлороводорода: 1 объём азота соединяется с 3 объёмами водорода с образованием 2 объёмов аммиака: — закон Бойля — Мариотта. Закон Бойля — Мариотта назван в честь ирландского физика, химика и философа Роберта Бойля (1627—1691), открывшего его в 1662 г., а также в честь французского физика Эдма Мариотта (1620—1684), который открыл этот закон независимо от Бойля в 1677 году.В некоторых случаях (в газовой динамике) уравнение состояния идеального газа удобно записывать в форме

p = (γ − 1)ρε,где — показатель адиабаты, — внутренняя энергия единицы массы вещества. Эмиль Амага обнаружил, что при высоких давлениях поведение газов отклоняется от закона Бойля — Мариотта. И это обстоятельство может быть прояснено на основании молекулярных представлений.

С одной стороны, в сильно сжатых газах размеры самих молекул являются сравнимыми с расстояниями между молекулами. Таким образом, свободное пространство, в котором движутся молекулы, меньше, чем полный объём газа. Это обстоятельство увеличивает число ударов молекул в стенку, так как благодаря ему сокращается расстояние, которое должна пролететь молекула, чтобы достигнуть стенки.

С другой стороны, в сильно сжатом и, следовательно, более плотном газе молекулы заметно притягиваются к другим молекулам гораздо большую часть времени, чем молекулы в разреженном газе. Это, наоборот, уменьшает число ударов молекул в стенку, так как при наличии притяжения к другим молекулам молекулы газа движутся по направлению к стенке с меньшей скоростью, чем при отсутствии притяжения. При не слишком больших давлениях более существенным является второе обстоятельство и произведение немного уменьшается. При очень высоких давлениях большую роль играет первое обстоятельство и произведение увеличивается.

2) Изопроцессы — термодинамические процессы, во время которых количество вещества и ещё одна из физических величин — параметров состояния: давление, объём или температура — остаются неизменными. Так, неизменному давлению соответствует изобарный процесс, объёму — изохорный, температуре — изотермический, энтропии — изоэнтропийный (например, обратимый адиабатический процесс). Линии, изображающие данные процессы на какой-либо термодинамической диаграмме, называются изобара, изохора, изотерма и адиабата соответственно. Изопроцессы являются частными случаями политропного процесса. Изобарный процесс

Основная статья: Изобарный процесс

Графики изопроцессов в различных системах координат

Изобарный процесс (др.-греч. ισος, isos — «одинаковый» + βαρος, baros — «вес») — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении (P = const)

Зависимость объёма газа от температуры при неизменном давлении была экспериментально исследована в 1802 году Жозефом Луи Гей-Люссаком. Закон Гей-Люссака: При постоянном давлении и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение объёма газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: V/T = const.

[править]

Изохорный процесс

Основная статья: Изохорный процесс

Изохорный процесс (от греч. хора — занимаемое место) — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном обьеме (V = const). Для идеальных газов изохорический процесс описывается законом Шарля: для данной массы газа при постоянном объеме, давление прямо пропорционально температуре:

Линия, изображающая изохорный процесс на диаграмме, называется изохорой.

ещё стоит указать что поданная к газу энергия расходуется на изменение внутренней энергии то есть Q = 3* ν*R*T/2=3*V*ΔP, где R — универсальная газовая постоянная, ν количество молей в газе, T температура в Кельвинах, V объём газа, ΔP приращение изменения давления. а линию, изображающая изохорный процесс на диаграмме, в осях Р(Т), стоит продлить и пунктиром соединить с началом координат, так как может возникнуть недопонимание.

[править]

Изотермический процесс

Основная статья: Изотермический процесс

Изотермический процесс (от греч. «термос» — тёплый, горячий) — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре (T = const)(PV = const). Изотермический процесс описывается законом Бойля — Мариотта:

При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const.

[править]

Изоэнтропийный процесс

Основная статья: Изоэнтропийный процесс

Изоэнтропийный процесс — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной энтропии (S = const). Изоэнтропийным является, например, обратимый адиабатический процесс: в таком процессе не происходит теплообмена с окружающей средой. Идеальный газ в таком процессе описывается следующим уравнением:

pVγ = const

где γ — показатель адиабаты, определяемый типом газа.