12. Основи молекулярнокінетичної теорії. Броунівський рух

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії (МКТ) речовини:1) усі тіла складаються із частинок — молекул, атомів і йонів;2) частинки перебувають у безперервному хаотичному русі;3) між частинками будь-якого тіла існують сили взаємодії.Одним із перших підтверджень положень МКТ стали досліди англійського ботаніка Роберта Броуна, проведені в 1827 р. Розглядаючи в мікроскоп краплину води, в якій містився квітковий пилок, учений виявив безладний рух частинок пилку. Потім Броун і його послідовники спостерігали аналогічний рух інших частинок (різних за розміром, із різних речовин, у тому числі й неорганічних).

Броунівський рух частинок пояснюється некомпенсованими безладними зіткненнями з ними величезної кількості невидимих у мікроскоп молекул рідини.Поняття моля речовини та закони Авогадро розглядаються і в хімії. Моль — одиниця кількості речовини  . Моль — це кількість речовини, яка містить стільки ж її структурних складових (наприклад, атомів або молекул), скільки міститься атомів в 0,012 кг вуглецю.

Подібно до використання в механіці ідеалізованого поняття матеріальної точки, в молекулярній фізиці використовують поняття ідеального газу як величезної сукупності матеріальних точок, які не взаємодіють одна з одною на відстані. За умови достатньо низького тиску і високої температури реальні гази (азот, кисень та ін.) за своїми властивостями близькі до моделі ідеального газу.

13. Газ— один із агрегатних станів речовини, для якого характерні великі відстані між частинками (молекулами,атомами, іонами) порівняно з твердим чи рідинним станами, слабка міжмолекулярна взаємодія, невпорядкованість структури, а середня кінетична енергія хаотичного руху частинок набагато більша за енергію взаємодії між ними. Характеристичною властивістю газу є те, що він здатний вільно поширюватися в усьому доступному для нього просторі,рівномірно заповнюючи його. На відміну від рідини та твердого тіла газ не утворюєповерхні. Характерним прикладом газу є повітря.

Основним рівнянням МКТ ідеального газу є математичний вираз тиску газу через концентрацію його молекул   (де V — об’єм), масу кожної молекули   і квадрат середньої швидкості молекули: . 

Відносна молекулярна маса  — число, що показує, у скільки разів маса даної молекули більша за 1/12 маси молекули вуглецю. Це безрозмірна величина, що позначається Mr. Відносну молекулярну масу обчислюють додаванням відносних атомних мас всіх елементів, що входять у молекулу, з урахуванням індексів.

Рівняння Менделєєва — Клапейрона

Величини p, V і T, які визначають стан газу, називають параметрами стану. Рівняння, до складу якого одночасно входять всі параметри, називається рівнянням стану. Тиск p газу залежить від значень T і V: . Перехід від пропорційності до рівняння спочатку було здійснено за допомогою коефіцієнта, який мав стале значення (був константою) для даного газу, але мав різні значення для інших газів (ця константа не була універсальною). Таким чином було одержано рівняння стану, назване рівнянням Клапейрона: .

Коефіцієнт пропорційності став універсальним завдяки Дмитру Менделєєву, який запропонував розглядати різні гази в однакових кількостях, тому рівняння стало називатися рівнянням Менделєєва — Клапейрона. Для 1 моль газу  , або  .

14. Кипі́ння — процес переходу рідини до пари, який характеризується, на відміну від випаровування, тим, що утворення пари відбувається не тільки на поверхні, але й в усій масі рідини. В момент кипіння тиск нас. пари дорівнює атмосф. тиску, а тиск нас. пари залежить від температури. Таким чином температура кипіння рідини прямопропорційна залежність рідини від атмосферного тиску, чим він більший, тим більша температура при якій відбувається кипіння води. Температура при якій кипить рідина називається температура кипіння.Температура кипіння рідини при нормальному атмосферному тиску називається точкою кипіння. Для води вона становить 1000.

То́чка роси́ — температура, при якій повітря досягає стану насиченості при даному вмісті водяної пари.Вимірювання точки роси використовується в психрометрах для визначення вологості повітря. Тиск насиченої пари зростає при підвищенні температури і зменшується при її пониженні. Зазвичай водяна пара в повітрі має тиск, менший за тиск насиченої пари. Але при пониженні температури цей тиск може стати вищим за тиск насиченої пари. У такому випадку надлишок води в повітрі починає конденсуватися, утворюючи крапельки. Якщо надлишок невеликий, то крапельки конденсуються на найхолодніших поверхнях — випадає роса. Якщо надлишок значний, то крапельки конденсуються, утворюючи туман.Точка роси, тобто температура, при якій водяна пара в повітрі починає конденсуватися, є характеристкою вологості повітря.

Характеристикою змочування рідиною твердого тіла є крайовий кут Q. Крайовий кут - кут, утворений двома дотичними, проведеними до поверхні твердого тіла і рідини з точки їх дотику, і відрахований всередину рідини. Для повного змочування кут Q=0°, а для повного незмочування Q=180°. Наголошують, що явище змочування відбувається на спільній межі поділу трьох фаз. Явища змочування і незмочування відіграють велику роль у природі, техніці. Так, у техніці змочуванням користуються при фарбуванні твердих тіл, покритті провідників ізоляційним матеріалом тощо. Просочення або покриття певними речовинами тканин, стовпів, фундаментів будівель і т.д. дозволяє запобігти змочуванню їх водою. На явищах змочування і незмочування ґрунтується процес збагачення руд (флотація).

15. Термодинáміка - розділ теоретичної фізики, що стосується законів явищ поширення та збереження тепла. Розрізняють феноменологічну та статистичну термодинаміки. Остання в свою чергу поділяється на класичну й квантову.Термодинаміка вивчає процеси, які відбуваються в тілах, що перебувають у тепловій рівновазі з іншими тілами. Важливою характеристикою теплової рівноваги є температура. Рівняння стану пов'язує між собою такі характеристики тіл, як тиск, об'єм та температуру.Зміни термодинамічного стану фізичних систем вивчаються при рогзляді термодинамічних процесів.Термодинаміка вводить феноменологічно таке поняття, як ентропія.

Пе́рший зако́н термодина́міки — одне з основних положень термодинаміки, є, по суті, законом збереження енергії у застосуванні до термодинамічних процесів. Перший закон термодинаміки сформульований в середині 19 століття в результаті робіт Саді Карно, Юліуса фон Маєра, Джеймса Прескотта Джоуля і Германа фон Гельмгольца. Перший початок термодинаміки часто формулюють як неможливість існування вічного двигуна 1-го роду, який здійснював би роботу, не черпаючи енергію з якого-небудь джерела.

Зміна внутрішньої енергії закритої системи, яка відбувається в рівноважному процесі переходу системи із стану 1 в стан 2, дорівнює сумі роботи, зробленої над системою зовнішніми силами, і кількості теплоти, наданої системі: ΔU = A' + Q. Робота здійснена системою над зовнішніми тілами в процесі 1->2 (Назвемо її просто А) A=-A', тоді закон приймає вигляд:

.

Кількість теплоти, що надається системі, витрачається на зміну внутрішньої енергії системи і на здійснення системою роботи проти зовнішніх сил.Для елементарної кількості теплоти δQ; елементарної роботи δA і малої зміни dU внутрішньої енергії перший закон термодинаміки має вигляд:

16.Пираючись на прецезійні досліди, проведені в середині ХІХ ст., англійський фізик Джоуль та німецький Майєр, і найповніше Гельмгольц, установили закономірність, згідно з якою кількість енергії в природі незмінна, вона лише переходить від одних тіл до інших або перетворюється з одного виду в інший. Це твердження називають законом збереження і перетворення енергії. Цей закон універсальний та застосовний до всіх явищ природи.Закон збереження енергії, поширений на теплові явища, називають першим законом термодинаміки. Усі процеси в природі необоротні. Напрям можливих енергетичних перетворень вказує другий закон термодинаміки. Він підтверджує необоротністьпроцесів в природі і був сформульований на основі дослідних фактів Клаузіусом: неможливо перевести теплоту від більш холодної системи до більш гарячої, якщо не відбувається інших одночасних змін в обох системах або тілах, які їх оточують.

Машини призначені для перетворення внутрішньої енергії палива на механічну енергію, називають тепловими машинами.

Механічна енергія згодом може перетворитись на електричну енергію й будь-які інші види енергії.У більшості сучасних теплових машин механічну роботу здійснює газ, що розширюється в процесі нагрівання. Цей газ називають робочим тілом.Найбільш поширеними тепловими машинами є теплові двигуни.

17. Електри́чне по́ле — одна зі складових електромагнітного поля, що існує навколо тіл або частинок, що мають електричний заряд, а також у вільному вигляді при зміні магнітного поля (наприклад, в електромагнітних хвилях). Електричне поле може спостерігатися завдяки силовому впливу на заряджені тіла.Кількісними характеристиками електричного поля є вектор напруженості електричного поля   й вектор електричної індукції  .У випадку, коли електричне поле не змінюється з часом, його називають електростатичним полем.Розділ фізики, який вивчає розподіл статичного електричного поля в просторі, називається електростатикою.

Напру́женість електри́чного по́ля — це векторна фізична величина, яка дорівнює силі, яка діє у даній точці простору у даний момент часу на пробний одиничний електричний заряд у електричному полі.

де   — сила,   — електричний заряд,   — напруженість електричного поля.

В системі СІ вимірюється у В/м, на практиці здебільшого у В/см

Вміщуючи пробний заряд у різні точки поля, проводять лінії напруженості. Якщо вони прямі, то вектор  напрямлений уздовж них, а якщо криві — вздовж дотичних до них. Густота ліній напруженості чисельно дорівнює (або пропорційна) значенню напруженості. Лінії напруженості електростатичного поля (силові лінії) незамкнені: починаються на позитивних зарядах, а закінчуються на негативних; вони неперервні й не перетинаються.

Напруженість поля точкового заряду:.

18. Заряджені тіла можуть взаємодіяти на відстані, без дотику. Така взаємодія відбувається за допомогою матеріального посередника, що одержав назву електричного поля. Однойменно заряджені тіла відштовхуються, а різнойменно заряджені — притягаються одне до одного. Електричне поле — це особливий вид матерії, який існує навколо заряджених тіл і є посередником у їх взаємодії.

Потенціа́л () — скалярна характеристика фізичного поля.Енергетична характеристика будь-якої визначеної точки силового поля. Потенціал існує не для всіх полів, а лише для полів такої конфігурації, де робота з пересування об'єкта не залежить від шляху, яким воно відбувається, а залежить лише від координат початкової та кінцевої точки.Чисельно потенціал дорівнює роботі, яку здійснюють сили поля, пересуваючи одиницю маси (потенціал тяжіння) чи електричного заряду (електростатичний потенціал) з цієї точки поля до точки, де потенціал вважають рівним нулю. Зазвичай потенціал вважають нульовим на нескінченості. Отже, потенціал — це величина, що чисельно (але не за розмірністю) дорівнює роботі, витраченій на пересування пробного об'єкта з нескінченості в цю точку простору.

Напруга (U) на ділянці електричного кола — фізична величина, що визначається роботою, яка виконується сумарним полем електростатичних і сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду на даній ділянці кола. Поняття напругиу узагальненим поняттям різниці потенціалів: напруга на кінцях ділянки кола дорівнює різниці потенціалів в тому випадку, якщо на цій ділянці не прикладена електрорушійна сила.

19. Під час зарядження двох провідників між ними виникає різниця потенціалів чи напруга. Із підвищенням напруги електричне поле між провідниками підсилюється.Чим меншим є зростання напруги між провідниками зі збільшенням заряду, тим більший заряд можна накопичити. Величину, яка характеризує здатність провідників накопичувати електричний заряд, називають електроємністю. Напруга U між двома провідниками пропорційна величині електричних зарядів, утворених на провідниках. Тому відношення заряду q одного з провідників до різниці потенціалів між цими провідниками не залежить від заряду. Воно визначається геометричними розмірами провідників, їх формою і взаємним розміщенням та електричними властивостями навколишнього середовища (діелектричною проникністю e).

Конденсатор складається з двох заряджених провідників, розділених шаром діелектрика. Так, наприклад, дві плоскі металеві пластини, розміщені паралельно одна одній і розділені шаром діелектрика, утворюють плоский конденсатор. Електричне поле такого конденсатора зосереджено всередині. Воно однорідне. Дві концентричні сфери сферичного конденсатора зосереджують все поле між собою. Напруженість  поля між двома пластинами плоского конденсатора дорівнює сумі напруженостей полів, створених кожною із пластин.

Енергію поля зарядженого конденсатора можна розрахувати як роботу, що виконується полем конденсатора в процесі його розрядки: .

Енергію електростатичного поля можна записати й інакше:

Виражаючи q із формули  , отримують:  . Виражаючи U із формули  , отримують:  . 

20. Електри́чний струм — впорядкований рух заряджених частинок у просторі. У металах це електрони, напівпровідниках - електрони та дірки, уелектролітах - позитивно та негативно заряджені іони, у іонізованих газах — іони та електрони. За напрямок струму вибирають рух позитивно заряджених частинок. Таким чином, напрямок струму в металах протилежний напрямку руху електронів.

Електри́чний о́пір — властивість провідника створювати перешкоди проходженню електричного струму.

Позначається здебільшого латинською літерою R, одиниця опору в СІ - Ом.

Електричний опір використовується у випадках лінійної залежності електричного струму в провіднику від прикладеної напруги, й є коефіцієнтом пропорційності між падінням напруги U йсилою струму I

.