Реферат: Билеты по физике за весь школьный курс
24. Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа.
Для объяснения свойств
вещества в газообразном состоянии используется модель идеального газа. В этой
модели предполагается следующее: молекулы газа обладают пренебрежимо малыми
размера по сравнению с объемом сосуда, между молекулами не действуют силы
притяжения, при соударении друг с другом и стенками сосуда действуют силы
отталкивания. Качественное объяснение явления давления газа заключается в том,
что молекулы идеального газа при столкновениях со стенками сосуда
взаимодействуют с ними как упругие тела. При столкновении молекулы со стенкой
сосуда проекция вектора скорости на ось, перпендикулярную стенке, меняется на
противоположную. Поэтому при столкновении проекция скорости меняется от –mvx до mvx, и изменение импульса равно . Во время столкновения
молекула действует на стенку с силой, равной по третьему закону Ньютона силе,
противоположной по направлению. Молекул очень много, и среднее значение
геометрической суммы сил, действующих со стороны отдельных молекул, и образует
силу давления газа на стенки сосуда. Давление газа равно отношению модуля силы
давления к площади стенки сосуда: p=F/S.
Предположим, что газ находится в кубическом сосуде. Импульс одной молекулы
составляет 2mv, одна молекула воздействует на стенку в среднем с
силой 2mv/Dt. Время Dt движения от одной стенки сосуда к другой равно 2l/v,
следовательно,
. Сила давления на
стенку сосуда всех молекул пропорциональна их числу, т.е.
. Из-за полной хаотичности
движения молекул движение их по каждому из направлений равновероятно и равно
1/3 от общего числа молекул. Таким образом,
.
Так как давление производится на грань куба площадью l2, то давление будет
равно
. Это уравнение называется
основным уравнением молекулярно-кинетической теории. Обозначив за
среднюю кинетическую
энергию молекул, получим
.
25. Температура, ее измерение. Абсолютная температурная шкала. Скорость молекул газа.
Основное уравнение МКТ для
идеального газа устанавливает связь между микро- и макроскопическими
параметрами. При контакте двух тел изменяются их макроскопические параметры.
Когда это изменение прекратилось, говорят, что наступило тепловое равновесие.
Физический параметр, одинаковый во всех частях системы тел, находящихся в
состоянии теплового равновесия, называют температурой тела. Опыты показали, что
для любого газа, находящегося в состоянии теплового равновесия, отношение
произведения давления на объем к количеству молекул есть одинаково . Это позволяет принять
величину
в качестве меры
температуры. Так как n=N/V, то с учетом основного уравнения МКТ
, следовательно, величина
равна двум третям средней
кинетической энергии молекул.
, где k
– коэффициент пропорциональности, зависящий от шкалы. В левой части этого
уравнения параметры неотрицательны. Отсюда – температура газа при котором его
давление при постоянном объеме равно нулю, называют абсолютным нулем
температуры. Значение этого коэффициента можно найти по двум известным
состояниям вещества с известными давлением, объемом, числом молекул
температуре.
. Коэффициент k,
называемый постоянной Больцмана, равен
.
Из уравнений связи температуры и средней кинетической энергии следует
, т.е. средняя кинетическая
энергия хаотического движения молекул пропорциональна абсолютной температуре.
,
.
Это уравнение показывает, что при одинаковых значениях температуры и
концентрации молекул давление любых газов одинаково.
26. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона). Изотермический, изохорный и изобарный процессы.
Используя зависимость
давления от концентрации и температуры, можно найти связь между
макроскопическими параметрами газа – объемом, давлением и температурой. . Это уравнение называют
уравнением состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона).
Изотермическим процессом
называется процесс, протекающий при постоянной температуре. Из уравнения
состояния идеального газа следует, что при постоянной температуре, массе и
составе газа произведение давления на объем должно оставаться постоянным.
Графиком изотермы (кривой изотермического процесса) является гипербола.
Уравнение называют законом
Бойля-Мариотта.
Изохорным процессом
называется процесс, протекающий при неизменном объеме, массе и составе газа.
При этих условиях, где
– температурный коэффициент
давления газа. Это уравнение называется законом Шарля. График уравнения
изохорного процесса называется изохорой, и представляет из себя прямую,
проходящую через начало координат.
Изобарным процессом называется
процесс, протекающий при неизменном давлении, массе и составе газа. Аналогичным
образом как и для изохорного процесса можно получить уравнение для изобарного
процесса . Уравнение, описывающее
этот процесс, называется законом Гей-Люссака. График уравнения изобарного
процесса называется изобарой, и представляет из себя прямую, проходящую через
начало координат.
27. Внутренняя энергия. Работа в термодинамике.
Если потенциальная энергия
взаимодействия молекул равна нулю, то внутренняя энергия равна сумме
кинетических энергий движения всех молекул газа .
Следовательно, при изменении температуры изменяется и внутренняя энергия газа.
Подставив в уравнение для энергии уравнение состояния идеального газа, получим,
что внутренняя энергия прямо пропорциональная произведению давления газа на
объем.
. Внутренняя энергия тела
может изменяться только при взаимодействии с другими телам. При механическом
взаимодействии тел (макроскопическом взаимодействии) мерой передаваемой энергии
является работа А. При теплообмене (микроскопическом взаимодействии)
мерой передаваемой энергии является количество теплоты Q.
В неизолированной термодинамической системе изменение внутренней энергии DU равно
сумме переданного количества теплоты Q и работы
внешних сил А. Вместо работы А, совершаемой внешними силами,
удобнее рассматривать работу А`, совершаемую системой над внешними
телами. А=–А`. Тогда первый закон термодинамики выражается как
, или же
. Это означает, что любая
машина может совершать работу над внешними телами только за счет получения
извне количества теплоты Q или уменьшения внутренней энергии DU. Этот
закон исключает создание вечного двигателя первого рода.
28. Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества. Закон сохранения энергии в тепловых процессах (первый закон термодинамики).
Процесс передачи теплоты от
одного тела к другому без совершения работы называют теплообменом. Энергия,
переданная телу в результате теплообмена, называется количеством теплоты. Если
процесс теплопередачи не сопровождается работой, то на основании первого закона
термодинамики. Внутренняя энергия тела
пропорциональна массе тела и его температуре, следовательно
. Величина с
называется удельной теплоемкостью, единица –
.
Удельная теплоемкость показывает, какое количество теплоты необходимо передать
для нагревания 1 кг вещества на 1 градус. Удельная теплоемкость не является
однозначной характеристикой, и зависит от работы, совершаемой телом при
теплопередаче.
При осуществлении теплообмена
между двумя телами в условиях равенства нулю работы внешних сил и в тепловой
изоляции от других тел, по закону сохранения энергии . Если изменение внутренней
энергии не сопровождается работой, то
,
или же
, откуда
. Это уравнение называется
уравнением теплового баланса.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13