Молекулярные явления
advertisement
ТЕТРАДЬ-УЧЕБНИК ПО ФИЗИКЕ УЧЕНИ 10 КЛАССА МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ОБРАЩЕНИЕ К УЧЕНИКУ Уважаемый соавтор! Тетрадь, с которой Вам предстоит работать, разбита на относительно независимые разделы элементарного курса физики. Во всех текстах имеются пропущенные слова, словосочетания, предложения, отсутствуют иллюстрации. Ваша задача заключается в том, чтобы восстановить пропуски, начертить схемы экспериментальных установок, представить в виде рисунков механизм протекания изучаемых физических процессов. Текстовые пропуски заполняются либо впечатыванием в формы соответствующего текста, либо выбором в формах нужного варианта ответа. От одного поля к другому переходите, нажимая клавишу «Tab». Для графических иллюстраций используйте любой графический редактор, в котором можно сохранять рисунки в формате jpg. Важно чтобы имя файла с рисунком совпало с именем рисунка-шаблона, подгружаемого в соответствующую область рабочей тетради. Эти файлы имеют имена «picture copybook i_n.jpg», где i – номер тетради, n – номер рисунка. Рабочая тетрадь и рисунки должны находиться в одной папке. При заполнении пропусков можно пользоваться сокращениями слов, общепринятой символикой, аббревиатурами. Рисунки можно делать очень простыми, оставляя в них лишь самые необходимые элементы. Но в любом случае, записи должны быть аккуратными и понятными не только Вам лично, но и другим, компетентным в области элементарной физики, людям. Желательно, чтобы Ваши иллюстрации были цветными. Это не только сделает тетрадь красивой и привлекательной, но и будет способствовать лучшему запоминанию выделенного цветом материала. Ваш вариант заполнения пропусков совсем не обязательно должен совпадать с вариантом, принятым за эталон. Вы вправе использовать синонимы, предлагать свои версии иллюстраций или моделей физических процессов. Важно только, чтобы после Вашей обработки был создан физически грамотный, логически связный текст, с иллюстрациями, максимально помогающими перевести слова на уровень представлений и наглядных образов. Именно по той причине, что у Вас есть возможность для творческого подхода к восстановлению текстов, проявления самостоятельности, Вы и названы соавтором этой тетради. Исходные тексты, которые Вы будете дописывать и иллюстрировать, имеют вполне определенную логическую структуру, отражающую способ и последовательность изучения соответствующего учебного материала. Дорабатывая тексты и их фрагменты, постоянно задавайте себе вопрос: о каком виде знания (факте науки, физическом понятии, величине, законе и т. д.) идет в них речь, с какой позиции (качественной, количественной, сущностной, прикладной) рассматривается явление, процесс, состояние физического объекта? Помните, что изучение физических явлений с качественной стороны требует проведения соответствующих наблюдений, постановки опытов, в ходе которых фиксируются и анализируются факты, формируются физические понятия. Изучение явлений, процессов, состояний с количественной стороны требует введения производных физических величин, описывающих эти явления, и установления связей между физическими величинами. Предполагается, что и введение величин, и установление связей между величинами проводится на экспериментальной основе или, в крайнем случае, со ссылкой на эксперимент, который поставить в учебном процессе, по тем или иным причинам, нельзя. При раскрытии сущности изучаемых явлений знание не появляется сразу в готовом виде. Для объяснения полученных в ходе наблюдений и экспериментов фактов, выдвигаются гипотезы, строятся модели. Гипотезы развиваются таким образом, чтобы на логическом уровне реализовывалась их предсказательная функция. Критерием истинности высказываемых суждений является физический эксперимент. Изучение любого явления должно соотноситься с жизнью, практикой. Полученные знания должны применяться для объяснения новых физических явлений, с которыми человек может столкнуться в природе, окружающей жизни, быту, технике. Тексты, с которыми Вы имеете дело, соответствуют именно такой структуре изучения курса элементарной физики. Следует иметь в виду, что заполненная Вами тетрадь не превращается в учебник физики и не заменяет его. Такую тетрадь следует рассматривать как сборник очень сжатых, содержащих лишь минимальную информацию текстов по отдельным вопросам курса элементарной физики. Тексты, содержащиеся в тетради, являются результатом переработки других, развернутых текстов, с которыми 2 Вы имеете дело, когда изучаете новый материал. Соответственно, к этим минимальным текстам в целом, их блокам, фразам, отдельным терминам, рисункам может быть предъявлено требование развернуть их и представить информацию в исходном виде. Успеха Вам в работе! ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ Попытаемся ответить на вопрос: КАКОВО СТРОЕНИЕ , ИЗ КОТОРЫХ СОСТОЯТ ОКРУЖАЮЩИЕ НАС ТЕЛА? Для начала ограничимся самыми общими сведениями по интересующему нас вопросу. Путем непосредственных наблюдений сделать это исключительно сложно, а во многих случаях и принципиально невозможно. Более основательно понять строение и свойства вещества можно, проанализировав опосредованные данные, полученные . Так, мы знаем, что цилиндрики, прижатые друг к другу срезами, . и , в отличие от газов, даже при очень больших усилиях не удается сжать. При очень большом увеличении в жидкостях и газах можно наблюдать причем интенсивность движения увеличивается с . Это движение называется , по имени ботаника, открывшего его. Известно, что запахи от многих веществ могут распространяться . Самопроизвольно могут перемешиваться и жидкости. Есть опытные данные о том, что за время такие же процессы могут протекать и с . НАЗЫВАЕТСЯ ДИФФУЗИЕЙ. Из химии известно, что при смешивании нескольких разных веществ могут получаться другие вещества, которых ранее не было, то есть вещества могут . Все эти и многие другие, на первый взгляд разрозненные, факты можно объяснить, если представить себе, что: 3 ВСЕ ВЕЩЕСТВА ДВИЖУТСЯ. МОЛЕКУЛЫ . ПОСРЕДСТВОМ Одни и те же вещества могут существовать в Вероятно, это различие обусловлено состояниях - . . молекул в веществе. Чисто качественно можно представить, что в газе молекулы находятся расстояниях друг от друга и взаимодействуют между собой только . В жидкостях расстояния между молекулами , поэтому плотности , как правило, плотностей . В твердых телах, вероятно, расстояния еще , чем в жидкостях. Между молекулами жидкостей действуют значительные силы . За счет этого жидкости сохраняют свой . Но силы притяжения здесь не так велики, чтобы жидкости имели , как это бывает у твердых тел. Если наши представления о строении веществ верны, то следует ожидать существования достаточно неожиданного явления. 4 При смешивании двух разнородных жидкостей, молекулы одной жидкости, проникая жидкости, отталкиваются от них , чем друг от друга. В результате этого, объем смеси может оказаться суммы объемов смешиваемых жидкостей, взятых порознь. Подобный эффект действительно имеет место, например, при смешивании . Размеры молекул разных веществ, вероятно, не одинаковы. По всей видимости, различны и подвижности молекул разных веществ. Например, известно, что детский резиновый шарик, заполненный водородом, спускает газ значительно , чем, если бы он был заполнен . Если предположить, что молекулы водорода гораздо и молекул азота и кислорода, из которых в основном состоит воздух, то становится понятным, что они просачиваются сквозь мельчайшие отверстия, которые могут остаться при завязывании шарика. Если это так, то можно заранее предсказать и результат опыта с пористым глиняным цилиндром, который соединен с манометром. Если на этот цилиндр надеть несколько более широкий стакан, заполненный , то молекулы будут входить через поры внутрь цилиндра , чем молекулы выходить. Давление внутри цилиндра возрастет. Если широкий стакан убрать, молекулы выйдут из цилиндра быстрее, чем туда вернутся молекулы . Давление внутри цилиндра сначала уменьшится по отношению к нему. , а затем на некоторое время Соответствующий эксперимент действительно дает ожидаемые результаты. Поскольку эксперименты подтверждают следствия, полученные путем логических рассуждений, основанных в свою очередь на предположениях о строении вещества, вероятно, эти предположения не лишены смысла и могут быть использо5 ваны в дальнейшем для объяснения различных физических явлений. Как и любой эталон, эталон для измерения массы молекул выбирается в значительной мере произвольно. В настоящее время существует договоренность сравнивать массы всех молекул с 1/12 массы атома углерода-12, называемой (1а.е.м. кг). При таком способе определения масса молекул является величиной относительной и не имеющей наименования. Она называется и обозначается . ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ (АТОМНАЯ) МАССА ВЕЩЕСТВА – ЭТО . ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА НАЗЫВАЕТСЯ КОЛИЧЕСТВОМ ВЕЩЕСТВА СИСТЕМЫ. Единица количества вещества системы . В СИ - это одна из семи основных единиц. МОЛЬ РАВЕН Моль является расчетной единицей, поэтому эталона для его воспроизведения не существует. Как видно из определения, точное количество частиц в моле не указано. Принято считать его равным числу Авогадро. Значение числа Авогадро известно из курса химии. Моль служит для образования производных молярных величин, в частности, молярной массы. МОЛЯРНАЯ МАССА – ЭТО Молярная масса показывает, Чтобы получить единицу молярной массы СИ, надо 6 Одно из основных положений молекулярно-кинетической теории гласит, что молекулы находятся в беспрерывном движении. Сразу же возникает вопрос: а КАКОВЫ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ? Впервые прямые измерения скоростей молекул были проведены в 1920 г. немецким физиком . Идея опыта состояла в следующем. По оси двух соосных цилиндров, большого и малого, натягивается проволока. В малом цилиндре делается узкая щель. Если по проволоке пропускается , проволока накаляется, испаряется и его молекулы разлетаются в разные стороны. Молекулы, пролетевшие в щель, . Если цилиндры будут вращаться вокруг общей оси с одинаковой угловой скоростью, то за время, которое необходимо молекулам для того, чтобы пролететь путь L между цилиндрами, внешний цилиндр вследствие чего след от молекулярного пучка сместится на величину S от метки, оставленной им в первом случае. Время поворота внешнего цилиндра относительно внутреннего можно выразить через смещение полоски и При равномерном вращении, скорость большого цилиндра выражается через его радиус R и период обращения T: 7 Период же рассчитывается через число оборотов в единицу времени: Время полета молекул от одного цилиндра до другого выражается через радиусы цилиндров и искомую скорость: В опыте Штерна смещенная полоска серебра на внешнем цилиндре оказалась размытой, что могло быть объяснено различием скоростей молекул. С повышением температуры скорость молекул . Но лишь относительно небольшое число молекул обладает очень маленькими и очень большими скоростями. Значение же скоростей подавляющего большинства молекул лежит в довольно узком диапазоне. В опытах Штерна значение именно этих скоростей получилось порядка нескольких сот метров в секунду. Физические эффекты, основанные на явлениях диффузии, хаотичного движения молекул, их взаимодействия друг с другом на малых расстояниях, находят широкое применение, как в быту, так и в технике. Так, за счет диффузии происходит Склеивание различных конструкций происходит за счет В технике существует проблема создания высокого вакуума. Он, в частности, необходим для изготовления кинескопов к телевизорам, рентгеновских трубок. Обычные механические насосы не могут понижать атмосферное давление до необходимой величины. Для решения задачи используются . МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА Газ характеризуется тремя параметрами – Эти параметры, соответственно, можно обозначить буквами латинского алфавита . Назовем эти параметры Известно, что газ оказывает давление на стенки сосуда, в который он помещен. Возникает вопрос: ПОЧЕМУ ГАЗ ДАВИТ НА СТЕНКИ СОСУДА? Параллельно можно поставить вопрос: КАК РАССЧИТАТЬ ЭТО ДАВЛЕНИЕ? Степень нагретости газа характеризуют понятием . ОПРЕДЕЛИМ ЭТО ПОНЯТИЕ С ФИЗИЧЕСКОЙ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ. Также ответим на вопрос: ЧТО ТАКОЕ ? В качестве исходной позиции при ответе на поставленные вопросы можно использовать ТРИ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ: Описывая поведение газа с позиции трех положений МКТ, будем говорить о параметрах молекул: их МАССЕ, СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ, ЭНЕРГИИ. Назовем 8 эти параметры . С учетом сказанного уточним исходную задачу: В ПРОЦЕССЕ ОПИСАНИЯ СВОЙСТВ ГАЗОВ СВЯЗАТЬ ИХТ Отвечая на первый вопрос, предположим, что давление газа на стенки сосуда объясняется Для того чтобы в процессе поиска расчетной формулы этого давления ограничиться знаниями элементарной математики и физики, введем некоторые упрощения. Форма, строение молекул достаточно сложны. Но попробуем представить их в виде . Это позволит нам применить к описанию процесса удара молекул о стенки сосуда законы механики, в частности, Будем считать, что молекулы газа находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга, так, что силы взаимодействия между ними . Если между частицами отсутствуют силы взаимодействия, соответственно, равна нулю и . Назовем газ, отвечающий этим свойствам, Известно, что молекулы газа движутся с разными скоростями. Однако, усредним скорости движения молекул и будем считать их одинаковыми. Для вычисления давления идеального газа на стенку сосуда в дальнейшем будет использоваться понятие Предположим, что удары молекул о стенки сосуда . При этом скорости молекул изменяются лишь по , а по остаются прежними. Тогда изменение скорости каждой молекулы при ударе равно . Введя такие упрощения, рассчитаем давление газа на стенки сосуда. ДАВЛЕНИЕ – ЭТО Сила действует на стенку со стороны множества молекул. Она может быть рассчитана как Так как пространство трехмерно и каждое измерение имеет два направления: положительное и отрицательное, можно считать, что в направлении одной стенки 9 движется Сила, действующая на стенку со стороны одной молекулы, рассчитывается на основе . Она равна Ускорение – это Изменение скорости равно скорости молекулы до удара.Если молекула ведет себя подобно резиновому мячику, нетрудно представить процесс удара: молекула, ударяясь, . На процесс сжатия и разжатия затрачивается время. Пока молекула действует на стенку сосуда, о последнюю успевает удариться еще некоторое число молекул, находящихся от нее на расстояниях не дальше . Будем рассматривать объем сосуда . Подставив все формулы в исходную, получаем уравнение: Величина, равная Величина С учетом называется КОНЦЕНТРАЦИЕЙ. - это этого полученное уравнение Это уравнение связывает можно переписать газа - его рамиЧитается это уравнение следующим образом: Поставим следующий вопрос: ЧТО ТАКОЕ ТЕМПЕРАТУРА? 10 в виде: с микропарамет- Для ответа на вопрос рассмотрим эксперимент. В ванну, заполненную тающим льдом, поместим по объему сосуды, заполненные при разных давлениях, так, чтобы в сосудах также было различным. Через некоторое время газы придут в состояние с тающим льдом. В этом случае можем говорить, что газы будут иметь такую же температуру, как и окружающий их лед. Эту температуру называют НУЛЕМ ГРАДУСОВ. Если все параметры газов а температура , попытаемся выяснить, какая физическая величина тоже остается для газов одинаковой. Эта величина и будет мерой Расчеты показывают, что произведение для всех газов одинаково. Следовательно, это число МОЖЕТ ЯВЛЯТЬСЯ МЕРОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ. Этот вывод следует из результатов эксперимента. Из уравнения для расчета давления газа на стенки сосуда следует, что умноженное на некоторый постоянный коэффициент , есть ни что иное, как средняя кинетическая энергия молекул - E . Но, если одинаково для всех газов, одинаковым будет и число, определяемое выражением . Следовательно, мерой температуры может являться не только найденное число, но и Вывод: ТЕМПЕРАТУРА - МЕРА Поскольку температура и средняя кинетическая энергия молекул могут являться мерой одна другой, можно было бы измерять эти величины в одних и тех же единицах: в градусах, а в джоулях. Для ответа на вопрос «КАКОВО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГРАДУСА?» воспользуемся следующими соображениями: для построения температурной шкалы Цельсия используются две опорные точки, соответствующие Интервал между ними разбивается на 100 равных частей. Состояния, соответствующие опорным точкам, характеризуются понятиями – , а величина интервала, как изменение температуры на 1 градус шкалы Цельсия. Исходя из способа построения температурной шкалы Цельсия, проведем дальнейший эксперимент так: переведем газы в состояние, характеризующееся понятием градусов Цельсия (поместим их в кипящую воду). Поскольку сосуды с газами закрыты, следует ожидать, что из параметров, введенных нами для характеристики газов, изменится лишь . Но вслед за ним изменится и величина . Расчет показывает, что эта величина изменится относительно ее предыдущего значения в раза. Во столько же раз изменится и молекул. Вычитая из значения средней кинетической энергии молекул значение и разделив полученное выражение на (число интервалов в температурной шкале), мы получим ответ на поставленный вопрос - каково 11 энергетическое содержание градуса? Оно равно: Дж, где постоянная, носящая имя немецкого физика Л. Больцмана. Если при изменении температуры всего газа на 1 градус средне-кинетическая энергия каждой молекулы изменяется на Дж, то при изменении температуры 0 газа на t средне-кинетическая энергия молекул изменяется на Дж. Составив пропорцию и решив ее, получим, что . ИЗМЕНЕНИЕ СРЕДНЕЙ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЯ МОЛЕКУЛ ГАЗА ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ИЗМЕНЕНИЮ ЕГО ТЕМПЕРАТУРЫ. Расчеты показывают: . Если уменьшать температуру, начиная от нуля градусов Цельсия, то с ее изменением на один градус Цельсия, средняя кинетическая энергия молекул газа будет уменьшаться примерно на ее значения при нуле градусов Цельсия и станет равной нулю при температуре градуса Цельсия. Шкала температур, у которой ноль соответствует такому состоянию, с интервалами, равными интервалам в шкале Цельсия, была предложена английским физиком В. Кельвином и называется ШКАЛОЙ , а сама температура, измеренная по этой шкале, называется ТЕМПЕРАТУРОЙ (обозначается ). Отсюда вытекает соотношение между температурными шкалами Цельсия и Кельвина: . Кроме того, из проведенных рассуждений вытекает, что температура не может быть как угодно малой. Если , то и . С учетом введенной шкалы связь между средней кинетической энергией молекул и абсолютной температурой приобретает вид: . Опыты показывают, что давление, объем, температура газа связаны между собой. Выяснив физический смысл, температуры мы можем установить эту связь. Давление газа на стенки сосуда связано со средней кинетической энергией молекул соотношением: . Зная, что , получаем зависимость между давлением газа, концентрацией молекул и абсолютной температурой: . В это уравнение не входит третий макроскопический параметр газа - его объем, но известно, что концентрация частиц определяется выражением: . Число молекул N в объеме V может быть выражено через число и : . Наконец, количество вещества v связано с и его соотношением: . Произведя последовательную подстановку величин в записанные уравнения и введя обозначение: (R= - величина, называемая УНИВЕРСАЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ ПОСТОЯННОЙ ), получаем искомое соотношение: . Это уравнение называется уравнением МЕНДЕЛЕЕВА-КЛАПЕЙРОНА, поскольку в таком виде было получено Д.И. Менделеевым, а несколько ранее для газа в виде: - французским инженером Клапейроном. Уравнение Менделеева - Клапейрона позволяет рассчитать один из параметров газа, если . 12 Часто встречаются процессы, когда какой-либо параметр газа остается в процессе изменения его состояния постоянным (эти процессы называются . Для таких случаев уравнение Менделеева -Клапейрона преобразуется следующим образом (предполагается, что масса газа и его состав неизменны): Если = const ( ПРОЦЕСС), то . Если = const ( ПРОЦЕСС), то . Если = const ( ПРОЦЕСС), то . Выражения, полученные как следствия уравнения Менделеева - Клапейрона, были выведены на основе обобщения большого количества экспериментальных данных раньше, чем записано это уравнение и независимо от проведенных выше рассуждений, поэтому, в силу исторических традиций, они называются не логическими следствиями, а законами (БОЙЛЯ и МАРИОТТА, ШАРЛЯ, ГЕЙ-ЛЮССАКА, соответственно, по именам открывших их ученых). Поскольку зависимости, предсказанные нами, находят свое экспериментальное подтверждение, у нас есть основания полагать, что и исходные, и промежуточные рассуждения также верны. Свойства газов находят широкое применение в технике и быту. Предварительно сжатый газ, расширяясь, может совершать . Кроме того, газов позволяет в относительно небольших объемах хранить значительные их количества. Сжатый газ необходим для многих производств. Машина, служащая для сжатия газа до избыточного давления не ниже 0,2 МПа, называется . (Машины, сжимающие газ до меньшего давления, называются ). Сжатый воздух используется, в частности, в пневматических отбойных молотках , которые, в свою очередь, применяются для . Очень хорошая сжимаемость воздуха и возможность регулировать давление, позволяют использовать его в качестве эффективного . Зависимость давления газа или его объема от температуры используется в . При сгорании горючей смеси в цилиндре, температура газа резко повышается, его давление возрастает, и газ . Находят применение и разреженные газы. Например, доильная установка на крупной ферме работает за счет разряжения, создаваемого . В медицине, для тренировки летчиков и космонавтов, используются барокамеры , в которых можно установить повышенное или пониженное давление, создать искусственную атмосферу. 13 ПАРЫ И ИХ СВОЙСТВА Поставим на горячую электроплитку чайник с небольшим количеством воды. Через некоторое время вода закипит и из носика чайника под большим давлением начнет вырываться струя водяного пара. Количество воды в чайнике будет уменьшаться, что само по себе уже свидетельствует о переходе ее в . Но обратим внимание на то, что непосредственно перед носиком чайника . Только на некотором расстоянии от носика, пар начинает ,в результате чего появляется , ПРЕДСТАВЛЯЮЩИЙ СОБОЙ ОГРОМНОЕ КОЛИЧЕСТВО . Опыт свидетельствует о том, что когда температура пара была , он не конденсировался. Вода находилась в . Когда температура понизилась, вода перешла в Явление водяного пара и образования тумана можно наблюдать и над некоторыми промышленными предприятиями. И, конечно же, замечательные природные явления – – так же представляют собой процессы парообразования и конденсации водяных паров. Круговорот воды в природе, происходящий благодаря этим явлениям, относится к наиболее масштабным и значимым для жизни явлениям природы. Существенно, что процесс испарения идет не только Этот вывод может сделать каждый, кто при обычной комнатной температуре разольет воду и некоторое время понаблюдает за ее поведением. Более того, испарение может происходить не только с поверхности жидкости, но и . Такой вывод можно сделать, При определенных условиях, в первую очередь, при понижении температуры, может конденсироваться. 14 Встречаются и другие случаи, когда нет внешних признаков испарения жидкости. Так, например, жидкость, находящаяся в ограниченном по объему закрытом сосуде, может сколь угодно долго не менять своего объема. В сырую, дождливую погоду практически бессмысленно пытаться сушить белье, даже если оно находится под навесом. Проведенные наблюдения дают нам основание считать, что процессы испарения и конденсации жидкости, имеющей свободную поверхность, идут . В открытом сосуде процесс может преобладать над процессом . В этом случае объем жидкости в сосуде с течением времени уменьшается, и над ней находится некоторое количество пара. Пар является компонентом газа, находящегося над жидкостью и вносит свой вклад в его общее давление. Если количество жидкости, имеющей свободную поверхность, остается неизменным, как, например, в плотно закрытом сосуде, это означает, что процессы испарения и конденсации Вероятно, в таком состоянии воздух . Если повысить или понизить температуру воздуха, нарушится. Вследствие этого, либо в парообразное состояние перейдет дополнительное количество жидкости, либо часть ее . НАЗОВЕМ ПАР, , НАСЫЩЕННЫМ ПАРОМ. В атмосфере количество водяного пара может меняться в широких пределах. Безотносительно указания объема, информация о содержании водяного пара в атмосфере, вообще не имеет смысла. Задавая же объем, целесообразно брать его единичное значение. НАЗЫВАЕТСЯ АБСОЛЮТНОЙ ВЛАЖНОСТЬЮ ВОЗДУХА. Для ряда задач знание абсолютной влажности воздуха необходимо. Однако в большинстве случаев нас интересует другая величина, показывающая, насколько сух или влажен воздух. Эта величина зависит не только от содержания водяного пара в воздухе, но и от Чтобы охарактеризовать степень насыщенности воздуха парами воды, можно было бы сравнивать либо их концентрацию, либо плотность при данной температуре, с соответствующими характеристиками для насыщенного пара при той же тем15 пературе. Сравнивая две величины между собой, мы приходим к понятию . Но и концентрация, и плотность пара связаны с его давлением, поэтому давление водяного пара, как составляющей части воздуха, также может быть принято за характеристику относительной влажности воздуха. ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТЬЮ ВОЗДУХА НАЗЫВАЕТСЯ . Измеряют относительную влажность воздуха обычно Одним из приборов для измерения относительной влажности воздуха является ____________________________________________________ ПРИНЦИП ЕГО РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В СЛЕДУЮЩЕМ. При понижении температуры, относительная влажность воздуха увеличивается. При некоторой температуре, называемой , водяной пар становится насыщенным. Это означает, что в воздухе находится максимально возможное количество водяных паров. Относительная влажность воздуха равна . Дальнейшее понижение температуры приводит к тому, что образующийся излишек водяных паров начинает . Для определения относительной влажности воздуха, можно искусственно понизить температуру воздуха в какой-то ограниченной области до точки . Абсолютная влажность и, соответственно, давление водяных паров при этом . Сравнивая пара при точке росы с пара, которое могло бы быть при интересующей нас температуре, мы тем самым, найдем относительную влажность воздуха. Быстрого охлаждения можно добиться при интенсивном испарении . Конденсационный гигрометр состоит из . В коробочку заливается .С помощью через коробочку прокачивается воздух. Эфир очень быстро , температура коробочки и воздуха, находящегося вблизи нее, , а влажность . При некоторой температуре, которая измеряется термометром, вставленным в отверстие прибора, поверхность коробочки . Чтобы точнее зафиксировать момент появления на поверхности коробочки , эта поверхность полируется до зеркального блеска, а 16 рядом с коробочкой для контроля располагается . Значения давления и плотности насыщенного пара при разных температурах можно найти в справочниках. ДРУГИМ ПРИБОРОМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА ЯВЛЯЕТСЯ . Психрометр состоит из . Баллончик с жидкостью одного из термометров оборачивается тряпочкой, . Благодаря этому тряпочка всегда . При испарении воды тряпочка и баллончик , вследствие чего показания влажного термометра оказываются , чем показания сухого термометра. Зная разницу показаний термометров и показания сухого термометра можно по специальным психрометрическим таблицам определить относительную влажность воздуха. Если воздух предельно насыщен водяными парами и его относительная влажность равна , показания термометров . Скорости и, соответственно, энергии молекул в жидкости неодинаковы. В ней всегда найдется какое-то число молекул, имеющих очень большие значения этих величин. И если такие молекулы будут двигаться в направлении от поверхности жидкости, они могут преодолеть силы притяжения со стороны остальных молекул и покинуть жидкость. Опираясь на приведенные рассуждения, можно представить себе механизм кипения жидкости. Если в жидкости присутствуют растворенные газы, то при ее нагревании должно происходить не только с поверхности, но и , находящихся во всем объеме жидкости. Пузырьки по мере нагревания должны расти и под действием всплывать. Если верхние слои жидкости еще не прогреты, пар в пузырьках будет и пузырьки захлопнутся. Характерный шум, возникающий перед закипанием воды, можно объяснить именно этим процессом. Когда жидкость , пузырьки перестанут захлопываться, и будут доходить до поверхности, интенсивно выбрасывая пар в атмосферу. Шум прекратится, что в действительности и происходит при закипании жидкости. Пузырьки всплывают только тогда, когда 17 . Это означает, что если увеличится давление воздуха над кипящей жидкостью, кипение Если над некипящей жидкостью давление воздуха, жидкость может закипеть даже без подвода к ней тепла. Опыт подтверждает приведенные рассуждения. Ненасыщенный пар ведет себя почти так же, как и обычный газ. В частности, при , он почти подчиняется закону Бойля-Мариотта. Однако, при сжатии воздуха, содержащего ненасыщенный пар, концентрация последнего , и он когда-то достигнет состояния . При дальнейшем сжатии часть пара начнет , и давление будет оставаться равным давлению . Наконец, весь пар и дальнейшее сжатие, теперь уже потребует колоссальных давлений. При более высокой температуре интенсивность движения молекул выше, а это значит, что состояние насыщения пара будет достигнуто при , в котором он находится и, соответственно, при . В то же время, из-за теплового расширения жидкости, полная конденсация пара произойдет при , чем в первом случае. Если эти рассуждения верны, то следует ожидать, что должна существовать некая критическая температура, при которой невозможно образование насыщенного пара. При такой температуре перегретый пар при некоторых значениях объема и давления будет непрерывно переходить . 18 Если этот процесс изобразить на графике зависимости плотности от температуры, то можно увидеть, что при критической температуре плотность жидкости сравнивается с плотностью пара, и различия между ними пропадают. Исходя из этого, можно сказать, что КРИТИЧЕСКОЙ НАЗЫВАЕТСЯ ТЕМПЕРАТУРА, . Опыт с нагреванием ампулы, которая частично заполнена эфиром, позволяет пронаблюдать критическое состояние вещества, и еще раз подтверждает правильность наших представлений о парах. ЖИДКОСТЕЙ И ИХ СВОЙСТВА С жидкостями можно проделать огромное количество интересных и простых опытов. Почти все из них не требуют специального оборудования и хорошо получаются в домашних условиях. Нальем в блюдце или в чашку немного воды и насыпем на ее поверхность тертую корковую пробку так, чтобы пробка ровным слоем покрыла всю поверхность воды. Капнем в центр кюветы немного мыльного раствора. Пробковый порошок . 19 Капнем на поверхность воды немного машинного масла. Капля . Вторая и последующая капли . Они . Если внутрь одного из таких пятен капнуть спирт, то Как только , площадь спиртового пятна . Явление протекает настолько интенсивно, что внешне напоминает . Если мыльную пленку, затягивающую проволочное кольцо с нитью, прорвать с одной стороны этой нити, пленка . Все эти, на первый взгляд различные опыты, объединяет, по крайней мере, два обстоятельства: ; . СИЛАМИ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ называются 20 . Для измерения силы поверхностного натяжения можно воспользоваться подвешенной к нему проволочкой. Изменяя , можно проследить, как при этом изменяется сила, необходимая для ее отрыва от поверхности жидкости. Опыты показывают, что СИЛА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ . КОЭФФИЦИЕНТОМ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ НАЗЫВАЕТСЯ . Чтобы получить единицу коэффициента поверхностного натяжения, его надо : . Поскольку со стороны поверхностного слоя жидкости на тела действует сила, и под действием этой силы они могут перемещаться, совершая работу, можно сделать вывод, что поверхность жидкости . ЭНЕРГИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ПРОПОРЦИОНАЛЬНА . На основе этой зависимости можно дополнить физический смысл коэффициента поверхностного натяжения. Он показывает, . Соответственно, можно получить новую единицу коэффициента поверхностного натяжения: . ОБЪЯСНИТЬ ЯВЛЕНИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОСТИ, МОЖНО ОСНОВЫВАЯСЬ НА ПРЕДСТАВЛЕНИЯХ . Вероятно, молекулы, образующие поверхностный слой жидкости, чем-то отличаются от молекул, расположенных в ее глубинных слоях. 21 Действительно, они находятся в различных условиях. Если рассматривать границу раздела жидкости и воздуха, ситуация может выглядеть следующим образом. Молекулы внутри жидкости притягиваются соседними молекулами со всех сторон, поэтому молекулярные силы здесь . Молекулы, расположенные на поверхности жидкости, притягиваются соседними молекулами в основном внутрь жидкости, так как плотность водяных паров, находящихся над жидкостью, плотности самой жидкости. Сумма сил, действующих на молекулы поверхностного слоя, направлена . Если предложенный механизм появления сил поверхностного натяжения верен, то становится понятным, что такие силы могут возникать не обязательно на границе жидкость-воздух, но и вообще на границе раздела жидкости с другой средой - газом, инородной жидкостью, твердым телом. Именно такие силы и возникали в описанных вначале явлениях. Под действием сил, направленных внутрь жидкости, число молекул на поверхности стремится . Граница раздела двух сред старается стать как можно короче. С энергетической точки зрения этот процесс также находит объяснение. Система взаимодействующих молекул стремится перейти в состояние . значению энергии соответствует площадь поверхности жидкости. Для объемных тел (при равных объемах) минимальной площадью поверхности обладает . Следовательно, жидкость, предоставленная сама себе, должна под действием сил поверхностного натяжения принять . 22 Наше умозаключение подтверждается на опыте. Капельки жидкости действительно имеют форму . Кроме того, в опыте с плоскими масляными каплями на поверхности воды можно было заметить, что капли, подплывая друг к другу, сливались в одну большую, тоже каплю. С силовой точки зрения явление объясняется так: ДЛИНА ОКРУЖНОСТИ БОЛЬШОЙ КАПЛИ СУММЫ ДЛИН ОКРУЖНОСТЕЙ КАПЕЛЬ, ИЗ КОТОРЫХ ОНА ОБРАЗОВАЛАСЬ. Соответственно, у большой капли сила поверхностного натяжения на границе, отделяющей ее от окружающей среды. Когда жидкость соприкасается с твердым телом, на границе их раздела возможны следующие ситуации. Если силы притяжения молекул жидкости друг к другу меньше сил их притяжения к молекулам твердого тела, жидкость по поверхности твердого тела и . Если же будут преобладать силы притяжения между молекулами самой жидкости, она будет стремиться принять . Поверхность твердого тела смачиваться не будет. Явления СМАЧИВАНИЯ и НЕСМАЧИВАНИЯ хорошо известны из жизни. Смачиваются асфальт, кирпич. Не смачиваются жирные поверхности, листья некоторых растений. Капельки ртути на , по той же причине, имеют форму шариков. Рассматривая механизм взаимодействия молекул граничащих сред, можно предположить, что могут существовать вещества, состоящие из длинных молекул, разные концы которых неодинаково взаимодействуют с жидкостью. Если каким-то образом удастся сориентировать молекулы такого вещества одинаковым образом, то может оказаться, что одна поверхность получившегося тела будет жидкостью, а другая поверхность того же самого тела . Опыт с застывшей на поверхности воды парафиновой пленкой убеждает нас, что действительно такие вещества существуют и парафин относится к ним. Если в жидкость опустить тонкую трубку, называемую 23 , то поверхность вещества, из которого она изготовлена, будет либо смачиваться, либо не смачиваться. В зависимости от этого, поверхность жидкости внутри трубки станет либо , либо . Соответственно, результирующая сил взаимодействия молекул жидкости и твердого тела будет направлена или , или . Уровень жидкости в капилляре изменится в том направлении, в каком действует сила. Допустим, капилляр смачивается жидкостью, и она поднимается по нему. Подъем будет происходить до тех пор, пока , действующей на жидкость. Приравняв значения этих сил и произведя ряд математических преобразований, мы можем получить уравнение, показывающее, от каких величин зависит высота подъема жидкости в капилляре: . В частности, оказывается, что эта высота находится в обратной зависимости от . Опыт с капиллярными трубками разного радиуса убеждает нас в правильности полученных выводов. Рассмотренные свойства жидкостей широко используются на практике. В частности, на явлении смачивания расплавленным оловом металлических поверхностей основана . Явление тканей, пропитанных специальными составами, используется для изготовления туристических палаток. помогает некоторым видам насекомых и паукообразных перемещаться по поверхности воды. Так, вероятно, каждый наблюдал, как движется водомерка, опираясь на воду только кончиками широко расставленных лапок, которые покрыты несмачивающимся воскообразным налетом. Пух и перья водоплавающих птиц обильно смазаны жиром, который вырабатывается специальными железами. Эффект перьев сам по себе позволяет птице держаться на поверхности воды. Кроме того, способствует “плавучести” и воздух, заключенный между перьями и не вытесняемый оттуда водой. В технике на явлении смачивания и несмачивания основан флотационный процесс обогащения руд (французский термин flottation и английский - floatation буквально означают плавание на поверхности воды). Суть этого процесса состоит в следующем. Очень сильно измельченная руда помещается в воду. Сюда же добавля24 ется вещество, обладающее способностью одну из подлежащих разделению частей и другую. Добавляемое вещество не должно в воде. Указанными свойствами обладают некоторые . Пустая порода водой и . Полезные частицы руды, покрытые тонкой пленкой добавки, водой . К ним прилипают очень мелкие пузырьки воздуха, вдуваемые в воду. За счет этого частицы переходят в пенный состав или остаются в воде во взвешенном состоянии. Это позволяет если и не полностью разделить пустую и ценную породы, то, по крайней мере, получить так называемый концентрат, дальнейшая обработка которого становится выгодной. Капиллярные явления также весьма распространены в природе и часто используются в практической деятельности человека. Дерево, бумага, кожа, кирпич и очень многие другие предметы, окружающие нас, имеют . За счет капилляров вода поднимается по стеблям растений и впитывается в полотенце, когда мы им вытирается. Кровеносная система человека, начинаясь с весьма толстых сосудов, заканчивается очень разветвленной сетью тончайших капилляров. Могут вызвать интерес, например, такие данные. Площадь поперечного сечения аорты равна 8 см2. Диаметр же кровеносного капилляра может быть в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса при длине 0,5 мм. В теле взрослого человека имеется порядка 160 млрд. капилляров. Их общая длина доходит до 80 тыс. км. По многочисленным капиллярам, имеющимся в почве, вода из глубинных слоев поднимается к поверхности и . Чтобы замедлить процесс потери влаги, разрушают путем разрыхления почвы с помощью . ТВЕРДЫЕ ТЕЛА И ИХ СВОЙСТВА Часто твердыми называют тела, которые . Однако с физической точки зрения по этим признакам бывает трудно отличить твердое и жидкое состояния вещества. Так, внешне вещества могут быть твердыми, а по строению они относятся к жидкостям. Особым классом веществ, которые по внешним признакам также могут походить на твердые тела, являются . 25 Истинно же ТВЕРДЫЕ ТЕЛА - это , самым характерным свойством которых является . Одиночные кристаллы называются . Их особенностью является АНИЗОТРОПИЯ . При охлаждении жидкостей до температуры, называемой ТЕМПЕРАТУРОЙ , начинается переход вещества из жидкого состояния в твердое. При выделяется теплота и сам процесс протекает для химически чистых жидкостей при температуре. Для начала кристаллизации в жидкости должны быть центры кристаллизации, или "затравки", роль которых могут выполнять . В этих местах в первую очередь возникает и начинается рост кристаллов. Многие свойства кристаллов могут быть объяснены при помощи основных положений молекулярно-кинетической теории. Изучение внутреннего строения кристаллов с помощью рентгеновских лучей показало, что частицы, из которых они состоят, имеют правильное расположение, называемое и образуют . ОБЯЗАТЕЛЕН ДЛЯ ИСТИННО ТВЕРДЫХ ТЕЛ. Атомы одного и того же химического элемента могут образовывать разные кристаллические решетки. Ярким примером являются пространственные решетки, образуемые . В одной из них, характерной для алмаза, четыре атома располагаются по вершинам правильного тетраэдра, в центре которого находится пятый атом. В другой, характерной для графита, атомы расположены в вершинах и образуют слои, расстояние между которыми , чем между ближайшими атомами в каждом слое. Разница в строении кристаллических решеток алмаза и графита объясняет резкое различие их физических свойств. В частности, алмаз - это . Графит, напротив, . 26 Алмаз , графит электрического тока. Однако, можно предположить, что поскольку алмаз и графит состоят из одних и тех же атомов, то их перегруппировка, если ее удастся осуществить, должна привести к появлению у вещества новых свойств и к изменению самого вещества. Действительно, как показали исследования, при кристаллическая решетка графита путем сближения и перегруппировки атомов переходит в решетку алмаза. Известно, это энергия взаимодействия между частицами зависит от В кристаллах, за счет дальнего порядка в расположении частиц, энергия их взаимодействия , чем в расплавах, находящихся при той же температуре, что и кристаллы. Эти рассуждения косвенно подтверждаются тем фактом, что для плавления кристаллического вещества . Согласно принципу минимума энергии, система частиц должна стремиться . Следовательно, при низких температурах мы можем ожидать . Приведенные рассуждения позволяют понять, почему со временем засахариваются мед и варенье. Под действием сил форма твердых тел меняется, происходит их деформация. При деформациях может меняться и объем тел. Деформации, Соответственно, , называют УПРУГИМИ. называются ПЛАСТИЧЕСКИМИ. По характеру изменения формы тела можно выделить ДЕФОРМАЦИИ РАСТЯЖЕНИЯ и СЖАТИЯ, КРУЧЕНИЯ, ИЗГИБА, и т.д. Но, как правило, все многообразие деформаций можно свести к деформациям растяжения и сжатия. Физическая величина, МАЦИЕЙ. Физическая величина, ФОРМАЦИЕЙ называется АБСОЛЮТНОЙ ДЕФО Р, называется ОТНОСИТЕЛЬНОЙ Д Е- 27 Относительная деформация показывает, . Обычно измеряют относительную деформацию в . При деформации внутри тела возникает механическое напряжение. МЕХАНИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ - это . Механическое напряжение показывает, . Чтобы получить единицу механического напряжения надо . При деформации тела зависимость механического напряжения от относительной деформации имеет сложный вид, изображаемый в виде диаграммы растяжения. По диаграмме до точки А эти величины находятся в прямой пропорциональной зависимости. До точки В тело испытывает упругие деформации. Максимальное напряжение, при котором еще не возникают заметные остаточные деформации, называют . На участке СД удлинение тела растет практически без увеличения нагрузки. Это явление называется . Далее, с увеличением деформации, кривая напряжения несколько возрастает, достигая максимума в точке Е. Затем напряжение резко падает и образец . Участок ОА диаграммы растяжения описывается законом Гука. Эксперимент показывает, что сила упругости, возникающая в теле при его малых деформациях . По другому, этот закон читается так: . Коэффициент пропорциональности в законе Гука называется модулем упругости, или МОДУЛЕМ ЮНГА. Модуль Юнга показывает, . 28 Чтобы получить единицу модуля Юнга, надо . Знание деформаций, возникающих в телах при их нагрузке, позволяет проектировать различные сооружения. Существует удобный способ прямого наблюдения деформаций, возникающих в моделях конструкций, если эти модели рассматривать в поляризованном свете. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ Первый закон термодинамики, доказавший тщетность попыток создать вечный двигатель, связан в основном с именами . Первый закон термодинамики или закон сохранения энергии для тепловых процессов, связывает , переданное системе, изменение и , совершенную системой над окружающими телами. Одна из возможных его формулировок звучит следующим образом: . показывает, какая энергия передана телу в результате теплообмена. Эта энергия может идти на нагревание тела, , , либо выделяться при противоположных процессах , конденсации, кристаллизации. Теплота выделяется при . Количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяющееся при его охлаждении, прямо пропорционально . Количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар или выделяющееся при его конденсации, массе жидкости. Количество теплоты, необходимое для плавления тела или выделяющееся при его кристаллизации, массе этого тела. Количество теплоты, при сгорании топлива, прямо пропорционально его массе. Во всех формулах, позволяющих рассчитывать количество теплоты для различных тепловых процессов, стоят коэффициенты пропорциональности, называемые , то есть приходящимися на единицу других величин. УДЕЛЬНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ ЯВЛЯЮТСЯ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ . УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ вещества показывает, . УДЕЛЬНЫЕ ТЕПЛОТЫ парообразования, плавления, сгорания показывают, . Чтобы получить единицы удельных величин, 29 . Получаем единицы: удельной теплоемкости , остальных удельных теп- лот: Передача теплоты от одного тела к другому связана с изменением энергии движения и взаимодействия молекул этого тела, называемой _________ ______________________________________________________________. Если теплота передается идеальному газу, то при этом изменяется только ________________________________________________________________________ __________________________________________________. Для вычисления внутренней энергии идеального газа необходимо ________________________________________________________________________ ____________________________________________. Число атомов, в свою очередь, может быть выражено через _____________ __________________________________________________________. Таким образом, после ряда преобразований получаем, что, для идеального газа внутренняя энергия ______________________________________________ ________________________________________________________________________ ____________________________________________. Для одноатомного газа коэффициент пропорциональности между этими величинами равен _________________________________. Для вычисления работы, совершаемой газом при изменении его объема, следует в определительной формуле работы заменить силу, действующую на поршень в цилиндре ________________________________________________________ __________________________________________________________. РАБОТА в термодинамике определяется произведением давления газа на изменение его объема: Если в процессе, происходящем с газом, его давление меняется, то для вычисления работы можно полное изменение объема разбить на элементы объемов и на отдельных участках вычислить средние значения давления. Чем меньше будет выбранный элемент объема, тем точнее вычислится работа. Работа может быть как положительной, так и отрицательной. При данной формулировке первого закона термодинамики, работа считается положительной, если газ и отрицательной, если газ . Если в газе протекают изопроцессы, первый закон термодинамики может быть записан в частном виде. При постоянной температуре изменения внутренней энергии в идеальном газе и все подводимое к газу тепло идет на : . При процессе объем газа остается постоянным. Соответственно, работа , и все подводимое тепло идет : . 30 При изобарном процессе количество теплоты, сообщаемое газу, идет АДИАБАТНЫМ называется При личиваться этом . . процессе работа совершается газом за счет убыли , либо наоборот, за счет совершения над газом работы уве. 31
