79390

Тепловое движение. Абсолютная температура как мера средней кинетической энергии частиц

Конспект урока

Педагогика и дидактика

Опытные данные лежащие в основе молекулярно-кинетической теории служат наглядным доказательством молекулярного движения и зависимости этого движения от температуры. Опыт явился одним из первых практических доказательств состоятельности молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Русский

2015-02-11

41.99 KB

11 чел.

Урок №2/42 

Тема №21: «Тепловое движение. Абсолютная температура как мера средней кинетической энергии частиц.»

1 Тепловое движение.

Опытные данные, лежащие в основе молекулярно-кинетической теории, служат наглядным доказательством молекулярного движения и зависимости этого движения от температуры. В отличие от механического движения нагревание или охлаждение тел может привести к изменению их физических свойств. Так, при сильном охлаждении вода превращается в лёд, а нагревание металла до высоких температур вызывает превращение его не только в жидкость, но и в газ.

Течение тепловых процессов непосредственно связано со структурой вещества, поэтому тепловые явления могут быть использованы для объяснения строения вещества, а строение вещества, в свою очередь, даёт нам представление о физической сущности тепловых явлений. Чтобы объяснить эти процессы и научиться управлять ими, необходимо установить законы, которым подчиняются изменения, происходящие с телами под действием теплоты. Эти законы описывают тепловую форму движения материи.

1 — платиновая проволока с нанесённым на неё слоем серебра; 2 — щель, формирующая пучок атомов серебра; 3 — пластинка, на которой осаждаются атомы серебра; П и П1 — положения полосок осажденного серебра при неподвижном приборе и при вращении прибора.

Опыт Штерна — опыт, впервые проведённый немецким физиком Отто Штерном в 1920 году. Опыт явился одним из первых практических доказательств состоятельности молекулярно-кинетической теории строения вещества. В нём были непосредственно измерены скорости теплового движения молекул и подтверждено наличие распределения молекул газов по скоростям.

Для проведения опыта Штерном был подготовлен прибор, состоящий из двух цилиндров разного радиуса, ось которых совпадала и на ней располагалась платиновая проволока с нанесённым слоем серебра. В пространстве внутри цилиндров посредством непрерывной откачки воздуха поддерживалось достаточно низкое давление. При пропускании электрического тока через проволоку достигалась температура плавления серебра, из-за чего атомы начинали испаряться и летели к внутренней поверхности малого цилиндра равномерно и прямолинейносо скоростью v, соответствующей подаваемому на концы нити напряжению. Во внутреннем цилиндре была проделана узкая щель, через которую атомы могли беспрепятственно пролетать далее. Стенки цилиндров специально охлаждались, что способствовало оседанию попадающих на них атомов. В таком состоянии на внутренней поверхности большого цилиндра образовывалась достаточно чёткая узкая полоса серебряного налёта, расположенная прямо напротив щели малого цилиндра. Затем всю систему начинали вращать с некой достаточно большой угловой скоростью ω. При этом полоса налёта смещалась в сторону, противоположную направлению вращения, и теряла чёткость. Измерив смещение s наиболее тёмной части полосы от её положения, когда система покоилась, Штерн определил время полёта, через которое нашёл скорость движения молекул:

,

где s — смещение полосы, l — расстояние между цилиндрами, а u — скорость движения точек внешнего цилиндра.

Найденная таким образом скорость движения атомов серебра совпала со скоростью, рассчитанной по законам молекулярно-кинетической теории, а тот факт, что получившаяся полоска была размытой, свидетельствовал в пользу того, что скорости атомов различны и распределены по некоторому закону — закону распределения Максвелла: атомы, двигавшиеся быстрее, смещались относительно полосы, полученной в состоянии покоя, на меньшие расстояния, чем те, которые двигались медленнее.

Результаты опыта О. Штерна подтвердили справедливость предсказанного  Р.Клаузиусом  значения скорости движения молекул газа,  послужили  ярким   доказательством  верности  полученного Д. Максвеллом закона распределения числа молекул по скоростям и явились, в конечном счете, блестящим свидетельством правильности молекулярно-кинетических представлений о строении вещества, а также статистического характера закономерностей, которым подчиняется поведение молекулярных систем.

Изобразим полученный Д. Максвеллом результат графически (рис. 5). По оси абсцисс отложим возможные различные значения скоростей молекул V и  интервалов этих скоростей ΔV. По оси ординат отложим ΔN/N·ΔV.

 

 

Рис. 5. Распределение молекул по скоростям (Т2>T1[24]

 

Площадь густо заштрихованной фигуры численно равна доле ΔN/N общего числа молекул N со скоростями между V и V + ΔV. Площадь, ограниченная кривой распределения и осью абсцисс, равна единице.

Кривые распределения молекул по скоростям имеют следующие особенности:

        они проходят через начало координат,

        асимптотически приближаются к оси абсцисс при бесконечно больших скоростях,

        имеют максимум,

        асимметричны (слева от максимума кривые идут круче, чем справа).

То, что кривая распределения проходит через начало координат, означает, что неподвижных молекул в газе нет. Из того, что кривая при бесконечно больших скоростях асимптотически приближается к оси абсцисс, следует, что слишком большие скорости молекул маловероятны. Значение наиболее вероятной скорости движения молекул соответствует максимуму кривой распределения.

Вид   функции    распределения   молекул   по скорости движения, которую  Д. Максвелл определил теоретическим  путем, качественно совпал с профилем налета атомов серебра на латунной пластинке в опыте О.Штерна.

Опыт О. Штерна (наряду с опытом Ж. Перрена) был   первым  прямым доказательством справедливости молекулярно-кинетической теории строения вещества. В настоящее время атомно-молекулярное учение подтверждено многочисленными опытами и является общепризнанным.

 

2 Модель идеального газа

Идеальным газом называют такой газ, для которого можно пренебречь размерами молекул, силами молекулярного взаимодействия; соударения молекул в таком газе происходят по закону соударения упругих шаров.

Реальные газы ведут себя подобно идеальному, когда среднее расстояние между молекулами во много раз больше их размеров.

Объём (V), давление (Р) и температура (Т) – параметры состояния газа.

3 Основное уравнение молекулярно-кинетической теории

Р = n0mvкв2                 (1)

Основное уравнение МКТ определяет макроскопическую величину – давление газа через концентрацию n0, массу m отдельных молекул и среднюю квадратическую скорость ‹vкв› их движения.

‹Е› - средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы

                      ‹Е› =  mvкв2  =>  p = n0E›                              (2)

4 Абсолютная температура как мера средней кинетической энергии частиц

E› =  kT,                              (3)

Где k = 1,38∙10-23 Дж/К – постоянная Больцмана

    [T] = 1K = 10C

Постоянная Больцмана является коэффициентом, переводящим температуру из градусной меры в энергетическую и обратно.

Кинетическая энергия не может быть отрицательной. Следовательно не может быть отрицательной и термодинамическая температура.

Абсолютный нуль температуры (0К) – температура, при которой должно прекратиться движение молекул.

Из уравнений (2) и (3):

P = n0kT

‹E› =  m‹vкв2     =>  ‹vкв› =  =

Задачи

Определите среднюю квадратичную скорость молекул кислорода и аргона в воздухе при температуре 200С.

Идеальный газ оказывает на стенки сосуда давление 1,01∙105 Па. Тепловая скорость молекул 500 м/с. Найдите плотность газа.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50878. Создание программного продукта линейной структуры в среде Delphi 258.5 KB
  Одни типы уже определены в языке другие программисту приходится задавать самому. Типы данных определяемые пользователем обычно задаются в разделе описания типов программы или модуля unit однако тип можно делать и внутри процедур и функций. Внутри же они заменяют все внешние типы с тем же именем. Простые типы данных Порядковые типы Целые типы Символьные типы Булевы типы Перечисляемые типы Поддиапазонные типы Любой реально существующий тип данных каким бы сложным он не казался на первый взгляд представляет собой простые...
50879. Парольная защита. Исследование программных аспектов парольной защиты 148 KB
  Исследовать зависимость длины пароля при фиксированных значениях от вероятности подбора пароля для заданных значений. Результаты работы предоставить в виде отчета: а краткое содержание последовательного порядка выполненных работ б по результатам решения задач построить график зависимостей S = fP проанализировать полученные зависимости и сформулировать выводы о том каким образом величина вероятности угадывания подбора пароля влияет на параметры: 1 длину пароля; 2 время жизни пароля при заданных значениях длины пароля и времени...
50880. Интерактивные элементы. Action Script 365 KB
  Кнопки Основное отличие кнопок состоит в том что они предназначены для реагирования на действия пользователя например нажатия на саму кнопку ее клавишный аналог или активную область в фильме. Timeline кнопки содержит всего четыре кадра: Up обычное состояние кнопки. Over изменение кнопки при нахождении над ней мыши. Если у вас будет несколько одинаковых кнопок достаточно создать только один образец кнопки накладывая на него необходимые надписи меняя цвет или размер экземпляров.
50881. Программирование в Delphi. Разработка программ с ветвлением 796.5 KB
  Например: Величина сопротивления равна нулю Ответ правильный Сумма покупки больше 300 рублей В программе условие это выражение логического типа Boolen которое может принимать одно из двух значений: True истина или Flse ложь. Операторы сравнения Оператор Описание Результат сравнения Больше True если первый операнд больше второго иначе Flse Меньше True если первый операнд меньше второго иначе Flse = Равно True если первый операнд равен второму иначе Flse Не равно True если первый операнд не равен второму иначе Flse =...
50882. Анимация во Flash mx 2004 9.29 MB
  Практическая часть Задание: Ознакомьтесь с ключевыми принципами работы с анимацией во FLSH MX 2004. Анимация и интерактивные мультимедийные приложения вот то что привлекает к Flsh MX 2004 большинство пользователей. Если его нет когда вы только запустили программу либо закрыли проект Timeline Временная шкала не будет отображена в рабочем окне Flsh.
50883. Временные характеристики линейных систем управления. Определение реакции системы на произвольное входное воздействие 237.5 KB
  Определение свободного и вынужденного движения системы. при ненулевых начальных условиях Cхема моделирования системы с использованием пакета Simulink Осциллограмма системы. Определить с использованием пакета Simulink реакцию системы с передаточной функцией при подаче на вход сигнала: 1. Определение реакции системы на сигнал сложной формы.
50884. Программирование в Delphi. Разработка программ со сложным ветвлением 737 KB
  Даны три стороны а в с. Если все стороны равны то Равносторонний если две стороны равны Равнобедренный если стороны не равны Разносторонний Даны три числа найти сумму отрицательных из них Даны три числа возвести в квадрат те из них значения которых не отрицательны а затем сложить. Даны три числа найти произведение тех чисел значение которых положительны Составить программу определяющую уровень облученности студента низкий средний достаточный высокий по его среднему балу Даны три числа вычислите корень...
50885. Анимация движения во FLASH MX 2004. Движение по маршруту. Программная анимация 4.82 MB
  Анимация трансформации формы (морфинг). Этот вид анимации следует реализовывать тогда, когда один графический объект мультфильма должен плавно видоизмениться в другой. Вы задаете только начальную и конечную формы, а промежуточные кадры будут заполнены автоматически.
50886. Программирование в Delphi. Разработка циклических программ. Цикл с пошаговой сменой аргумента 5.46 MB
  Научиться составлять и реализовывать программы решения задач с использованием оператора цикла с пошаговой сменой аргумента FOR. Эта последовательность действий образует тело цикла. В теле цикла используется переменная которая при каждом повторении тела цикла меняется и определяет число повторений цикла. Такая переменная называется параметром цикла.