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

10 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

82193. Сучасні українці — жертви алкогольної реклами 2.99 MB
  Текст вірша: Всі ті, хто за тверезу Україну Підняти хочуть Україну із руїни. Що не дає тобі цвісти, Вкраїно-ненько? Ой, страшний є у мене, лютий вороженько. Найбільша цінність наша — хто? Це наші діти. Їх, молодих, найбільше хоче він споїти. Ой, як голівоньку їм нелюди морочать: Позбавить розуму всю нашу молодь хочуть!
82194. Олимпийский урок 53.5 KB
  Познакомить с историей Олимпийских игр. Чего вы ожидаете от предстоящих зимних Олимпийских игр в России К нам приедет много гостей построят спортивные комплексы. Последние зимние Олимпийские игры прошли в Италии в городе Турине в 2006 г. XXII летние Олимпийские игры состоялись в Москве в1980 г.
82195. Осінь-чарівниця 891.5 KB
  Мета: учити дітей бачити зміни природи восени, виховувати у дітей естетичних почуття, любов до природи рідного краю, уміння розуміти її красу, уловлювати настрій, викликаний картинами природи; розширити кругозір дітей, сприяти розвитку інтересу до явищ природи та її загадок.
82196. Великие реформы 60 -70-х гг. XlX века 49.38 KB
  Начиная эту реформу правительство Александра ll надеялось провести модернизацию общества которая была так важна России в этот период. Однако отмена крепостного права не могла пройти бесследно для России так как господствовал крепостной строй. должны были способствовать ускорению или торможению модернизации России...
82197. Потребление. Потребитель. Права потребителей и их защита 51.95 KB
  Словарь урока: потребитель продавец недостаток товара материальный ущерб моральный вред гарантийный срок срок годности срок службы товара. Право на информацию о товарах услугах работах. Она нужна чтобы потребитель смог сделать правильный выбор для этого ему нужно знать качества и свойства того или иного товара.
82198. Реки России 104.5 KB
  Цель урока: Изучить особенности рек России. Расширить и углубить знания о реках. Сформировать понятия базис эрозии, уклон, падение реки, расход воды в реке, годовой сток, твёрдый сток. Показать влияние климата и рельефа на реки. Формировать умение определения уклона и падения реки.
82199. Люди Средневековья. Рыцари 51.5 KB
  Ожидаемые результаты: в ходе урока учащиеся смогут: описывать жилище и снаряжение рыцаря, «рыцарский турнир»; называть термин по описанию явления; определять личностные качества и идеалы рыцаря на основе анализа рыцарских девизов и фрагментов литературных произведений.
82201. Жовте листячко летить, під ногами шелестить 114.5 KB
  Мета: Закріпити основні поняття про речення; формувати вміння узагальнювати і систематизувати знання з теми. Розвивати зв’язне мовлення, інтонаційну виразність логічне мислення, пізнавальні та пошукові інтереси школярів, мовленнєві здібності викликати бажання творити і розмовляти українською мовою.