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

8 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

51423. Пуск теплофикационной турбины на ТЭЦ с поперечными связями 30.81 KB
  Произвести совместно с электромонтером по обслуживанию электрооборудования электростанции со щита управления проверку командного аппарата и наличие напряжения на вспомогательном оборудовании турбины. Проверить наличие исправное внешнее состояние и подключение контрольноизмерительных приборов на щите турбины и по месту установки контактов на контактных манометрах и в случае какойлибо неисправности доложить начальнику смены станции.Записать в оперативный журнал и суточную ведомость показание указателя теплового расширения корпуса турбины.
51427. Сводные таблицы 59.5 KB
  Заголовок поля. Надпись описывающая содержимое поля. Элемент поля т. Его поля конкретные значения.
51428. Работа со списками 36 KB
  Вводится предложение как список слов. Если число N в предложении меньше 5-ти, то список остается без изменений; если число слов N больше 5-ти, но меньше или равно 10-ти, то список разбивается на два подсписка и т.д. Все подсписки, кроме последнего, должны содержать по 5 слов.
51430. Родственные отношения 119.5 KB
  Составить родословную своей семьи, использовав 10-12 отношений родитель. Определить предикат пол для каждого члена семьи. Определить предикаты мать, отец, дядя, тетя, кузен, дед, внук. Определить рекурсивный предикат предок.