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

31307. Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної дисципліни «Теорiя електропривода» (частина I) 2.27 MB
  Гальмівний режим Залежно від того як використовується перетворена електрична енергія існує декілька гальмівних режимів: режим рекуперативного гальмування або генераторний режим із віддачею енергії у мережу; при цьому активна механічна потужність із вала двигуна перетворюється в електричну і за відрахуванням втрат віддається в мережу тобто. Перехід із рушійного режиму в режим рекуперативного гальмування здійснюється при кутовій швидкості двигуна вище кутової швидкості ідеального холостого ходу; режим противмикання; при цьому двигун...
31308. «ТЕОРIЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДA» (ЧАСТИНА IІ) 4.07 MB
  1 На відміну від каскаду сталої потужності додаткова ЕРС вводиться в ротор АД від машини постійного струму механічно не зв’язаної з валом робочого двигуна рис. Очевидно що і потужність приводного двигуна ПД МПС повинна бути в цьому випадку однаковою з потужністю АД. машини постійного струму і випрямленої напруги ротора асинхронного двигуна. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2 ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГУНА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ В СИСТЕМІ КВ – Д МЕТА РОБОТИ Одержати експериментально швидкісні і за допомогою розрахунку –...
31309. Методичні вказівки щодо оформлення дипломних проектів (робіт) для студентів денної та заочної форм навчання 1.08 MB
  Зразок обкладинки дипломної роботи. Додаток Б Зразок обкладинки дипломного проекту. Додаток В Зразок титульної сторінки комплексного дипломного проекту Додаток Г Зразок титульної сторінки дипломного проекту. Додаток Д Оформлення аркуша технічного завдання на дипломний проект роботу Додаток Е Оформлення відомості дипломного проекту.
31310. ФОРМИРОВАНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ВРЕМЕНИ И ПРОСТРАНСТВЕ У ДЕТЕЙ ДОШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА СРЕДСТВАМИ ИСКУССТВА 139.5 KB
  Выявить особенности представлений детей о пространстве и времени, отражённых в различных видах искусства. Разработать содержание и методы, обеспечивающие формирование представлений и времени и о пространстве, сохраняющих культурные ценности. Разработать целостную систему занятий по формированию представлений о пространстве и времени для детей 5-7 лет...
31311. Обучающая подсистема для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет 3.05 MB
  В данном дипломном проекте рассматривается Обучающая подсистема для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет. В экономической части дается техникоэкономическое обоснование разработки Обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет с помощью частотных критериев устойчивости проводится расчет ее сметной стоимости и стоимости эксплуатации.1 Описание предметной области по характеристикам и частотным показателям качества САУ .
31312. Экспериментальная работа по ознакомлению детей старшего дошкольного возраста с Олимпийскими играми 281 KB
  Теоретические основы формирования представлений у детей старшего дошкольного возраста об Олимпийских играх. Научные основы развития детей старшего дошкольного возраста посредством олимпийского образования. Специфика формирования представлений детей старшего дошкольного возраста об Олимпийских играх 22 Выводы 31 II. Экспериментальная работа по ознакомлению детей старшего дошкольного возраста с Олимпийскими играми 2.
31313. Строительство электрической сети и расчет капитальных вложений 5.39 MB
  Без учета влияния cosφ определим по формуле: β –стоимость потерянного кВтч равная 105 руб. кВтч или 1050 руб. На распределительном силовом щите РСЩ отключить рубильник блока профилактируемой камеры. На рукоятке рубильника повесить плакат Не включать Работают люди.
31314. Особенности обращения взыскания на заработок и иные доходы должника-гражданина 325 KB
  Целью дипломного исследования является комплексное рассмотрение теоретических и практических проблем, формулирование предложений по совершенствованию законодательства, касающегося вопросов обращения взыскания на заработок и иные доходы должника - гражданина, и практики его применения.