Температура энергия теплового движения молекул реферат

Обновлено: 04.07.2024

Тепловое движение и температура. Постоянная Больцмана

В тепловом движении участвуют все молекулы вещества, поэтому с изменением характера теплового движения изменяется и состояние вещества, его свойства. Так, при повышении температуры вода закипает, превращаясь в пар. Если понижать температуру, вода замерзает и из жидкости превращается в твёрдое тело.

Температура является мерой интенсивности теплового движения молекул и характеризует состояние теплового равновесия системы макроскопических тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

Температуру измеряют термометром. В любом термометре используется изменение какого-либо макроскопического параметра в зависимости от изменения температуры.

Единицей измерения температуры в системе единиц СИ является градус Кельвина (К). Формула перехода от шкалы Цельсия к шкале температур Кельвина (абсолютной шкале) имеет вид:

где температура по шкале Цельсия.

Минимальной температуре соответствует нуль по абсолютной шкале. При абсолютном нуле тепловое движение молекул прекращается.

Чем выше температура тела, тем больше скорости теплового движения молекул, а, следовательно, тем большей энергией обладают молекулы тела. Таким образом, температура служит мерой кинетической энергии теплового движения молекул.

Средняя квадратичная скорость движения молекул

Средняя квадратичная скорость движения молекул вычисляется по формуле:

$<\overline<v> >_=\sqrt,>$

$k=1,38\cdot <10> где постоянная Больцмана, ^$
Дж/К.

Средняя кинетическая энергия движения одной молекулы

Средняя кинетическая энергия движения одной молекулы:

$\overline<E> =\frac<m_0<<\overline<v>>_>^2>=\frackT$

Физический смысл постоянной Больцмана заключается в том, что эта постоянная определяет связь между температурой вещества и энергией теплового движения молекул этого вещества.

Важно отметить, что средняя энергия теплового движения молекул зависит только от температуры газа. При данной температуре средняя кинетическая энергия поступательного хаотического движения молекул не зависит ни от химического состава газа, ни от массы молекул, ни от давления газа, ни от объема, занимаемого газом.

Примеры решения задач

Задание	Какова средняя кинетическая энергия молекул аргона, если температура газа $<17>^\circ$ С?
Решение	Средняя кинетическая энергия молекул газа определяется по формуле:

$\overline<E> =\frackT$

Переведем единицы в систему СИ: .

$k=1,38\cdot <10> Постоянная Больцмана ^\ /$
.

$\overline<E> =\frac\cdot 1,38\cdot ^\cdot 290=6\cdot ^\ J$

Задание	На сколько процентов увеличится средняя кинетическая энергия молекул газа при изменении его температуры от 7 до $<35>^\circ С$ ?
Решение	Средняя кинетическая энергия молекул газа определяется соотношением:

$\overline<E> =\frackT$

Изменение средней кинетической энергии вследствие изменения температуры:

$\triangle \overline<E> =<\overline<E>>_2-<\overline<E>>_1=\frack\left(T_2-T_1\right)$

Процентное изменение энергии:

$\frac<\triangle \overline<E> >\cdot 100\%=\frack\left(T_2-T_1\right)>kT_1>\cdot 100\%=\frac\cdot 100\%$

$T_1=280K;\ \ T_2=308\ K$

Переведем единицы в систему СИ: .

$\frac<\triangle \overline<E> >\cdot 100\%=\frac\cdot 100\%=10\%$

Задание	Во сколько раз средняя квадратичная скорость пылинки массой $1,75\cdot <10>^$ кг, взвешенной в воздухе, меньше средней квадратичной скорости движения молекул воздуха?
Решение	Средняя квадратичная скорость пылинки:

$<\overline<v> >_=\sqrt,>$

средняя квадратичная скорость молекулы воздуха:

$<\overline<v> >_=\sqrt.>$

Масса молекулы воздуха:

$m_2=\frac<\mu> $

$\mu =0,029\ <kg> где молярная масса воздуха, /$
.

С учетом этого средняя квадратичная скорость молекулы воздуха:

$<\overline<v> >_=\sqrt<\mu>.>$

$\frac<<\overline<v> >_><<\overline<v>>_>=\frac<\mu>.>>,>>=\sqrt_A><\mu>>\$

$N_A=6,02\cdot <10> Число Авогадро ^\ ^$
.

$\frac<<\overline<v> >_><<\overline<v>>_>=\sqrt^\cdot 6,02\cdot ^>>=6\cdot ^6$

На уроке рассматриваются понятия: температура и тепловое равновесие; шкалы Цельсия и Кельвина; абсолютная температура как мера средней кинетической энергии теплового движения частиц вещества, зависимость давления от концентрации молекул и температуры.

Глоссарий по теме:

Макроскопические параметры - величины объём V, давление p и температура t, характеризующие состояние макроскопических тел без учёта их молекулярного строения.

Температура характеризует степень нагретости тела (холодное, тёплое, горячее).

Температура (от лат. temperatura — надлежащее смешение, соразмерность, нормальное состояние) - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Тепловым равновесием называют – такое состояние тел, при котором температура во всех точках системы одинакова.

Тепловым или термодинамическим равновесием, изолированной системы тел, называют состояние, при котором все макроскопические параметры в системе остаются неизменными.

Термометр — это прибор для измерения температуры путём контакта с исследуемым телом. Различают жидкостные, газовые термометры, термопары, термометры сопротивления.

Абсолютная температура Т прямо пропорциональна температуре Θ (тета), выражаемой в энергетических единицах (Дж).

Абсолютный нуль - предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объёме или объём идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении.

Абсолютный нуль – температура, при которой прекращается тепловое движение молекул.

Абсолютная шкала температур (Шкала Кельвина) – здесь нулевая температура соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры равна градусу по шкале Цельсия.

Кельвин - единица абсолютной температуры в Международной системе измерений (СИ).

Постоянная Больцмана – коэффициент, связывает температуру Θ энергетических единицах (Дж) с абсолютной температурой Т (К).

Абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии молекул.

Давление газа прямо пропорционально концентрации его молекул и абсолютной температуре Т.

Закон Авогадро – в равных объёмах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул

Обязательная литература:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 195 – 203.

Дополнительная литература:

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Измеряя расположение звёзд на небе, расстояния на земле, время, люди знали, для чего они это делают и изобретали, телескопы, часы, прототипы современных линеек. О температуре такого же сказать было нельзя. О том, что такое тепловое равновесие и что означает степень нагрева тела (температура), существовали разные мнения. Но человек с незапамятных времен точно знал, что, когда два тела плотно соприкасаются, между ними устанавливается, выражаясь современным языком, тепловое равновесие.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходят в состояние теплового равновесия.

Тепловым равновесием называют такое состояние тел, при котором температура во всех точках системы одинакова.

К числу характеристик состояния макроскопических тел (твёрдых тел, жидкостей, газов) и процессов изменения их состояний, относят объём, давление и температуру. Эти величины описывают в целом тела, состоящие из большого числа молекул, а не отдельные молекулы. При этом микроскопические процессы внутри тела не прекращаются при тепловом равновесии: расположения молекул всё время меняются и меняются их скорости при столкновениях.

Величины объём, давление и температуру, характеризующие состояние макроскопических тел без учёта их молекулярного строения, называют макроскопическими параметрами.

Для точной характеристики нагретости тела, необходим прибор, способный измерить температуры тел и дать возможности их сравнения.

В 1597 году Галилей создал термоскоп, в собственных сочинениях учёного нет описания этого прибора, но его ученики засвидетельствовали этот факт. Аппарат представлял собой устройство для поднятия воды при помощи нагревания.

Изобретение термометра, данные которого не зависели бы от перепадов атмосферного давления, произошли благодаря экспериментам физика Э. Торричелли, ученика Галилея.

Во всех приборах, изобретённых в XVIII веке, измерение температуры было относительно расширению столбика воды, спирта или ртути и произвольности выбора начала отсчёта, т.е. нулевой температуры. Наполняющие их вещества замерзали или кипели и этими термометрами нельзя было измерять очень низкие или очень высокие температуры. Необходимо было изобрести такую шкалу, чтобы избавиться от зависимости выбранного вещества, на основе которого формировалось градуирование.

Шкала, предложенная шведским учёным Андерсом Цельсием в 1742 г., точно устанавливала положение двух точек: 0 и 100 градусов. По шкале Цельсия температура обозначается буквой t, измеряется в градусах Цельсия (ºС).

На территории Англии и США используется шкала Фаренгейта. Такая шкала была предложена немецким учёным Даниелем Габриелем Фаренгейтом в 1724 г.: 0 °F — температура смеси снега с нашатырём или поваренною солью, 96 °F —температура здорового человеческого тела, во рту или под мышкой.

Рене Антуан де Реомюр не одобрял применения ртути в термометрах вследствие малого коэффициента расширения ртути. В 1730 году изобрёл водно-спиртовой термометр и предложил шкалу от 0 до 80°.

Шкала Реомюра очень долго использовалась на родине учёного во Франции вплоть до настоящего времени.

Различные жидкости при нагревании расширяются не одинаково. Поэтому расстояния на шкале между нулевой отметкой 0 °C и 100 °C будут разными.

Однако существует способ создать тело, которое приближенно обладает нужными качествами. Это идеальный газ. Было замечено, что в отличие от жидкостей все разряжённые газы – водород, гелий, кислород – расширяются при нагревании одинаково и одинаково меняют своё давление при изменении температуры. Это свойство газов позволяет избавиться в термометрах от одного существенного недостатка шкалы Цельсия – произвольности выбора начала отсчёта, то есть нулевой температуры.

При тепловом равновесии, если давление и объём газа массой m постоянны, то средняя кинетическая энергия молекул газа должна иметь строго определённое значение, как и температура.

Практически такую проверку произвести непосредственно невозможно, но с помощью основного уравнения молекулярно-кинетической теории её можно выразить через макроскопические параметры:

; ; ; ;

Если кинетическая энергия действительно одинакова для всех газов в состоянии теплового равновесия, то и значение давления р должно быть тоже одинаково для всех газов при постоянном значении отношения объёма к числу молекул. Подтвердить или опровергнуть данное предположение может только опыт.

Возьмём несколько сосудов, заполненных различными газами, например, водородом, гелием и кислородом. Сосуды имеют определённые объёмы и снабжены манометрами, для измерения давления газов в сосудах. Массы газов известны, тем самым известно число молекул в каждом сосуде. Приведём газы в состояние теплового равновесия. Для этого поместим их в тающий лёд и подождём, пока не установится тепловое равновесие и давление газов перестанет меняться.

Здесь устанавливается тепловое равновесие и все газы имеют одинаковую температуру 0 °С. При этом показания манометра показывают разное давление р, объёмы сосудов V изначально были разными и число молекул N различно, так как газы, закаченные в баллоны разные. Найдём отношение для водорода всех параметров для одного моля вещества:

Такое значение отношения произведения давления газа на его объём к числу молекул получается для всех газов при температуре тающего льда. Обозначим это отношение через Θ₀ (тета нулевое):

Таким образом, предположение, что средняя кинетическая энергия, а также давление р в состоянии теплового равновесия одинаковы для всех газов, если их объёмы и количества вещества одинаковы или если отношение

Если же сосуды с газами поместить в кипящую воду при нормальном атмосферном давлении, то согласно эксперименту, отношение макроскопических параметров будет также одинаковым для всех газов, но значение будет больше предыдущего

Отсюда следует, что величина Θ растёт с повышением температуры и не зависит от других параметром, кроме температуры. Этот опытный факт позволяет рассматривать величину Θ тета как естественную меру температуры и измерять в энергетических единицах — джоулях.

А теперь вместо энергетической температуры введём температуру, которая будет измеряться в градусах. Будем считать величину тета Θ прямо пропорциональной температуре Т, где k- коэффициент пропорциональности

Так как , то тогда

По этой формуле вводится температура, которая даже теоретически не может быть отрицательной, так как все величины левой части этого равенства больше или равны нулю. Следовательно, наименьшим значением этой температуры является нуль, при любом другом параметре p, V, N равным нулю.

Предельную температуру, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объёме или при которой объём идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении, называют абсолютным нулём температуры.

В 1848 г. английскому физику Вильяму Томсону (лорд Кельвин) удалось построить абсолютную температурную шкалу (её в настоящее время называют шкалой Кельвина), которая имеет две основные точки 0 К (или абсолютный нуль) и 273К, точка в которой вода существует в трёх состояниях (в твёрдом, жидком и газообразном).

Абсолютная температурная шкала — шкала температур, в которой за начало отсчёта принят абсолютный нуль. Температура здесь обозначается буквой T и измеряется в кельвинах (К).

На шкале Цельсия, есть две основные точки: 0°С (точка, в которой тает лёд) и 100°С (кипение воды). Температура, которую определяют по шкале Цельсия, обозначается t. Шкала Цельсия имеет как положительные, так и отрицательные значения.

Из опыта мы определили значения величины Θ (тета) при 0 °С и 100 °С. Обозначим абсолютную температуру при 0 °С через Т₁, а при 100 °С через Т₂. Тогда согласно формуле:

Отсюда можно вычислить коэффициент k, который связывает температуру в Θ энергетических единицах (Дж) с абсолютной температурой Т (К)

k = 1,38 • 10 -23 Дж/К - постоянная Больцмана.

Зная постоянную Больцмана, можно найти значение абсолютного нуля по шкале Цельсия. Для этого найдём сначала значение абсолютной температуры, соответствующее 0°С:

значение абсолютной температуры.

Один кельвин и один градус шкалы Цельсия совпадают. Поэтому любое значение абсолютной температуры Т будет на 273 градуса выше соответствующей температуры t по Цельсию:

Теперь выведем ещё одну зависимость температуры от средней кинетической энергии молекул. Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории и уравнения для определения абсолютной температуры

Здесь видно, что левые части этих уравнений равны, значит правые равны тоже.

Средняя кинетическая энергия хаотического поступательного движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре.

Абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии движения молекул.

Из выведенных формул мы можем получить выражение, которое показывает зависимость давления газа от концентрации молекул и температуры

Из этой зависимости вытекает, что при одинаковых давлениях и температурах концентрация молекул у всех газов одна и та же. Отсюда следует закон Авогадро, известный нам из курса химии.

Закон Авогадро: в равных объёмах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул.

Рассмотрим задачи тренировочного блока урока.

1. При температуре _______ (37 0 C; 283 0 C; 27 0 C) средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул равна 6,21·10 -21 Дж.

k = 1,38 • 10-23 Дж/К - постоянная Больцмана

Запишем значение средней кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул с зависимостью от абсолютной температуры:

Отсюда выразим Т:

Соотношение между абсолютной температурой и температурой в градусах Цельсия:

Подставим значение абсолютной температуры:

Правильный вариант ответа:

2. При температуре 290 К и давлении 0,8 МПа, средняя кинетическая энергия молекул равна __________ Дж, а концентрация составляет молекул ___________ м -3 .

р = 0,8 МПа =0,8·10 6 Па

k = 1,38 • 10 -23 Дж/К - постоянная Больцмана

Значение средней кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул:

Молекулярная физика- это раздел физической науки, который изучает зависимость агрегатных состояний и свойств тел от их строения, взаимодействия между частицами, из которых состоят тела, характера движения этих частиц. Уже давно доказано, что все тела состоят из атомов, молекул или ионов, находящихся в непрерывном хаотическом тепловом движении. Теория, основанная на этих представлениях называется молекулярно-кинетической. Её основоположником является М.В. Ломоносов (XVIIIв).

Во второй половине прошлого столетия выдающиеся физики Д.Джоуль, Р.Клаузиус, Д.Максвелл, Л.Больцман и другие в своих работах продолжили всестороннее изучение молекулярно-кинетической теории, нашедшей применение во многих областях физики и химии.

Число атомов (молекул) в любом теле огромно. Например в 1 м 3 газа при обычных давлениях и температурах содержится порядка 10 25 молекул, а в жидких и твердых телах- порядка 10 28 молекул. Физические свойства макроскопических систем, состоящих из очень большого числа частиц, изучаются двумя взаимодополняющими друг друга методами: статистическим и термодинамическим. Статистический метод основан на использовании теории вероятностей и определенных моделей строения систем. Например, в газах по теории вероятностей можно определить среднее значение скоростей теплового движения молекул и их энергий, найти зависимость температуры от средней энергии колебательного движения частиц в твердом теле. Законы движения отдельных частиц после усреднения по всей системе определяют свойства системы частиц.

Термодинамический метод - это метод в котором не рассматриваются внутреннее строение изучаемых тел и характер движения их отдельных частиц. Этот метод основан на анализе условий и количественных соотношений при различных превращениях энергии, происходящих в системе. Раздел физики, в котором физические свойства тел изучаются с помощью термодинамического метода - называется термодинамикой. Макроскопическая система, изучаемая в термодинамике называется термодинамической системой. Физические величины, которые служат для характеристики термодинамической системы, называются термодинамическими параметрами. К ним относятся: давление, объем, температура, концентрация и другие. В нашей лекции мы остановимся подробно на одной из этих характеристик, а именно температуре.

Температура

Измерение температуры

При измерении температуры, которое можно производить только косвенным путем, используется зависимость от температуры целого ряда физических свойств тела, поддающихся прямому или косвенному измерению. Например, при изменении температуры тела изменяются его длина, объем, плотность, упругие свойства, электрическое сопротивление и т.д. Изменение любого из этих свойств является основой для измерения температуры. Для этого необходимо знать функциональную зависимость определенного свойства от температуры. Для практических измерений температуры применяются температурные шкалы, установленные с помощью термометрических тел (вода, спирт, ртуть, металлы и т.д.).

Изобретение первого термометра приписывают Галилею. При повышении температуры воздух, находящийся в шарике термометра, расширялся и заставлял воду в трубке опускаться на несколько делений вниз. Чтобы этот прибор мог называться термометром он должен иметь шкалу. Первый термометр был несовершенен. На его показания влияло не только изменение температуры, но и атмосферное давление. Термометр Галилея не имел нулевого деления и градусы были совершенно произвольны, поэтому показания различных термометров были разными. Нуль на термометрическую шкалу впервые поместил бургомистр города Магдебурга Отто Герике. Этот термометр состоял из медного шара с U-образной трубкой, в которую был налит спирт. На поверхности спирта плавал поплавок, а от него шла нитка, перекинутая через блок. На конце нитки была подвешена фигурка ангела, державшего в руке палочку, которой он показывал деление шкалы, нарисованной на стене дома. За нуль Герике выбрал температуру осеннего дня 1660 года, когда был первый заморозок в городе Магдебурге. Недостатки термометра Герике были точно такие же, что и у термометра Галилея. В термометре Геомюра один градус обозначал расширение спирта на 0,001 первоначального объема. За нуль он принял температуру тающего льда, вода при таком масштабе кипела при температуре 80 0 . Фаренгейт на шкале своего термометра за нуль градусов принял наиболее низкую, искусственно достигнутую температуру смеси снега, соли и нашатыря, чтобы избежать отрицательных значений температур. На термометре Цельсия первоначально за нуль была принята точка кипения воды, а точка замерзания воды соответственно за 100 0 . Лишь в 1742 году была введена современная шкала этого термометра. Из истории создания термометра можно сделать вывод, что нуль шкалы, т.е. исходная точка для отсчета температуры, была выбрана произвольно. Кроме того, на показания термометра большое влияние оказывает выбор вещества, которым заполнена трубка. Значит ни одна шкала, несмотря на совершенство изготовления, не может служить абсолютной шкалой температур. Между тем , точное определение температуры не должно зависеть от выбора вещества. Такой шкалой стала шкала температур Кельвина.

В основу "термодинамической шкалы температур" или шкалы Кельвина положена формула ɳ = (T1 - Т2)/ T1 . Эта формула не содержит величин, зависящих от природы вещества. Температура исходной точки термодинамической шкалы (абсолютный нуль) по шкале Цельсия (стоградусной шкале) равна: 0 0 - 273,150= - 273,150 С.

Т= t +273, где Т - абсолютная температура (К), t - температура по шкале Цельсия (С).

Понятие абсолютного нуля можно объяснить исходя из молекулярно-кинетических представлений. Так как давление газа вызвано ударами беспорядочно движущихся молекул о стенки сосудов, то по мере понижения его температуры до нуля прекращается тепловое поступательное движение молекул. Но нельзя замедлить полностью движение молекул после того, как их поступательное движение прекратилось. Сохраняется вращательное движение молекул, колебательное движение атомов, элементарных частиц. Температура, при которой прекращается тепловое поступательное движение молекул, называется абсолютным нулем. При абсолютном нуле у частиц остается некоторая энергия, называемая "нулевой энергией". Мысль о том, что должден существовать такой нижний предел температуры, при котором прекращается тепловое движение молекул высказывал М.В. Ломоносов. У вещества при температурах близких к абсолютному нулю проявляются неожиданные новые свойства. Изучение этих свойтв началось с тех пор, как Фарадею удалось получить жидкий аммиак, хлор, углекислый газ. Ученых XIX века поражали свойства сжижаемых газов. При испарении эти сжиженные газы сильно охлаждались, и с помощью их удавалось перевести в жидкое сотояние следующий, более стойкий газ. Но некоторые газы, среди них и воздух, не сжижались ни под каким давлением.

Свойства вещества вблизи абсолютного нуля

В 1860 году Д.И. Менделееев пришел к мысли, что для всякой жидкости существует предельная температура, выше которой она может быть только паром или газом, каким бы высоким не было внешним давление. Эту температуру сейчас называют "критической температурой". Чтобы перевести газ в жидкое состояние, нужно охладить его до температуры ниже критической. Физики достигли таких низких температур, что от абсолютного нуля их отделяет всего 0,00002 0 С. В настоящее время в жидкое, а затем твердое состояние переведены все известные газы. В этих состояниях они широко используются в различных областях деятельности человека. Гелий- единственный газ, который не может быть обращен в твердое состояние без сжатия его до давления 2,5*10 6 Па и выше. Именно при исследовании гелия открылся мир необычайных явлений противоречащих обычным представлениям о свойствах вещества.

В 1938 году академиком П.Л.Капицей было открыто явление "сверхтекучести" гелия. Жидкий гелий оказался жидкостью наделенной необыкновенными свойтвами. При температуре Т= 2,18 К (-271 0 С) жидкий гелий, внезапно, скачком совершенно теряет вязкость. В таком состоянии жидкий гелий свободно протекает через сколь угодно тонкие капилляры и для течения такой жидкости нет необходимости в перепаде давлений на концах участка струи. Академики Л.Д. Ландау и Н.Н. Боголюбов объяснили это явление на основе теории квантовой физики. При нагревании жидкости вязкость уменьшается и одновременно уменьшается теплопроводность, а у гелия же при Т = 2,18 К наблюдается противоположное явление: внезапно, скачком, уменьшается до нуля вязкость, а теплопроводность очень сильно увеличивается. Также удивительным и неожиданным оказалось явление сверхпроводимости веществ при температурах близких к абсолютному нулю. Все вещества обладают свойством сопротивления электрическому току. При сверхнизких температурах это свойство у некоторых металлов исчезает. Электричекий ток проходя через такой проводник, перестает нагревать его, а однажды полученный в замкнутом проводнике может существовать в нем неограниченно долго. Эти свойства веществ при сверхнизких температурах открыли новые, широкие горизонты в изучении законов природы.

Вы здесь: Главная Познавательное Физика Реферат. Температура, теплота и молекулы.

Реферат. Температура, теплота и молекулы.

В обычном своем понимании температура, измеренная термометром, характеризует тепловое состояние тел, т.е. насколько они теплы или холодны. С точки зрения науки температура является мерой средней кинетической энергии молекул вещества, определяемой скоростью их движения.

Например, молекулы воды при температуре 50°С (122°F) обладают большей кинетической энергией и движутся быстрее, чем при температуре 5°С (41 °F).

Несмотря на то, что энергия теплового движения молекул и тепловая (внутренняя) энергия часто упоминаются в качестве равнозначных понятий, на самом деле это не одно и то же. Энергия теплового движения, измеряемая термометром в виде температуры, является количественной мерой средней скорости движения молекул вещества. Внутренняя энергия определяется суммой энергий всех молекул тела. Например, при одинаковой температуре двухкилограммовый кусок льда обладает в два раза большей внутренней энергией, чем килограммовый.

В этой главе рассказано не только о том, каким образом теплота может переходить от горячих тел к холодным или передаваться через жидкости, такие как вода или воздух. Теплота способна на большее. При 0°С (32°F) теплота превращает твердый лед в жидкую воду. При 100°С (212°F) — температуре, при которой вода кипит, — теплота превращает жидкую воду в газ, называющийся водяным паром. Почти все другие вещества также претерпевают подобные превращения при собственных характерных температурах. Каждое из таких превращений, называющееся фазовым переходом или изменением агрегатного состояния вещества, связано с подводом теплоты.

Различие между льдом, собственно водой и водяным паром обусловлено их различным молекулярным строением. У льда (ближний рисунок справа) медленно движущиеся молекулы жестко связаны друг с другом. Теплота ослабляет эти связи

Вы здесь: Главная Познавательное Физика Реферат. Температура, теплота и молекулы.

Как работает генератор переменного тока?

Генератор превращает механическую энергию в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Электрический ток вырабатывается и тогда, когда силовые линии движущегося магнита пересекают витки проволочной катушки

Что такое полупроводник?

Полупроводник — это кристаллический материал, который проводит электричество не столь хорошо, как металлы, но и не столь плохо, как большинство изоляторов. В общем случае электроны полупроводников крепко привязаны к своим ядрам. Однако, если в полупроводник,…

Как работает тепловая электростанция (ТЭЦ)?

У этой паровой турбины хорошо видны лопатки рабочих колес. Тепловая электростанция (ТЭЦ) использует энергию, высвобождающуюся при сжигании органического топлива — угля, нефти и природного газа — для превращения воды в пар высокого давления. Этот пар, имеющий…

Почему в горах вода закипает быстрее?

Вода, нагретая на уровне моря до 100°С (212°F), начинает кипеть. Это означает, что внутри объема жидкости происходит образование пузырьков водяного пара и подъем их к поверхности. Вода закипает, потому что при данной температуре давление насыщения водяного…

Абсолютная температура.

Вместо температуры Θ, выражаемой в энергетических единицах, введём температуру, выражаемую в привычных для нас градусах.

Будем считать величину Θ прямо пропорциональной температуре Т, измеряемой в градусах:

где k — коэффициент пропорциональности.

>Определяемая равенством (9.12) температура называется абсолютной.

Такое название, как мы сейчас увидим, имеет достаточные основания. Учитывая определение (9.12), получим

По этой формуле вводится температурная шкала (в градусах), не зависящая от вещества, используемого для измерения температуры.

Температура, определяемая формулой (9.13), очевидно, не может быть отрицательной, так как все величины, стоящие в левой части этой формулы, заведомо положительны. Следовательно, наименьшим возможным значением температуры Т является значение Т = 0, если давление р или объём V равны нулю.

Английский учёный У. Томсон (лорд Кельвин) (1824—1907) ввёл абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по абсолютной шкале (её называют также шкалой Кельвина) соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия.

Единица абсолютной температуры в СИ называется кельвином (обозначается буквой К).

Постоянная Больцмана.

Определим коэффициент k в формуле (9.13) так, чтобы изменение температуры на один кельвин (1 К) было равно изменению температуры на один градус по шкале Цельсия (1 °С).

Мы знаем значения величины Θ при 0 °С и 100 °С (см. формулы (9.9) и (9.11)). Обозначим абсолютную температуру при 0 °С через Т₁, а при 100 °С через Т₂. Тогда согласно формуле (9.12)

Θ₁₀₀ - Θ₀ = k • 100 K = (5,14 - 3,76) • 10 -21 Дж.

k = 1,38 • 10 -23 Дж/К (9.14)

называется постоянной Больцмана в честь Л. Больцмана, одного из основателей молекулярно-кинетической теории газов.

Постоянная Больцмана связывает температуру Θ в энергетических единицах с температурой Т в кельвинах.

Это одна из наиболее важных постоянных в молекулярно-кинетической теории.

Зная постоянную Больцмана, можно найти значение абсолютного нуля по шкале Цельсия. Для этого найдём сначала значение абсолютной температуры, соответствующее 0 °С. Так как при 0 °С kT₁ = 3,76 • 10 -21 Дж, то

Т (К) = (f + 273) (°С). (9.15)

Изменение абсолютной температуры ΔТ равно изменению температуры по шкале Цельсия Δt: ΔТ(К) = Δt (°С).

На рисунке 9.5 для сравнения изображены абсолютная шкала и шкала Цельсия. Абсолютному нулю соответствует температура t = -273 °С.

В США используется шкала Фаренгейта. Точка замерзания воды по этой шкале 32 °F, а точка кипения 212 °Е Пересчёт температуры из шкалы Фаренгейта в шкалу Цельсия производится по формуле t(°C) = 5/9 (t(°F) - 32).

Отметим важнейший факт: абсолютный нуль температуры недостижим!

Температура — мера средней кинетической энергии молекул.

Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории (9.8) и определения температуры (9.13) вытекает важнейшее следствие:
абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии движения молекул.

Из уравнений (9.7) и (9.13) следует, что Отсюда вытекает связь между средней кинетической энергией поступательного движения молекулы и температурой:

Средняя кинетическая энергия хаотичного поступательного движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре.

Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы. Таким образом, выдвинутая ранее догадка о связи температуры со средней скоростью молекул получила надёжное обоснование. Соотношение (9.16) между температурой и средней кинетической энергией поступательного движения молекул установлено для идеальных газов.

Однако оно оказывается справедливым для любых веществ, у которых движение атомов или молекул подчиняется законам механики Ньютона. Оно верно для жидкостей, а также и для твёрдых тел, где атомы могут лишь колебаться возле положений равновесия в узлах кристаллической решётки.

При приближении температуры к абсолютному нулю энергия теплового движения молекул приближается к нулю, т. е. прекращается поступательное тепловое движение молекул.

Зависимость давления газа от концентрации его молекул и температуры. Учитывая, что из формулы (9.13) получим выражение, показывающее зависимость давления газа от концентрации молекул и температуры:

Из формулы (9.17) вытекает, что при одинаковых давлениях и температурах концентрация молекул у всех газов одна и та же.

Отсюда следует закон Авогадро, известный вам из курса химии.

Закон Авогадро:

В равных объёмах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул.

Основные положения МКТ. Тепловые явления - Физика, учебник для 10 класса - Класс!ная физика

Читайте также: