Методическое пособие по физике Молекулярная физика и термодинамика

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Данное методическое пособие предназначено для самостоятельной работы студентов первого курса очного отделения, обучающихся по специальностям 190604 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта» и 150411 «Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования».

Пособие целесообразно использовать при изучении раздела «Молекулярная физика и термодинамика», при подготовке к контрольной работе, а также при подготовке к экзамену.

В данном методическом пособии приведены определения основных физических понятий и величин, изучаемых в разделе «Молекулярная физика и термодинамика», сформулированы физические законы, кратко разъяснена сущность описываемых ими явлений. Приведены примеры решения задач. Единицы физических величин системы единиц приведены в таблице 2.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МКТ

1. Все тела состоят из мельчайших частиц- атомов, молекул, в состав которых входят ещё более мелкие элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны).Строение любого вещества прерывисто.

2. Атомы и молекулы вещества всегда находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Между частицами любого вещества существуют силы взаимодействия- притяжения и отталкивания. Природа этих сил электромагнитная.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДОНАМИКИ

1. Атом - наименьшая частица данного химического элемента.

2. Молекула - наименьшая устойчивая частица данного вещества, обладающая его основными химическими свойствами

3. Количество вещества - это отношение числа молекул N в данном макроскопическом теле к числу Na атомов в 0,012 кг углерода.

4. Моль - количества вещества, содержащего столько же молекул, сколько содержится молекул в 0,012 кг углерода.

5. Молярная масса вещества - масса вещества, взятого в количестве одного моля.

6. Идеальный газ - газ, для которого можно пренебречь размерами молекул и силами молекулярного взаимодействия.

7. Давление - это физическая величина, равная отношению силы F, действующей на элемент поверхности нормально к ней, к площади S этого элемента.

8. Концентрация - число молекул в единице объёма

9. Тепловое равновесие - состояние системы тел, при котором теплообмен между телами системы отсутствует.

10. Абсолютный нуль - это температура, при которой давление идеального газа отсутствует

11. Теплообмен - процесс передачи энергии от одного тела другому без совершения работы

12. Количество теплоты - энергия, переданная системе или полученная системой при теплообмене

13. Адиабатный процесс - процесс, протекающий в системе, которая не обменивается теплотой с окружающими телами.

14. Изопроцесс - переход данной массы газа из одного состояния в другое при дном постоянном параметре.

15. Изотермический процесс - процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянной температуре

16. Изобарный процесс - процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянном давлении.

17. изохорный процесс - процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянном объёме.

18. Тепловой двигатель - устройство, которое превращает внутреннюю энергию вещества в механическую.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ МКТ И ТЕРМОДИНАМИКИ

Закон Бойля - Мариотта: для данной массы газа произведение давления на объём постоянно, если температура газа не меняется

P ₁V ₁=P ₂V ₂

, где P₁ и P₂ - давление газа в начальном и конечном состояниях

V₁ и V₂ - объём газа в начальном и конечном состояниях

Закон Гей - Люссака: для данной массы газа отношение объёма к температуре постоянно, если давление газа не меняется.

, где V₁ и V₂ - объём газа в начальном и конечном состояниях

T₁ и T₂ - температура газа в начальном и конечном состояниях

Закон Шарля: для данной массы газа отношение давления к температуре постоянно, если объём газа не меняется.

P₁ и P₂ - давление газа в начальном и конечном состояниях

, где T₁ и T₂ - температура газа в начальном и конечном состояниях

П

Q=ΔU+Aервый закон термодинамики: Количество теплоты, сообщенное телу, идёт на увеличение его внутренней энергии и на совершение телом работы над внешними телами.

, где Q - количество теплоты

ΔU - изменение внутренней энергии

А - работа над внешними телами

Второй закон термодинамики: невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих системах.

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ МКТ И ТЕРМОДИНАМИКИ

1. Основное уравнение МКТ идеального газа

p - давление газа

, где m - масса газа

n - концентрация

V² - средняя квадратичная скорость молекул газа

2.Средняя кинетическая энергия газа

E - средняя кинетическая энергия движения молекул газа

, где k - постоянная Больцмана

T - температура газа

3. Уравнение Менделеева - Клапейрона

,

где p - давление газа

V - объём газа

m - масса газа в кг

М - молярная масса

R - универсальная газовая постоянная

T - температура газа

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Таблица 1

Процесс

Формула

Обозначения

Сгорания топлива

Q=qm

q- удельная теплота сгорания топлива

Нагревание или охлаждение

Q=cmΔТ

c-удельная теплоёмкость вещества

m - масса, ΔТ- изменение температуры

Кипение или конденсация

Q=±rm

r- удельная теплота парообразования

Плавление или кристаллизация

Q=±lm

l- удельная теплота плавления вещества

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

Таблица 2

Величина

Единица измерения

Формула

Название

Обозначение

Наименование

Обозначение

Связь с единицей СИ

масса

m

килограмм

кг

1 г=10^-3кг

-

плотность

ρ

килограмм на кубический метр

кг/м³

1г/см³=10³кг/м³

молярная масса

M

килограмм на моль

кг/моль

1г/моль=10^-3кг/моль

Количество вещества

ν

моль

моль

1 кмоль=1000 моль

Объём

V

литр

л

1 л = 10^-3м³

-

Давление

p

Паскаль

Па

1 Па = 1Н/м²

Температура

Т

Кельвин

К

0 К = -273˚С

-

Число молекул

N

-

-

-

Работа газа

А

Джоуль

Дж

-

A=pΔV

Внутренняя энергия

U

Джоуль

Дж

-

Количество теплоты

Q

Джоуль

Дж

1 кал =4,1868 Дж

Q=cmΔT

КПД теплового двигателя

η

процент

%

-

ФУНДАМАНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ

R=8,31 Дж/моль·К - универсальная газовая постоянная

Na=6,02·10²³ моль^-1 - постоянная Авагадро

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

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача 1: В баллоне вместимостью 100 л при нормальных условиях содержится 8,9·10^-3 кг газа. Определить молярную массу этого газа.

Дано: СИ Решение:

V=100 л 0, 1 м³ По уравнению Менделеева - Клапейрона

p=760 мм рт. ст. 1,01·10⁵ Па

Т=273 К

m=8,9·10^-3 кг

Найти: М-?

Задача 2: Определить работу расширения 20 л газа при изобарном нагревании от 300 К до 393 К. Давление газа 80 кПа.

Дано: СИ Решение:

V₁=20 л 20·10^-3 м³ Работа расширения газа при изобарном нагревании

Т₁= 300 К A=p(V₂-V₁)

Т₂ = 393 К Так как при изобарном процессе , то

p=80 кПа 80·10³ Па . Тогда

Найти А-?

Задача 3: Определить коэффициент полезного действия плавильной печи, в которой для нагревания 0,5 т алюминия от 282 К до температуры плавления было израсходовано 70 кг каменного угля марки А-1.

Дано: СИ Решение:

m_а=0,5 т 500 кг Из таблиц определим с=880 Дж/кг·К - удельная

Т₁= 282 К теплоёмкость алюминия

m_у=70 кг q=2,05·10⁷ Дж/кг - удельная теплота сгорания

Т_пл=932 К угля.

Найти η-? Для нагревания алюминия до температуры плавления

потребуется количество теплоты, вычисляемое по ф.

Q_{полезное}=cm_a(T_пл-T₁)

При сжигании угля выделяется количество теплоты, определяемое по формуле

Q_{затраченное}=qm_у

КПД печи определяется соотношением

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Б. М. Яровский, Ю. А. Селезнев Справочное руководство по физике. - 4 - е изд., испр, - М.: Наука, 1999

2. Дмитриева В. Ф. Учеб. Пособие для техникумов. / Под ред. В. Л. Прокофьева. - 2-е изд. испр. и доп. - М.: Высш. шк., 1999

6