Тема: Основы молекулярно-кинетической теории (МКТ)

Тема: Основы молекулярно-кинетической теории (МКТ).
О.Л. №1
МКТ
Вещества состоят
из частиц
эти частицы
беспорядочно движутся
частицы взаимодействуют
друг с другом
(броуновское движение)
(притяжение и отталкивание)
Твёрдые, жидкие, газы
Д ≈ 10-8 см ≈ 10-10 м
очень мал
Nв ≈ 3,7 . 1022
очень много
m0 ≈ 2,7 . 10-23 г
очень мала
Mr = m - относительная молекулярная масса
Моль? NA= 6 . 1023 моль-1 – постоянная Авогадро
v=
N
– количество вещества
NA
m = m0 N
v=
M = m0 NA – молярная масса
v= m
M
N = vNA
M = Mr . 10-3 кг . моль-1
N = NA.
m
M
m
M
О. Л. № 2
Тема: Идеальный газ. Основное уравнение МКТ
Идеальный газ – физическая модель разрежённого реального газа
нет взаимодействия
Давление – столкновение
молекул со стенками
сосуда
y
v 1, v 2, …, v n
Но v – определённая
2
Нам надо не v, a v
Почему?
2
2
2
2
v =v x+v y+v z
Т.к. OX, OY и OZ равноправны,
x
то v 2x= v 2y= v 2z
z
v 2x = 1 v 2
3
1 Откуда?
3
1
3
р=
р=
m0 n v 2
2
3
nE
основное уравнение МКТ.
Как?
ρ = m0 n
р = 1 ρ v2
Значение?
Тема: Температура. Энергия теплового движения молекул.
О. Л. № 3
P, V, t – макроскопические параметры?
Температура (t) – характеризирует степень нагретости тела?
Термометр ? Принцип действия?
Тепловое равновесие?
p=2nE
При тепловом равновесии
E = const
p=2 N E
pV =3E
p V
Если Е = const, то p V = const.
= p V = p V = O0
Как доказать?
(справедливо для разряжённых газов)
[O] = 1 Дж
O=kT
T – абсолютная температура. [T] = 1 K (Кельвин)
k = 1,38 . 10-23 Дж/К – постоянная Больцмана
T = t + 273
pV = 2 E
E=kT
E=
pV =kT
N
pV =kT
=n
p=nkT
3
kT
?
?
E= 3 kT
v=
E=
mv2
3k T
?
О. Штерн (1920 г)
Тема: Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы.
О. Л. № 4
Связь между p,V,T
p= n kT
n = N
pV= m k NA T
N = m NA
R=k NA=8,31 Дж/(моль К)
(универсальная газовая постоянная)
PV =
m
M
- уравнение состояния
идеального газа
(уравнение М – К)
RT
Зачем нужно знать это уравнение?
Газовые законы ?
Изопроцессы ?
Изотермический?
PV=const
При Т=const
(закон Бойля-Мариотта)
p
Изобарный?
V
= const
при p= const
(закон Гей-Люссака)
V
Изохорный?
p
= const
при V= const
(закон Шарля)
p
p < p2
V1 < V2
p1
V1
V2
p2
V
(изотерма)
T
(изобара)
T
(изохора)
Тема: Взаимные превращения жидкостей и газов
Газообразное
Жидкое
Твёрдое
О. Л. № 5
состояние вещества с точки зрения МКТ
Испарение
с точки зрения МКТ
Конденсация
Динамическое равновесие?
Насыщенный пар?
V
динамическое равновесие нарушается, т.е. ρn
Но потом установится динамическое равновесие, т.е.
ρ и n станут const
n не зависит от V
p0 – давление насыщенного пара?
Газ и пар. В чём разница?
p0 = nkT
p
Т.к. p0 не зависит от V
p0 зависит от Т
Зависимость p0(Т) не прямо пропорциональная
C
B
A
О
T
Кипение?
ρ
Температура кипения?
жидкость
Критическая температура?
Значение ?
нас. пар
О
Tк
Т
Парциальное давление?
φ=
Психрометр?
p
.
100%
Значение влажности?
- относительная влажность?
Тема: Твёрдые тела
О. Л. № 6
Твёрдые тела
(объём, форма)
Кристаллические
тела.
Чем отличаются?
Аморфные
Пластическая?
Деформация?
Упругая?
растяжения
сжатия
сдвига
изгиба
кручения
примеры ?
∆l = l - l0 – абсолютное удлинение?
ε = ∆l
– относительное удлинение?
Механические свойства твёрдых тел
механическое
напряжение?
предел
пропорц-ти?
σ=F
[σ] = 1Па
При малых деформациях:
σ = Е| ε | - закон Гука
Е – модуль Юнга
предел
упругости
упругость
пластичность
хрупкость
?
предел
прочности
примеры
Тема: Внутренняя энергия. Работа в термодинамике.
О. Л. № 7
Термодинамика? (т/д)
т/д и статистическая механика (мкт)?
Внутренняя энергия (U)
Ек (беспорядочного движ-я всех мол.)
+
Ер (взаимодействия всех мол.)
Идеальный одноатомный газ?
E = 3 kT
k NA=R
U = 3 m RT
EN=U
?
N = m NA
U зависит от
T
m
U~T
U~m
M
U~ 1
Идеальный газ: U не зависит от V. Почему?
Реальный газ: U зависит от V. Почему?
Т
Т/д: U зависит от
V
Работа в т/д
расширение
сжатие
F
//////////////////////////////
F`
∆h
∆h
h2
………F…..
……………..
h1
//////////////////////////////
……… F…… h1
…..………..
…………………..
…………………..
A` = p (V2 –V1) = p ∆V
h2
A = -A` = -p ∆V
Теплопередача?
Количество теплоты?
Q = cm(t2-t1) = cm ∆t ?
Qп = r m ?
Qк = - r m ?
Qпл = λm ?
Q кр = - λ m ?
Тема: Первый закон термодинамики
О. Л. № 8
Закон сохранения энергии
(Р. Майер
Д. Джоуль
Г. Гельмгольц)
на тепловые явления
I закон т/д
Общий случай?:
∆U = A + Q
Система изолирована
?
А?
А=0 и Q=0
I з. т/д
U1 = U2 ?
А`? A` = -A
Q =∆U +A` ?
Вечный двигатель? Невозможно. Почему?
Работа
характеристики процесса изменения U?
Количество теплоты
Изопроцессы
V=const
T= const
∆U=Q
Q=A`
при Q>0, ∆U>0
при Q<0, ∆U<0
если Q>0, то A`>0
если Q<0, то A`<0
p= const
адиабатный
Q=∆U+A
Q=0
∆U=A
двигатель Дизеля?
Q1 + Q2 + Q3 + … = 0 – уравнение теплового баланса
Необратимые процессы?
Р.Клазиус – II закон т/д?
Примеры
Тепловой двигатель?
η = A`
КПД?
A`= |Q1| - |Q2|
Значение тепловых двигателей
Тема: Электростатика
О. Л. № 9
Э/динамика?
Гравитационное
? Э/магнитное ( I )
сильное (ядерное)
слабое
типы
Д.К. Максвелл
взаимодействия
Э/статика?
+
+
+
+
-е Элементарные частицы
Электрический заряд
Частицы без эл. заряда
?
, но эл. заряд без частицы
электрон (-)
Атом
протон (+)
ядро (+)
Атом нейтрален.
нейтрон (нет заряда)
Почему?
Тела заряжены электрически. Что это значит?
Трение – способ электризации
Электризация – равенство зарядов – применение
? q1 + q2 + q3 +…+ qn = const
- З.С.Э.З.
Смысл?
Точечные заряжённые тела?
F1,2
+ |q1| |q2|
? F=k
+
r
+
закон Кулона
F1,2 = F2,1
? Кулон (Кл) – единица эл. заряда
k = 9 109 H м/Кл2
k = 1 πε0
е =1,6 10-19 Кл
ε0 = 4πk = 8,85 10-12 Кл/(Н м2)
(электрическая постоянная)
- элементарный заряд
F2,1
Тема: Электрическое поле
О. Л. № 10
Как осуществляется взаимодействие неподвижных электрических зарядов?
Близкодействие
?
Какая теория одержала победу?
Действие на расстоянии
Почему?
Электрическое поле? (Основные свойства)
Е – напряжённость? (Количественная характеристика)
E=F
?
[E] =1 H/Кл
Е
E = F = k |q0|
Е
+
q0+
q0
- напряжённость поля
точечного заряда
E1
A
E
E = E1 + E2 + E3+… - принцип суперпозиции полей?
E2
q1>0
q2<0
Силовые линии электрического поля?
++++++++++++
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Однородное электрическое поле?
Тема: Проводники и диэлектрики в электростатическом поле.
О. Л. № 11
Что происходит с телами, если их зарядить или поместить в элек. поле?
Проводники
Диэлектрики
Свободные заряды?
Cl
Металлы: электроны - носители
свободных зарядов
М
E
+ E
- E`
+
+
+
+
+
N
-|q|
l
диполь?
Na
+|q|
Полярные
диэлектрики?
Неполярные
Вывод: Электрическое поле может
существовать внутри диэлектрика
Электростатическая индукция?
l
F1 = +|q|E
Вывод: э/статического поля внутри
проводника нет.
E
F2 = -|q|E
(э/статическая защита)?
Весь статический заряд проводника
сосредоточен на его поверхности.
E
l
-|q|
+|q|
Поляризация?
ε = Е0
- диэлектрическая
проницаемость?
Тема: Потенциальная Энергия заряжённого тела.
Потенциал э/статического поля.
Разность потенциалов.
Понятие потенциальной энергии?
Е
+
A = F∆d
F = qE
∆d = d1-d2
2 d1
1
О. Л. № 12
A = qE(d1-d2) = - (qEd2 – qEd1)
E
2
1
+ От формы траектории
работа не зависит
Почему?
A= - (Wp2 – Wp1) = - ∆Wp ?
Wp = qEd
∆Wp > 0
? Замкнутая траектория: А=0
Почему?
∆Wp < 0
Физический смысл потенциальной энергии?
Напряжённость – силовая
? Потенциал - энергетическая
φ = Wp
U = φ 1 – φ2
характеристика поля
- разность потенциалов?
[ U ] = 1B (вольт)?
Е
A = qE∆d
E =U
∆d
1
2
A = qU
Эквипотенциальные поверхности?
?
1 В/м = 1 Н/Кл
?
Тема: «Электроёмкость. Конденсаторы».
О. Л. №13
При каком условии можно накопить на проводниках большой эл. заряд?
Е
+|q|
U
-|q|
Сильное эл. поле:
пробой
диэлектрика ?
E
+|q|
Если U меньше, то +|q|
-|q|
и -|q|
Способность двух провод. накапливать эл. заряд – электроёмкость
2
2
2
2
Е
|q|
А
q
U
U
не зависит от q
Тогда чем оно определяется?
С
q
U
- электроёмкость?
[C] = 1 Ф (Фарад)?
Конденсатор?
плоские
(Лейденская банка?)
сферические
C
q
U
~
S
d
U~
1


цилиндрические
C ~ S
d
С
С0
Конденсатор обладает энергией.
+

При разрядке конденсатора лампа вспыхивает.
В какие формы энергии превращается энергия
конденсатора?
E
-|q|
E
- напряж. поля, созданного зарядом одной из пластин
2
+|q|
E
2
Тогда W  q d  Wp 
W 
Как выразить энергию через Е?
qU
q 2 CU


2
2C
2
qU
.
2
Как это получить?
Применение конденсаторов?
Тема: Электрический ток. Закон Ома для участка цепи.
О.л. №14
Электрический ток?
Направление тока?
Действия тока
тепловое?
J
q
t
химическое?
- сила тока?
магнитное?
J – скалярная величина
J>0
когда?
J<0
1
2
q
S
0
V1,2 : N=nS  l, n – концентрация частиц.
v
q=q0 n S  l
l
J
t =
[J]=1 A (Ампер)
J=q0nvS  v=
Амперметр (
l
v
) – прибор для измерения J.
J
, e – заряд электрона.
enS
V0= 7 . 10-5 м/с (Си)  V очень мала
Наличие свободных заряж. частиц
Сила, действующая на них в определённом направ.
Электрическое поле
J
1
q q 0 nSlv 0

 q 0 nvS
t
l
Условия, необходимые для
существования эл. тока.
2
U E
V
J
R
U~J
Вольт-амперная характеристика проводника.
J, A
0
U, B
U=  1   2 ,  >  .
1
2
Почему?
J
U
- закон Ома для участка цепи
R
Сопротивление – основная электрическая характеристика проводника.
Сопротивление зависит от материала проводника и его геометрических размеров.
R
l
S
- сопротивление?
[  ] = 1 Ом . м
 - удельное сопротивление?
Значение закона Ома?
Тема: Электрические цепи. Виды соединения проводников.
О.Л. №15
Электрическая цепь?
Схема эл. цепи? Обозначение устройств?
Виды соединения проводников.
последовательное
1
параллельное
2
J1
смешанное
1
J1
J
U
U1
2
U
U2
J1=J2=J
U=U1+U2
R=R1+R2
U 1 R1

U 2 R2
J2 2
J1=J2=J
U=U1+U2
R=R1+R2
J3
J1=J2=J
U=U1+U2
R=R1+R2
U 1 R1

U 2 R2
U 1 R1

U 2 R2
R
-
J2
1
R
Амперметр – прибор для
измерения J - подключается
последовательно
-
Работа постоянного тока?
A  qU т.к. J 
q
 A  JUt ?
t
Выразить А через другие элек. величины.
Д. Джоуль
Q=J2R t
Э.Х. Ленц
3
?
-
вольтметр – прибор для
измерения U - подключается
параллельно
Мощность постоянного тока?
P
A
 JU ; P  JU ?
t
Выразить Р через другие элек. величины.
Тема: ЭДС. Закон Ома для полной цени
О.Л.№16
На батарейке для карманного фонарика написано: 1,5 В.
Источник тока – необходимое устройство для
поддержания постоянного напряжения между
шариками
Е
+
Что это значит?
-
Сторонние силы?
Электрический ток и течение жидкости. Аналогия?
Природа сторонних сил?

Aст
- ЭДС
q
[ ] = 1 B
ЭДС гальванического элемента?
Зависимость J от  и R?
 r
Аст  q
q  Jt
R
Аст  Jt

По закону Д-Л: Q=J2R  t + J2r  t
R – внутреннее сопротивление источника тока
R – внешнее сопротивление
A=Q   =JR + Jr  J 
J зависит от

R
r

Rr
Закон Ома для полной цепи
При R>>r  U=JR  
R  0 (короткое замыкание). J определяется r
1
=
r1
 2 r2
3
r3
1
+ 2 +
 3 = |
Если  > 0, то J>0
Если  <0, то J<0
Rп = R+r1+r2+r3
R
1
| - | 2 | + |  3 |