Идеальный газ. Основное уравнение МКТ.
Известно, что частицы в газах, в отличие от жидкостей и твердых тел, располагаются друг относительно друга на расстояниях, существенно превышающих их собственные размеры. В этом случае взаимодействие между молекулами пренебрежимо мало и кинетическая энергия молекул много больше энергии межмолекулярного взаимодействия. Для выяснения наиболее общих свойств, присущих всем газам, используют упрощенную модель реальных газов - идеальный газ. Основные отличия идеального газа от реального газа:
Частицы идеального газа - сферические тела очень малых размеров, практически материальные точки.
Между частицами отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия.
Соударения частиц являются абсолютно упругими.
Реальные разреженные газы действительно ведут себя подобно идеальному газу. Воспользуемся моделью идеального газа для объяснения происхождения давления газа. Вследствие теплового движения, частицы газа время от времени ударяются о стенки сосуда. При каждом ударе молекулы действуют на стенку сосуда с некоторой силой. Складываясь друг с другом, силы ударов отдельных частиц образуют некоторую силу давления, постоянно действующую на стенку. Понятно, что чем больше частиц содержится в сосуде, тем чаще они будут ударяться о стенку сосуда, и тем большей будет сила давления, а значит и давление. Чем быстрее движутся частицы, тем сильнее они ударяют в стенку сосуда. Мысленно представим себе простейший опыт: катящийся мяч ударяется о стенку. Если мяч катится медленно, то он при ударе подействует на стенку с меньшей силой, чем если бы он двигался быстро. Чем больше масса частицы, тем больше сила удара. Чем быстрее движутся частицы, тем чаще они ударяются о стенки сосуда. Итак, сила, с которой молекулы действуют на стенку сосуда, прямо пропорциональна числу молекул, содержащихся в единице объема (это число называется концентрацией молекул и обозначается n), массе молекулы mo, среднему квадрату их скоростей и площади стенки сосуда. В результате получаем: давление газа прямо пропорционально концентрации частиц, массе частицы и квадрату скорости частицы (или их кинетической энергии). Зависимость давления идеального газа от концентрации и от средней кинетической энергии частиц выражается основным уравнением молекулярно-кинетической теории идеального газа. Мы получили основное уравнение МКТ идеального газа из общих соображений, но его можно строго вывести, опираясь на законы классической механики. Приведем одну из форм записи основного уравнения МКТ:
P=(1/3)· n· mo· V2.
Билет #4
Тепловое Равновесие. Температура
Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называются макроскопическими параметрами. К ним относятся давление и температура, объем, масса, концентрация отдельных компонентов смеси газа и др.
Состояние термодинамической системы, в которое она самопроизвольно приходит через достаточно большой промежуток времени в условиях изоляции от окружающей среды, называется тепловым равновесием. В этом состоянии параметры системы не изменяются со временем - это означает, что в системе не меняются объем и давление, не происходит теплообмен, отсутствуют превращения газов, жидкостей и твердых тел. В состоянии теплового равновесия объем, давление могут быть различными в разных частях термодинамической системы, и только температура во всех частях термодинамической системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, является одинаковой. Микроскопические процессы внутри тела не прекращаются и при тепловом равновесии: меняются положения молекул, их скорости при столкновениях.
Температура характеризует степень нагретости тела. Она является макроскопическим параметром, характеризующим тепловое равновесие систем тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру, а другие макроскопические параметры (р, V, т) могут быть различны.
Температура служит мерой средней кинетической энергии молекул:
где k - постоянная Больцмана, k = 1,38 • 10-23Дж/К, Т - температура по абсолютной шкале.
Температура измеряется термометрами, которые могут быть градуированы по разным шкалам. Международной шкалой является абсолютная температурная шкала. Кроме этого широко используется шкала Цельсия.
Прибор для измерения температуры посредством контакта с исследуемой средой - термометр. Действие термометра основано на различных физических явлениях, зависящих от температуры (тепловое расширение газов, жидкостей и твердых тел, изменение электрического сопротивления, возникновение термоЭДС и др.) Наиболее распространены жидкостные термометры, манометрические термометры, термометры сопротивления.
Методы измерения различны для разных диапазонов измеряемых температур и зависят от условий измерений и требуемой точности. Их можно разделить на две группы: контактные и бесконтактные. При контактных методах прибор, измеряющий температуру среды, должен находиться с нею в тепловом равновесии, т. е. иметь с нею одинаковую температуру, а при бесконтактных - путем опосредованных измерений.
Билет #5
Абсолютная температура (термодинамическая температура) - параметр состояния, характеризующий макроскопическую систему в состоянии термодинамического равновесия. Абсолютная температура введена в 1848 г. английским физиком У. Томсоном (Кельвином) (1824 - 1907), обозначается символом Т, выражается в Кельвинах (К) и отсчитывается от абсолютного нуля температуры.
Абсолютный нуль температуры расположен на 273,15 °С ниже нуля температуры по шкале Цельсия. С приближением температуры к абсолютному нулю стремится к нулю теплоемкость, коэффициент теплового расширения и др. По представлениям классической физики при абсолютном нуле температур энергия теплового (хаотического) движения молекул и атомов вещества равна нулю.