Работа газа при изобарном изменении объема.

Представим себе цилиндр с подвижным поршнем, заполненный газом.

Пока давление газа внутри цилиндра и окружающего наружного воздуха одинаковы, поршень неподвижен. Пусть при этом температура газа и окружающей среды равна T1, а давление равно P.

Будем медленно нагревать газ в цилиндре до температуры T2. Газ при этом начинает изобарически расширяться и поршень переместится из положения 1 в положение 2 на расстояние △. При этом газ совершает работу против внешней силы.

F = P*S, где S – площадь сечения цилиндра.

А = F*△*cosa

a = 0 => cosa = 1

A = F*△ = P*S*△ = P*S*(2 - 1)

A = P* (S *2 - S *1) =>

A = P*(V2 - V1)

A = P*△V

△V > 0 => A > 0;

△V < 0 => A < 0.

Физический смысл молярной газовой постоянной:

Молярная газовая постоянная численно равна работе, совершаемой 1 молем идеального газа при его изобарическом нагревании на 1К.

Физический смысл постоянной Больцмана:

Постоянная Больцмана показывает сколько работы в среднем приходится на одну молекулу идеального газа при изобарическом нагревании на 1К.

Изменение внутренней энергии. Закон сохранения энергии.

Под внутренней энергией тела подразумевается сумма кинетической и потенциальной энергий всех частиц тела и энергии ядер его атомов.

Изменение внутренней энергии всегда связано с его взаимодействием с другими телами и с окружающей средой.

Обмен внутренней энергией между телами и окружающей средой или между частями тела без совершения механической работы называется теплообменом.

Виды теплообмена:

1. Теплопроводность – передача внешней энергии от одних частей вещества к другим, обусловленная хаотическим движением молекул и других частиц вещества.

2. Конвекция – теплообмен, который происходит при перемешивании неравномерно нагретых слоев жидкости или газа под действием силы тяжести.

3. Излучение – излучение тела, которое определяется только его температурой.

Энергия замкнутой системы никогда не исчезнет и не создается из ничего. При всех явлениях внутри системы она только превращается из одного вида в другой или передается от одного тела к другому, не изменяясь количественно.

Первое начало термодинамики.

Q = △U + A

Подведенное к системе количество теплоты частично идет на увеличение внутренней энергии системы и частично – на совершение этой системой работы.

1) Изохорический процесс:

Q = △U

При изохорическом процессе все подведенное к газу количество теплоты идет на увеличение его внутренней энергии.

2) Изобарический процесс:

Q = △U + A

При изобарическом процессе подведенное к системе количество теплоты частично идет на увеличение внутренней энергии системы и частично – на совершение этой системой работы.

3) Изотермический процесс:

Q = A

При изобарическом процессе все подведенное к газу количество теплоты идет на выполнение газом работы.

Адиабатический процесс:

Процесс в какой–либо системе, который происходит без обмена теплом с окружающей средой называется адиабатическим.

△U + A = 0 => A = -△U

При адиабатическом процессе система может выполнять работу над внешними телами только за счет внутренней энергии.

Если газ при адиабатическом расширении совершает работу над окружающей средой, то его внутренняя энергия уменьшается.

Испарение и конденсация.

Насыщенный пар.

Кипение.

Абсолютная и относительная влажность воздуха.

Свойства жидкостей и твердых тел.

Свойства жидкостей.

Характеристика жидкого состояния вещества.

Вещество в жидком состоянии сохраняет свой объем, но принимает форму сосуда, в котором она находится.

Сохранение объема у жидкости доказывает, что между молекулами действуют силы притяжения. Следовательно, расстояния между молекулами жидкости должны быть меньше радиуса молекулярного действия.

Если вокруг молекулы жидкости описать сферу молекулярного действия, то внутри этой серы окажутся центры других молекул, которые будут взаимодействовать с этой молекулой.

Эти силы взаимодействия удерживают молекулу жидкости около ее временного положения равновесия около 10^-12с, после чего она перескакивает в новое временное положение равновесия.

Молекулы жидкости между переходами совершают колебательные движения около временного положения равновесия.

Время между дувумя переходами молекулы из одного положения равновесия в другое называется временем оседлой жизни.

В течение времени оседлой жизни большинство молекул жидкости удерживаются у своего положения равновесия, и лишь небольшая часть их успевает за это время перейти в новые положения равновесия. За более длительное время уже большинство молекул жидкости успеет переменить свое местоположение. Поэтому жидкость облагает текучестью и принимает форму сосуда в котором она находится.

В жидкости существует ближний порядок в расположении молекул и отсутствует дальний порядок.

Механические свойства жидкости:

1. сжимаемость;

2. упругость;

3. хрупкость;

4. кавитация – разрыв жидкости и образование в ней пустот.

Поверхностный слой жидкости.

Все молекулы жидкости, находящиеся в повехностном слое, толщиной , равной радиусу молекулярного действия, втягиваются внутрь жидкости. Но пространство внутри жидкости занято другими молекулами, поэтому поверхностный слой оказывает давление на жидкость, которое называется молекулярным давлением.

Поскольку молекулы жидкости, находящиеся в ее поверхностном слое втягиваются внутрь жидкости, их потенциальная энергия больше, чем у молекул внутри жидкости.

Дополнительную потенциальную энергию молекул поверхностного слоя жидкости, называют свободной энергией жидкости.

Для того, чтобы вывести молекулы, находящиеся внутри жидкости на ее поверхность, нужно преодолеть противодействие молекулярных сил, то есть произвести работу, которая будет нужна для увеличения свободной энергии поверхностного слоя жидкости.

△П прямо пропорциональна △S

△П =  σ *△S, так как △П = А =>

A =  σ *△S

Эта работа зависит от рода жидкости и от внешних условий (t).

Величина σ (сигма), характеризующая зависимость работы молекулярных сил при уменьшении площади свободной поверхности жидкости от рода жидкости и внешних условий, называется коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

[σ] = 1*Дж/м^2 = 1*Н/м

Коэффициент поверхности натяжения численно равен работе молекулярных сил при изменении площади свободной поверхности на один квадратный метр.

Так как всякая система самопроизвольно переходит в состоянии, при котором ее потенциальная энергия ___ , то жидкость должна самороизвольно переходить в такое состояние, при котором площадь ее свободной поверхности имеет наименьшее значение. Так как при одном и том же объеме наименьшая площадь поверхности имеется у шара, то в состоянии невесомости принимает форму шара.

Смачивание.

Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого тела, то жидкость называется смачивающей это тело.

Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого тела, то жидкость называется не смачивающей это вещество

Капиллярность.

Явления, обусловленное втягиванием смачивающих жидкостей в капилляры и выталкивание не смачивающих жидкостей из капилляров, называются капиллярными явлениями.

Вязкость.

Силы противодействия, обусловленные движением какого-либо тела в жидкости или газообразной среде, называются силами сопротивления среды.

При движении частей жидкости относительно друг друга возникают тормозящие это движение силы, которые называют силами внутреннего трения или силами вязкости.

РИСУНОК

Свойства твердых тел.

Характеристика твердого состояния вещества.

Вещество обычно называется твердым, если оно сохраняет свою форму и свой объем (это внешние признаки).

При изучении твердых веществ было обнаружено, что многие твердые тела в природе имеют гладкие плоские поверхности, расположенные под определенными углами, а иногда и форму правильных многогранников. Такие твердые тела называют монокристаллами.

Частицы в кристаллах имеют правильное расположение, то есть образуют кристаллическую решетку.

Точки в кристаллической решетке, соответствующие наиболее устойчивому положению равновесия частиц твердого тела называются узлами решетки.

Узлы решетки имеют правильное расположение, которое периодически повторяется внутри кристалла.

Правильное расположение частиц в узлах решетки кристалла называют дальним порядком в расположении частиц.

В физике под твердым телом подразумевают только такие вещества, у которых имеются кристаллическое строение.

Зависимость каких-либо свойств кристаллов от направления, называется анизотропией.

Анизотропией обладают только монокристаллы.

1. Если на поверхности кристалла кварца нанести слой воска и коснуться концом сильно нагретой проволоки середины грани кристалла, то воск расплавляется по эллипсу. Значит, теплопроводность кристалла кварца во многом зависит от направления.

2. В кристаллах можно обнаружить и такие направления, по которым те или иные свойства оказываются одинаковыми. Срежем верхнюю половину кристалла и повторим предыдущий опыт При этом воск расплавляется по окружности.

Большинство твердых веществ имеют поликристаллическое строение – состоят из множества очень мелких кристалликов, иногда различимых только в микроскоп. Кристаллики относительно друг друга расположены хаотически/, твердое тело в целом является изотропным – одинаковые свойства по всем направлениям.

Дефекты кристаллической решетки.

1. Нарушение правильного расположения частиц в каждый момент времени, обусловленное тепловым движением частиц.

2. Дислокация.

3. Отсутствие частиц в отдельных узлах кристаллической решетки или смещение частиц в промежутках между узлами.

4. Чужеродные атомы в отдельных узлах или между узлами.

Виды кристаллических структур.

1. Ионная кристаллическая структура (например: поваренная соль).

В узлах находятся положительные и отрицательные ионы.

Силами, удерживающими ионы в узлах решетки, являются силы электрического притяжения и отталкивания. Разноименно заряженные ионы расположены ближе друг к другу, чем одноименно заряженные. Следовательно, силы притяжения между разноименными ионами преобладают над силами отталкивания одноименных ионов.

2. Атомная кристаллическая структура (например: алмаз, германий, кремний).

Атомная кристаллическая структура характеризуется наличием нейтральных атомов в узлах решетки, между которыми имеется ковалентная связь.

Ковалентной связью называется связь, при которой каждые два соседних атома удерживаются рядом силами притяжения, возникающих при взаимном обмене двумя валентными электронами между этими атомами

(Самая прочная кристаллическая структура.) Ковалентная связь создает весьма прочные кристаллы. Следовательно, такие вещества обладают большой механической прочностью и плавятся при высоких температурах.

3. Молекулярная кристаллическая структура (например: лед, сухой лед, нафталин, твердый азот).

В узлах этой кристаллической решетки находятся нейтральные молекулы вещества.

Силами, удерживающими молекулы в узлах этой решетки, являются силы межмолекулярного взаимодействия.

(Самая слабая кристаллическая решетка.) Эти силы сравнительно слабые, поэтому твердые тела легко разрушаются при механическом воздействии и имеют низкую температуру лавления.

4. Металлическая кристаллическая структура (все металлы).

В узлах этой кристаллической решетки находятся положительно заряженные ионы металла.

У атомов всех металлов валентные электроны слабо связаны с ядром атома. Это означает, что валентные электроны отрываются от атома и атом превращается в положительный ион. Оторвавшиеся электроны движутся хаотически по всему объему металла.

Совокупность свободных электронов в металле называется электронным газом.