PRAVOSLAVNA CERKEV. Pravoslavna cerkev ni neka čisto zemeljska ...
Lekcija 4 Hitrost pri gibanju s stalnim pospeškom.
Tarča : oblikovati znake telesa, ki se giblje s stalnim pospeškom.
Načrtujte : 1) Organizacijski trenutek. Posodobitev znanja. Preverjanje domače naloge.
3) Utrjevanje naučenega. Povzetek lekcije. Naloga in razlaga domače naloge. Reševanje problema
Med predavanji:
1) Organizacijski trenutek. Posodobitev znanja.
VprašanjaPri enakomernem premočrtnem gibanju trenutna hitrost sovpada s povprečno hitrostjo. Zakaj?
Zakaj se pri enakomernem premočrtnem gibanju za vse enake časovne intervale premakne telo enako.
Kako iz grafa odvisnosti hitrosti od časa določimo premik telesa pri enakomernem premočrtnem gibanju?
Kako je naklon krivulje enakomernega premokotnega gibanja odvisen od hitrosti?
Danes se bomo v lekciji naučili: fizičnega pomenapospešek, gibljiva grafika s konstantnim pospeškom.
Ko se telesa gibljejo, se njihove hitrosti navadno spreminjajo bodisi v absolutni vrednosti, bodisi v smeri, bodisi istočasno v absolutni vrednosti in v smeri.
Primer 1 (video posnetek)
Primer 2 (video posnetek)
Primer 3 (video posnetek)
Količina, ki označuje hitrost spremembe hitrosti, se imenuje pospešek.
Pospešek telesa je meja razmerja spremembe hitrosti na časovno obdobje , med katerim je prišlo do te spremembe, ob prizadevanju na nič.
V mednarodnem sistemu (SI) je enota pospeška pospešek takšnega enako spremenljivega gibanja, pri katerem se hitrost gibajočega telesa spremeni za 1 v 1 s.. Ta enota se imenuje 1 meter na sekundo na kvadrat in je označena z 1
Študij pospešenega in počasnega gibanja žoge (interaktivni model).
Enakomerno pospešeno gibanje (telo pospešuje), če , a = konst.
V počasnem posnetku (telo se upočasni), če , a = konst.
Študij grafa hitrosti enakomerno pospešenega gibanja (interaktivni model)
Naloga 1. Izpolni tabelo.
Grafi hitrosti bodo prikazali hitrost v odvisnosti od časa.
Projekcije hitrosti. Pri izračunu pospeška se uporabljajo projekcije vektorjev hitrosti in pospeška na X os. 3) Utrjevanje naučenega. Povzetek lekcije. Naloga in razlaga domače naloge.Domača naloga. §11, 12, 13, vprašanja, vaja 3(1,2)
1. Kolesar, ki vozi s hitrostjo 18 km/h, začne spuščati. Določi hitrost kolesarja po 6 s, če je pospešek 0,8 m/s 2 .
2. Vlak 20 sekund po začetku gibanja doseže hitrost 90 m/s. Koliko časa bo trajalo, da bo vlak dosegel hitrost 3 m/s?
3. Hitrost vozila se je v 10 sekundah zmanjšala z 10 na 6 m/s. Napišite formulo odvisnostiV(t) odvisnost hitrosti od časa, zgradi graf te odvisnosti in iz grafa določi hitrost v 20 s.
4. Kako je usmerjen pospešek dvigala, ko:
a) se začne premikati iz prvega nadstropja?
b) upočasni v zgornjem nadstropju?
c) zavore v tretjem nadstropju, premikanje navzdol?
d) se začne premikati v tretjem nadstropju, se premika navzgor?
Gibanje dvigala med pospeševanjem in zaviranjem se šteje za enakomerno pospešeno.
5. Odvisnost projekcije hitrosti od časa za prvo telo izrazimo v enotah SI s formulo , in za drugo - po formuli .
a) Narišite grafe za vsako telo.
b) V katerem trenutku sta hitrosti teles enaki (po modulu in smeri)?
c) V katerih trenutkih sta hitrosti teles absolutno enaki?
Primer pospešenega gibanja bi bil padec cvetličnega lonca z balkona nizke hiše. Na začetku padanja je hitrost lonca enaka nič, v nekaj sekundah pa uspe narasti na desetine m/s. Primer počasnega gibanja je gibanje kamna, vrženega navpično navzgor, katerega hitrost je sprva visoka, nato pa se na vrhu poti postopoma zmanjša na nič. Če zanemarimo silo zračnega upora, bo pospešek v obeh primerih enak in enak gravitacijskemu pospešku, ki je vedno usmerjen navpično navzdol, označen s črko g in znaša približno 9,8 m / s 2.
Gravitacijski pospešek, g ki jih povzroča gravitacija zemlje. Ta sila pospešuje vsa telesa, ki se premikajo proti zemlji, in upočasnjuje tista, ki se oddaljujejo od nje.
Da bi našli enačbo za hitrost pri premočrtnem gibanju s stalnim pospeškom, bomo predpostavili, da je imelo telo v času t=0 začetno hitrost v 0 . Od pospeška a konstantna, potem za kateri koli čas t velja naslednja enačba:
kje v je hitrost telesa naenkrat t, od koder po enostavnih transformacijah dobimo enačbo za hitrost pri konstantnem pospešku:
v = v 0 + a t (5.1)
Za izpeljavo enačbe za prevoženo pot med premočrtnim gibanjem s stalnim pospeškom najprej sestavimo graf odvisnosti hitrosti od časa (5.1). Za a>0 je graf te odvisnosti prikazan levo na sliki 5 (modra ravna črta). Kot smo ugotovili v 3. odstavku, lahko premik v času t določimo z izračunom površine pod krivuljo hitrosti v odvisnosti od časa med trenutki t=0 in t. V našem primeru je lik pod krivuljo, omejen z dvema navpičnima črtama t=0 in t, trapez OABC, katerega ploščina S je, kot veste, enaka zmnožku polovice vsote dolžin baz OA in CB ter višina OC:
Kot je prikazano na sliki 5, je OA = v0, CB = v0 + a t in OC = t. Če nadomestimo te vrednosti v (5.2), dobimo naslednjo enačbo za premik S, dokončan v času t med premočrtnim gibanjem s konstantnim pospeškom a pri začetni hitrosti v 0:
Enostavno je pokazati, da formula (5.3) velja ne samo za gibanje s pospeškom a>0, za katerega je bila izpeljana, ampak tudi v primerih, ko a<0. На рис.5 справа красными линиями показаны графики зависимости S при положительных (верх) и отрицательных (низ) значениях a zgrajena s formulo (5.3) za različne vrednosti v0. Vidimo, da je v nasprotju z enakomernim gibanjem (glej sliko 3) graf premikov v odvisnosti od časa parabola in ne ravna črta, ki je za primerjavo prikazana s pikčasto črto.
Vprašanja za pregled:
· Ali je gibanje s stalnim pospeškom enakomerno?
Opredelite enakomerno pospešeno in enakomerno počasno gibanje.
Kaj je pospešek prostega pada in kaj ga povzroča?
Po katerem zakonu se spreminja hitrost pri enakomerno pospešenem ali enakomerno počasnem gibanju?
Kako je enakomerno pospešeno gibanje odvisno od časa, pospeška in začetne hitrosti?
riž. 5. Na levi - odvisnost hitrosti od časa (modra ravna črta) z enakomerno pospešenim gibanjem; na desni - odvisnost premika od časa (rdeče krivulje) za enakomerno pospešeno (zgoraj) in enakomerno počasno gibanje (spodaj).
§ 6. ENAKOMERNO KROŽNO GIBANJE: CENTRIPETALNI POSPEŠEK.
Od D.A.
12.12.2018 17:31"; $(html).insertAfter(this); (adsbygoogle = window.adsbygoogle || ).push(()); ) i++; )) ) ) )) funkcija images_share(elm)( var url = $(elm) .find(".fb-like").data("href"); var title = $(elm).find(".post_content_text").children("h2").text(); var desc = $( elm).find(".short_description_of_post").text(); $(elm).find(".post_in_image").each(function()( $(this).wrap(function()( return "
"+$(to).besedilo()+"
"; )); )) $(elm).find(".post_image").each(function()( $(this).append("
"); $(this).hover(function() ( $(this).find(".soc_image").animate(("margin-right":"1%"),200); ), function() ( $(this).find(".soc_image").animate(("margin-right":"-192px"),200); )) ))) funkcija ads_comed(elm)( var html = ""; var k=0; $(elm).find(".post_in_image").each(function()( if(k%3==0)( $(html).insertAfter(this); (adsbygoogle = window.adsbygoogle | | ).push(()); ) k++; )))
Vsebina tega mesta, kot so članki, besedilo, grafike, slike in drugo gradivo, objavljeno na tem mestu ("vsebina"), je samo v informativne namene. V zvezi z vsebino, objavljeno na tem spletnem mestu, ni nobenih izjav ali jamstev, izrecnih ali implicitnih, glede popolnosti, točnosti, zanesljivosti, primernosti ali razpoložljivosti za kateri koli namen. Vsakršna uporaba vsebine je na lastno odgovornost. Vsebina se ne sme razlagati kot strokovni pravni, medicinski, finančni, družinski nasvet, nasvet za obvladovanje tveganja ali kakršen koli drug strokovni nasvet. Če potrebujete kakšen poseben nasvet, se obrnite na licenco ali strokovnjaka na ustreznem področju. Založnik ni odgovoren za kakršno koli poškodbo ali škodo bralca, do katere bi lahko prišlo, če bi bralec deloval ali uporabljal vsebino na tem spletnem mestu.
. Popolno ali delno kopiranje gradiva spletnega mesta brez soglasja urednikov je prepovedano.
Premočrtno gibanje s stalnim pospeškom imenujemo enakomerno pospešeno, če modul hitrosti s časom narašča, ali enakomerno upočasnjeno, če se zmanjšuje.
Primer pospešenega gibanja bi bil padec cvetličnega lonca z balkona nizke hiše. Na začetku padanja je hitrost lonca enaka nič, v nekaj sekundah pa uspe narasti na desetine m/s. Primer počasnega gibanja je gibanje kamna, vrženega navpično navzgor, katerega hitrost je sprva visoka, nato pa se na vrhu poti postopoma zmanjša na nič. Če zanemarimo silo zračnega upora, bo pospešek v obeh primerih enak in enak težnemu pospešku, ki je vedno usmerjen navpično navzdol, označen s črko g in znaša približno 9,8 m/s2.
Pospešek prostega pada, g, je posledica Zemljine gravitacije. Ta sila pospešuje vsa telesa, ki se premikajo proti zemlji, in upočasnjuje tista, ki se oddaljujejo od nje.
kjer je v hitrost telesa v času t, od koder po preprostih transformacijah dobimo enačba za hitrost pri gibanju s konstantnim pospeškom: v = v0 + at
8. Enačbe gibanja s stalnim pospeškom.
Za iskanje enačbe za hitrost pri premočrtnem gibanju s konstantnim pospeškom predpostavimo, da je imelo telo v času t=0 začetno hitrost v0. Ker je pospešek a konstanten, za kateri koli čas t velja naslednja enačba:
kjer je v hitrost telesa v času t, iz katere po enostavnih transformacijah dobimo enačbo za hitrost pri stalnem pospeševanju: v = v0 + at
Za izpeljavo enačbe za prevoženo pot med premočrtnim gibanjem s stalnim pospeškom najprej sestavimo graf odvisnosti hitrosti od časa (5.1). Za a>0 je graf te odvisnosti prikazan levo na sliki 5 (modra črta). Kot smo ugotovili v 3. odstavku, lahko premik v času t določimo z izračunom površine pod krivuljo hitrost-čas med t=0 in t. V našem primeru je lik pod krivuljo, omejen z dvema navpičnima črtama t=0 in t, trapez OABC, katerega ploščina S je, kot veste, enaka zmnožku polovice vsote dolžin baz OA in CB ter višina OC:
Kot je prikazano na sliki 5, je OA = v0, CB = v0 + at in OC = t. Če nadomestimo te vrednosti v (5.2), dobimo naslednjo enačbo za premik S, dokončan v času t med premočrtnim gibanjem s konstantnim pospeškom a pri začetni hitrosti v0:
Enostavno je pokazati, da formula (5.3) velja ne samo za gibanje s pospeškom a>0, za katerega je bila izpeljana, ampak tudi v primerih, ko<0. На рис.5 справа красными линиями показаны графики зависимости S при положительных (верх) и отрицательных (низ) значениях a, построенные по формуле (5.3) для различных величин v0. Видно, что в отличие от равномерного движения (см. рис. 3), график зависимости перемещения от времени является параболой, а не прямой, показанной для сравнения пунктирной линией.
9. Prosti pad teles. Gibanje s konstantnim pospeškom prostega pada.
Prosti pad teles imenujemo padanje teles na Zemljo brez zračnega upora (v praznini).
Pospešek, s katerim telesa padajo na Zemljo, imenujemo pospešek prostega pada. Vektor gravitacijskega pospeška je označen s simbolom, usmerjen je navpično navzdol. Na različnih točkah sveta se glede na geografsko širino in višino nad morsko gladino izkaže, da je številčna vrednost g neenaka in se spreminja od približno 9,83 m/s2 na polih do 9,78 m/s2 na ekvatorju. Na zemljepisni širini Moskve je g = 9,81523 m/s2. Običajno, če pri izračunih ni potrebna visoka natančnost, se številčna vrednost g na zemeljski površini vzame za 9,8 m/s2 ali celo 10 m/s2.
Preprost primer prostega pada je padec telesa z določene višine h brez začetne hitrosti. Prosti pad je pravokotno gibanje s konstantnim pospeškom.
Idealen prosti pad je možen le v vakuumu, kjer ni sile zračnega upora, ne glede na maso, gostoto in obliko pa vsa telesa padajo enako hitro, torej imajo v vsakem trenutku enake trenutne hitrosti in pospeške.
Za prosti pad teles veljajo vse formule za enakomerno pospešeno gibanje.
Vrednost hitrosti prostega pada telesa v danem trenutku:
gibanje telesa:
V tem primeru namesto pospeška a v formule za enakomerno pospešeno gibanje vnesemo pospešek prostega pada g = 9,8 m/s2.
10. Gibanje teles. TRANSLACIJSKO GIBANJE TOGEGA TELESA
Premično gibanje togega telesa je takšno gibanje, pri katerem se katera koli premica, ki je vedno povezana s telesom, giblje vzporedno sama s seboj. Za to zadostuje, da se dve nevzporedni premici, povezani s telesom, premikata vzporedno sama s seboj. Pri translacijskem gibanju vse točke telesa opisujejo iste, vzporedne trajektorije in imajo v vsakem trenutku enake hitrosti in pospeške. Tako je translacijsko gibanje telesa določeno z gibanjem ene od njegovih točk O.
V splošnem se translacijsko gibanje pojavi v tridimenzionalnem prostoru, vendar njegova glavna značilnost - ohranjanje vzporednosti katerega koli segmenta s samim seboj, ostaja v veljavi.
Postopoma premika, na primer, kabino dvigala. Tudi v prvem približku se kabina panoramskega kolesa premika naprej. Vendar, strogo gledano, premikanja kabine panoramskega kolesa ni mogoče šteti za progresivno. Če se telo premika naprej, je za opis njegovega gibanja dovolj, da opišemo gibanje njegove poljubne točke (na primer gibanje središča mase telesa).
Če telesa, ki sestavljajo zaprt mehanski sistem, medsebojno delujejo samo s silami gravitacije in elastičnosti, potem je delo teh sil enako spremembi potencialne energije teles, vzeto z nasprotnim predznakom: A \ u003d - (E p2 - E p1).
Po izreku o kinetični energiji je to delo enako spremembi kinetične energije teles
Posledično
Ali E k 1 + E p 1 = E k 2 + E p 2 .
Vsota kinetične in potencialne energije teles, ki sestavljajo zaprt sistem in medsebojno delujejo s silami gravitacije in prožnostnimi silami, ostane nespremenjena.
Ta izjava izraža zakon o ohranitvi energije v mehanskih procesih. Je posledica Newtonovih zakonov. Vsoto E = E k + E p imenujemo skupna mehanska energija. Zakon o ohranitvi mehanske energije je izpolnjen le, če telesa v zaprtem sistemu med seboj delujejo s konservativnimi silami, torej silami, za katere lahko uvedemo pojem potencialne energije.
Mehanska energija zaprtega sistema teles se ne spremeni, če med temi telesi delujejo le konservativne sile. Konzervativne sile so tiste sile, katerih delo vzdolž katere koli zaprte trajektorije je enako nič. Gravitacija je ena izmed konservativnih sil.
V realnih razmerah na skoraj vedno gibljiva telesa poleg gravitacijskih, elastičnih in drugih konservativnih sil delujejo sile trenja ali sile upora medija.
Sila trenja ni konzervativna. Delo sile trenja je odvisno od dolžine poti.
Če med telesi, ki sestavljajo zaprt sistem, delujejo sile trenja, se mehanska energija ne ohrani. Del mehanske energije se pretvori v notranjo energijo teles (ogrevanje).
V nobeni fizični interakciji energija ne nastane in ne izgine. Le spreminja se iz ene oblike v drugo.
Ena od posledic zakona o ohranjanju in transformaciji energije je trditev, da je nemogoče ustvariti »večni gibalnik« (perpetuum mobile) - stroj, ki bi lahko neomejeno dolgo opravljal delo brez porabe energije.
Zgodovina hrani veliko število projektov "perpetum mobile". V nekaterih od njih so napake "izumitelja" očitne, v drugih so te napake prikrite s kompleksno zasnovo naprave in zelo težko je razumeti, zakaj ta stroj ne deluje. Brezplodni poskusi ustvariti "večni stroj" se nadaljujejo v našem času. Vsi ti poskusi so obsojeni na neuspeh, saj zakon o ohranitvi in transformaciji energije "prepoveduje" pridobivanje dela brez porabe energije.
31. Osnovne določbe molekularno-kinetične teorije in njihova utemeljitev.
Vsa telesa so sestavljena iz molekul, atomov in elementarnih delcev, ki so ločeni z vrzelmi, se naključno gibljejo in medsebojno delujejo.
Kinematika in dinamika nam pomagata opisati gibanje telesa in določiti silo, ki to gibanje povzroča. Na marsikatero vprašanje pa mehanika ne zna odgovoriti. Na primer, iz česa so telesa? Zakaj mnoge snovi pri segrevanju postanejo tekoče in nato izhlapijo? In na splošno, kaj je temperatura in toplota?
Na takšna vprašanja je že pred 25 stoletji poskušal odgovoriti starogrški filozof Demokrit. Brez kakršnih koli poskusov je prišel do zaključka, da se nam telesa le zdijo trdna, v resnici pa so sestavljena iz najmanjših delcev, ki jih ločuje praznina. Ker je teh delcev nemogoče razcepiti, jih je Demokrit imenoval atomi, kar v grščini pomeni nedeljivi. Predlagal je tudi, da so atomi lahko različni in so v stalnem gibanju, vendar tega ne vidimo, ker. so zelo majhne.
Velik prispevek k razvoju molekularne kinetične teorije je dal M.V. Lomonosov. Lomonosov je prvi predlagal, da toplota odraža gibanje atomov v telesu. Poleg tega je uvedel koncept preprostih in kompleksnih snovi, katerih molekule so sestavljene iz enakih oziroma različnih atomov.
Molekularna fizika ali molekularno kinetična teorija temelji na določenih predstavah o strukturi snovi
Tako je po atomistični teoriji zgradbe snovi najmanjši delec snovi, ki ohrani vse svoje kemijske lastnosti, molekula. Dimenzije celo velikih molekul, sestavljenih iz tisočev atomov, so tako majhne, da jih ni mogoče videti s svetlobnim mikroskopom. Številni poskusi in teoretični izračuni kažejo, da je velikost atomov približno 10 -10 m Velikost molekule je odvisna od tega, koliko atomov sestavlja in kako se nahajajo drug glede na drugega.
Molekularno-kinetična teorija je preučevanje strukture in lastnosti snovi, ki temelji na ideji o obstoju atomov in molekul kot najmanjših delcev kemičnih snovi.
Molekularno kinetična teorija temelji na treh glavnih določbah:
1. Vse snovi - tekoče, trdne in plinaste - so sestavljene iz najmanjših delcev - molekul, ki so same sestavljene iz atomov ("elementarne molekule"). Molekule kemične snovi so lahko enostavne ali kompleksne, tj. biti sestavljen iz enega ali več atomov. Molekule in atomi so električno nevtralni delci. Pod določenimi pogoji lahko molekule in atomi pridobijo dodaten električni naboj in se spremenijo v pozitivne ali negativne ione.
2. Atomi in molekule so v neprekinjenem kaotičnem gibanju.
3. Delci medsebojno delujejo s silami, ki so po naravi električne. Gravitacijska interakcija med delci je zanemarljiva.
Najbolj presenetljiva eksperimentalna potrditev idej molekularno-kinetične teorije o naključnem gibanju atomov in molekul je Brownovo gibanje. To je toplotno gibanje najmanjših mikroskopskih delcev, suspendiranih v tekočini ali plinu. Odkril ga je angleški botanik R. Brown leta 1827. Brownovi delci se gibljejo pod vplivom naključnih trkov molekul. Zaradi kaotičnega toplotnega gibanja molekul se ti udarci med seboj nikoli ne uravnotežijo. Posledično se hitrost Brownovega delca naključno spreminja v velikosti in smeri, njegova pot pa je zapletena cikcak krivulja.
Nenehno kaotično gibanje molekul snovi se kaže tudi v drugem zlahka opazljivem pojavu - difuziji. Difuzija je pojav prodiranja dveh ali več sosednjih snovi druga v drugo. Proces najhitreje poteka v plinu.
Naključno naključno gibanje molekul imenujemo toplotno gibanje. Kinetična energija toplotnega gibanja narašča z naraščajočo temperaturo.
Mol je količina snovi, ki vsebuje toliko delcev (molekul), kolikor je atomov v 0,012 kg ogljika 12 C. Molekula ogljika je sestavljena iz enega atoma.
32. Masa molekul, relativna molekulska masa molekul. 33. Molska masa molekul. 34. Količina snovi. 35. Avogadrova konstanta.
V molekularni kinetični teoriji velja, da je količina snovi sorazmerna s številom delcev. Enota količine snovi se imenuje mol (mol).
Mol je količina snovi, ki vsebuje toliko delcev (molekul), kolikor je atomov v 0,012 kg (12 g) ogljika 12 C. Molekula ogljika je sestavljena iz enega atoma.
En mol snovi vsebuje število molekul ali atomov, ki je enako Avogadrovi konstanti.
Tako en mol katerekoli snovi vsebuje enako število delcev (molekul). To število imenujemo Avogadrova konstanta N A: N A \u003d 6,02 10 23 mol -1.
Avogadrova konstanta je ena najpomembnejših konstant v teoriji molekularne kinetike.
Količina snovi ν je opredeljena kot razmerje med številom N delcev (molekul) snovi in Avogadrovo konstanto N A:
Molska masa, M, je razmerje med maso m danega vzorca snovi in količino n snovi, ki jo vsebuje:
ki je številčno enaka masi snovi, vzete v količini enega mola. Molska masa v sistemu SI je izražena v kg/mol.
Tako je relativna molekulska ali atomska masa snovi razmerje med maso njene molekule in atoma na 1/12 mase ogljikovega atoma.
36. Brownovo gibanje.
Mnogi naravni pojavi pričajo o kaotičnem gibanju mikrodelcev, molekul in atomov snovi. Višja kot je temperatura snovi, intenzivnejše je to gibanje. Zato je toplota telesa odraz naključnega gibanja njegovih sestavnih molekul in atomov.
Dokaz, da so vsi atomi in molekule snovi v stalnem in naključnem gibanju, je lahko difuzija – medsebojno prodiranje delcev ene snovi v drugo.
Tako se vonj hitro razširi po prostoru tudi v odsotnosti gibanja zraka. Kapljica črnila hitro obarva celoten kozarec vode enakomerno črno.
Difuzijo lahko zaznamo tudi v trdnih snoveh, če jih tesno stisnemo skupaj in pustimo dlje časa. Pojav difuzije dokazuje, da se mikrodelci snovi lahko spontano gibljejo v vse smeri. Takšno gibanje mikrodelcev snovi, pa tudi njenih molekul in atomov, imenujemo njihovo toplotno gibanje.
BROWNIEVO GIBANJE - naključno gibanje najmanjših delcev, suspendiranih v tekočini ali plinu, ki se pojavi pod vplivom vplivov okoljskih molekul; odkril R. Brown leta 1827
Opazovanja kažejo, da se Brownovo gibanje nikoli ne ustavi. V kapljici vode (če ne pustimo, da se posuši) lahko opazujemo gibanje zrn več dni, mesecev, let. Ne preneha ne poleti ne pozimi, ne podnevi ne ponoči.
Razlog za Brownovo gibanje je neprekinjeno, neskončno gibanje molekul tekočine, v kateri se nahajajo zrna trdne snovi. Seveda so ta zrna velikokrat večja od samih molekul in ko vidimo gibanje zrn pod mikroskopom, ne smemo misliti, da vidimo gibanje samih molekul. Molekul ni mogoče videti z navadnim mikroskopom, lahko pa o njihovem obstoju in gibanju sodimo po udarcih, ki jih povzročajo, potiskajo zrna trdnega telesa in jih spravljajo v gibanje.
Odkritje Brownovega gibanja je bilo zelo pomembno za preučevanje strukture snovi. Pokazala je, da so telesa res sestavljena iz ločenih delcev – molekul in da so molekule v neprekinjenem naključnem gibanju.
Razlaga Brownovega gibanja je bila podana šele v zadnji četrtini 19. stoletja, ko je mnogim znanstvenikom postalo očitno, da gibanje Brownovega delca povzročajo naključni udarci molekul medija (tekočine ali plina), ki ustvarjajo toploto. gibanje. V povprečju delujejo molekule medija na Brownov delec z vseh strani z enako močjo, vendar se ti udarci nikoli ne ravno uravnotežijo, zato se hitrost Brownovega delca naključno spreminja v velikosti in smeri. Zato se Brownov delec giblje po cikcakasti poti. V tem primeru manjša kot sta Brownov delec in njegova masa bolj opazno postane njegovo gibanje.
Tako je analiza Brownovega gibanja postavila temelje sodobni molekularno-kinetični teoriji zgradbe snovi.
37. Sile interakcije molekul. 38. Zgradba plinastih snovi. 39. Zgradba tekočih snovi. 40. Zgradba trdnih snovi.
Razdalja med molekulami in sile, ki delujejo med njimi, določajo lastnosti plinastih, tekočih in trdnih teles.
Navajeni smo, da lahko tekočino prelijemo iz ene posode v drugo, plin pa hitro napolni celotno prostornino, ki mu je na voljo. Voda lahko teče le po strugi, zrak nad njo pa ne pozna meja.
Med vsemi molekulami delujejo medmolekularne privlačne sile, katerih velikost zelo hitro upada z medsebojno oddaljenostjo molekul in zato na razdalji, ki je enaka več premerom molekul, sploh ne delujejo.
Tako med molekulami tekočine, ki se nahajajo skoraj blizu druga drugi, delujejo privlačne sile, ki preprečujejo, da bi se te molekule razpršile v različnih smereh. Nasprotno, zanemarljive sile privlačnosti med molekulami plina jih ne morejo držati skupaj, zato se lahko plini razširijo in zapolnijo celotno prostornino, ki jim je na voljo. Obstoj medmolekularnih privlačnih sil lahko preverimo tako, da postavimo preprost eksperiment - pritisnemo dve svinčeni palici drugo ob drugo. Če so stične površine dovolj gladke, se bodo palice zlepile in jih bo težko ločiti.
Vendar same medmolekularne sile privlačnosti ne morejo pojasniti vseh razlik med lastnostmi plinastih, tekočih in trdnih snovi. Zakaj je na primer tekočini ali trdni snovi zelo težko zmanjšati prostornino, balon pa je relativno enostavno stisniti? To je razloženo z dejstvom, da med molekulami ne obstajajo samo privlačne sile, ampak tudi medmolekularne odbojne sile, ki delujejo, ko se elektronske lupine atomov sosednjih molekul začnejo prekrivati. Prav te odbojne sile preprečujejo, da bi ena molekula prodrla v prostornino, ki jo že zaseda druga molekula.
Kadar zunanje sile ne delujejo na tekoče ali trdno telo, je razdalja med njunima molekulama tolikšna, da sta rezultantni sili privlačenja in odboja enaki nič. Če poskušate zmanjšati prostornino telesa, se razdalja med molekulami zmanjša, s strani stisnjenega telesa pa začne delovati rezultanta povečanih odbojnih sil. Nasprotno, ko je telo raztegnjeno, so elastične sile, ki nastanejo, povezane z relativnim povečanjem sil privlačnosti, saj Ko se molekule odmikajo, se odbojne sile zmanjšujejo veliko hitreje kot privlačne sile.
Molekule plina se nahajajo na razdaljah, ki so desetkrat večje od njihove velikosti, zaradi česar te molekule ne delujejo med seboj, zato je pline veliko lažje stisniti kot tekočine in trdne snovi. Plini nimajo posebne strukture in so skupek premikajočih se in trkajočih se molekul.
Tekočina je skupek molekul, ki so skoraj tesno druga ob drugi. Toplotno gibanje omogoča molekuli tekočine, da od časa do časa zamenja svoje sosede in skače z enega mesta na drugega. To pojasnjuje tekočnost tekočin.
Atomi in molekule trdnih snovi nimajo zmožnosti spreminjanja svojih sosedov in njihovo toplotno gibanje je le majhna nihanja glede na položaj sosednjih atomov ali molekul. Interakcija med atomi lahko privede do dejstva, da trdna snov postane kristal, atomi v njej pa zasedejo položaje na vozliščih kristalne mreže. Ker se molekule trdnih snovi ne premikajo glede na svoje sosede, ta telesa ohranijo svojo obliko.
41. Idealni plin v teoriji molekularne kinetike.
Idealni plin je model redčenega plina, v katerem je zanemarjena interakcija med molekulami. Sile interakcije med molekulami so precej zapletene. Na zelo majhnih razdaljah, ko molekule letijo blizu druga drugi, med njimi delujejo velike odbojne sile. Na velikih ali srednjih razdaljah med molekulami delujejo relativno šibke sile privlačnosti. Če so razdalje med molekulami v povprečju velike, kar opazimo pri dovolj redčenem plinu, potem se interakcija kaže v obliki razmeroma redkih trkov molekul med seboj, ko priletijo od blizu. V idealnem plinu je interakcija molekul na splošno zanemarjena.
42. Tlak plina v molekularno-kinetični teoriji.
Idealni plin je model redčenega plina, v katerem je zanemarjena interakcija med molekulami.
Tlak idealnega plina je sorazmeren zmnožku koncentracije molekul in njihove povprečne kinetične energije.
Plin je povsod okoli nas. Kjer koli na zemlji, tudi pod vodo, nosimo del atmosfere, katere spodnje plasti so stisnjene pod vplivom gravitacije zgornjih. Zato je mogoče z merjenjem atmosferskega tlaka presoditi, kaj se dogaja visoko nad nami, in napovedati vreme.
43. Povprečna vrednost kvadrata hitrosti molekul idealnega plina.
44. Izpeljava osnovne enačbe molekularno-kinetične teorije plina. 45. Izpeljava formule za povezavo tlaka in povprečne kinetične energije molekul plina.
Tlak p na danem odseku površine je razmerje med silo F, ki deluje pravokotno na to površino, in površino S njenega danega odseka.
Enota SI za tlak je Pascal (Pa). 1 Pa \u003d 1 N / m 2.
Poiščimo silo F, s katero deluje molekula z maso m0 na površino, od katere se odbije. Pri odboju od površine, ki traja nekaj časa Dt, se komponenta hitrosti molekule, pravokotna na to površino, vy spremeni v nasprotno (-vy). Ko se torej odbije od površine, molekula pridobi gibalno količino, 2m0vy , in zato, v skladu s tretjim Newtonovim zakonom, 2m0vy =FDt, od koder:
Formula (22.2) omogoča izračun sile, s katero ena molekula plina pritiska na steno posode v intervalu Dt. Za določitev povprečne sile tlaka plina, na primer v eni sekundi, je treba ugotoviti, koliko molekul se odbije na sekundo od površine S, prav tako je treba poznati povprečno hitrost vy molekul, ki se gibljejo proti tej površini. površino.
Naj bo n molekul na prostorninsko enoto plina. Poenostavimo našo nalogo s predpostavko, da se vse molekule plina gibljejo z enako hitrostjo, v. V tem primeru se 1/3 vseh molekul giblje vzdolž osi Ox, enako število pa vzdolž osi Oy in Oz (glej sliko 22c). Naj se polovica molekul, ki se gibljejo vzdolž osi Oy, premika proti steni C, ostale pa v nasprotni smeri. Potem bo očitno število molekul na enoto prostornine, ki hitijo proti steni C, n/6.
Poiščimo zdaj število molekul, ki zadenejo površino S (osenčeno na sliki 22c) v eni sekundi. Očitno je, da bodo imele v 1 s tiste molekule, ki se premikajo proti njej in so na razdalji, ki ni večja od v, čas, da dosežejo steno. Zato bo 1/6 vseh molekul v pravokotnem paralelopipedu, označenem na sliki 1, zadelo to območje površine. 22c, katerega dolžina je enaka v, površina končnih ploskev pa je S. Ker je prostornina tega paralelopipeda Sv, bo skupno število N molekul, ki zadenejo površino stene v 1 s, enako za:
Z uporabo (22.2) in (22.3) je mogoče izračunati impulz, ki je v 1 s dal molekulam plina odsek površine stene s površino S. Ta impulz bo številčno enak sili tlaka plina F:
od koder z uporabo (22.1) dobimo naslednji izraz, ki povezuje tlak plina in povprečno kinetično energijo translacijskega gibanja njegovih molekul:
kjer je Е СР povprečna kinetična energija molekul idealnega plina. Formulo (22.4) imenujemo osnovna enačba molekularno-kinetične teorije plinov.
46. Toplotno ravnovesje. 47. Temperatura. Sprememba temperature. 48. Instrumenti za merjenje temperature.
Toplotno ravnotežje med telesi je možno le, če je njihova temperatura enaka.
Če se z roko dotaknemo katerega koli predmeta, zlahka ugotovimo, ali je topel ali hladen. Če je temperatura predmeta nižja od temperature roke, se predmet zdi hladen, če pa obratno, je topel. Če v pest stisnete hladen kovanec, bo toplota roke začela segrevati kovanec in čez nekaj časa bo njegova temperatura postala enaka temperaturi roke ali, kot pravijo, bo prišlo do toplotnega ravnovesja. Zato temperatura označuje stanje toplotnega ravnovesja sistema dveh ali več teles z enako temperaturo.
Temperatura, prostornina in tlak plina so makroskopski parametri. Termometri se uporabljajo za merjenje temperature. V nekaterih od njih se zabeleži sprememba prostornine tekočine med segrevanjem, v drugih pa sprememba električnega upora itd. Najpogostejša je Celzijeva temperaturna lestvica, poimenovana po švedskem fiziku A. Celsiusu. Za pridobitev Celzijeve temperaturne lestvice za tekočinski termometer ga najprej potopimo v taleči se led in zabeležimo položaj konca stebra, nato pa še v vrelo vodo. Odsek med tema dvema položajema stolpca je razdeljen na 100 enakih delov, ob predpostavki, da temperatura taljenja ledu ustreza nič stopinj Celzija (o C), temperatura vrele vode pa 100 o C.
49. Povprečna kinetična energija molekul plina v toplotnem ravnovesju.
Osnovna enačba molekularne kinetične teorije (22.4) povezuje tlak plina, koncentracijo molekul in njihovo povprečno kinetično energijo. Vendar pa povprečna kinetična energija molekul praviloma ni znana, čeprav rezultati številnih poskusov kažejo, da se hitrost molekul povečuje z naraščanjem temperature (glej npr. Brownovo gibanje v §20). Odvisnost povprečne kinetične energije molekul plina od njegove temperature je mogoče dobiti iz zakona, ki ga je leta 1787 odkril francoski fizik J. Charles.
50. Plini v stanju toplotnega ravnotežja (opišite izkušnjo).
51. Absolutna temperatura. 52. Absolutna temperaturna lestvica. 53. Temperatura je merilo povprečne kinetične energije molekul.
Odvisnost povprečne kinetične energije molekul plina od njegove temperature je mogoče dobiti iz zakona, ki ga je leta 1787 odkril francoski fizik J. Charles.
V skladu s Charlesovim zakonom, če se prostornina dane mase plina ne spremeni, je njegov tlak pt linearno odvisen od temperature t:
kjer je t temperatura plina, izmerjena v o C, in p 0 je tlak plina pri temperaturi 0 o C (glej sliko 23b). Tako iz Charlesovega zakona izhaja, da je tlak plina, ki zaseda konstanten volumen, sorazmeren z vsoto (t + 273 o C). Po drugi strani pa iz (22.4) sledi, da če je koncentracija molekul konstantna, tj. prostornina, ki jo zaseda plin, ne spremeni, potem mora biti tlak plina sorazmeren s povprečno kinetično energijo molekul. To pomeni, da je povprečna kinetična energija E SR plinskih molekul preprosto sorazmerna z vrednostjo (t + 273 o C):
kjer je b konstanten koeficient, katerega vrednost bomo določili kasneje. Iz (23.2) sledi, da bo povprečna kinetična energija molekul pri -273 ° C postala enaka nič. Na podlagi tega je angleški znanstvenik W. Kelvin leta 1848 predlagal uporabo absolutne temperaturne lestvice, ki bi ustrezala ničelni temperaturi do -273 °C, vsaka stopinja temperature pa bi bila enaka stopinji Celzija. Torej je absolutna temperatura T povezana s temperaturo t, merjeno v Celziju, kot sledi:
Enota SI za absolutno temperaturo je Kelvin (K).
Glede na (23.3) se enačba (23.2) pretvori v:
če ga zamenjamo v (22.4), dobimo naslednje:
Da se znebimo ulomka v (23.5), zamenjamo 2b/3 s k in namesto (23.4) in (23.5) dobimo dve zelo pomembni enačbi:
kjer je k Boltzmannova konstanta, imenovana po L. Boltzmannu. Eksperimenti so pokazali, da je k=1,38,10 -23 J/K. Tako sta tlak plina in povprečna kinetična energija njegovih molekul sorazmerna z njegovo absolutno temperaturo.
54. Odvisnost tlaka plina od koncentracije njegovih molekul in temperature.
V večini primerov, ko plin prehaja iz enega stanja v drugo, se spremenijo vsi njegovi parametri - temperatura, prostornina in tlak. To se zgodi, ko se plin stisne pod batom v valju motorja z notranjim zgorevanjem, zaradi česar se temperatura plina in njegov tlak povečata, prostornina pa se zmanjša. Vendar so v nekaterih primerih spremembe enega od parametrov plina relativno majhne ali pa jih sploh ni. Takšne procese, kjer eden od treh parametrov - temperatura, tlak ali prostornina ostane nespremenjen, imenujemo izoprocesi, zakonitosti, ki jih opisujejo, pa plinski zakoni.
55. Merjenje hitrosti molekul plina. 56. Sternova izkušnja.
Najprej razjasnimo, kaj pomeni hitrost molekul. Spomnimo se, da se zaradi pogostih trkov hitrost vsake posamezne molekule ves čas spreminja: molekula se giblje hitro ali počasi in za nekaj časa (na primer eno sekundo) hitrost molekule zavzame veliko različnih vrednosti. Po drugi strani pa so v vsakem trenutku v velikem številu molekul, ki sestavljajo obravnavani volumen plina, molekule z zelo različnimi hitrostmi. Očitno je treba za karakterizacijo stanja plina govoriti o določeni povprečni hitrosti. Predpostavimo lahko, da je to povprečna hitrost ene od molekul v dovolj dolgem časovnem obdobju ali da je to povprečna hitrost vseh molekul plina v dani prostornini v nekem trenutku.
Hitrost gibanja molekul lahko določimo na različne načine. Ena najpreprostejših je metoda, izvedena leta 1920 v Sternovem poskusu.
riž. 390. Ko je prostor pod steklom A napolnjen z vodikom; nato iz konca lijaka, zaprtega s porozno posodo B, izstopijo mehurčki
Da bi to razumeli, razmislite o naslednji analogiji. Pri streljanju na premikajočo se tarčo moraš, da jo zadeneš, ciljati v točko pred tarčo. Če merite na tarčo, bodo krogle zadele za tarčo. To odstopanje mesta udarca od tarče bo tem večje, čim hitreje se tarča premika in čim manjša je hitrost krogel.
Eksperiment Otta Sterna (1888–1969) je bil posvečen eksperimentalni potrditvi in vizualizaciji hitrostne porazdelitve molekul plina. To je še ena lepa izkušnja, ki je omogočila, da smo na eksperimentalni postavitvi »zrisali« graf te porazdelitve v pravem pomenu besede. Sternova instalacija je bila sestavljena iz dveh vrtečih se votlih valjev s sovpadajočima osema (glej sliko na desni; veliki valj ni v celoti narisan). V notranjem valju je bila naravnost vzdolž njegove osi raztegnjena srebrna nit 1, skozi katero je šel tok, kar je povzročilo njeno segrevanje, delno taljenje in posledično izhlapevanje srebrovih atomov s površine. Zaradi tega se je notranji valj, ki je sprva imel vakuum, postopoma napolnil s plinastim srebrom nizke koncentracije. V notranjem valju, kot je prikazano na sliki, je bila narejena tanka reža 2, tako da se je večina atomov srebra, ki so prispeli v valj, usedla na njej. Majhen del atomov je šel skozi režo in padel v zunanji valj, v katerem se je vzdrževal vakuum. Tukaj ti atomi niso več trčili z drugimi atomi in so se zato gibali v radialni smeri s konstantno hitrostjo in dosegli zunanji valj po času, ki je obratno sorazmeren s to hitrostjo:
kjer sta polmera notranjega in zunanjega valja, in je radialna komponenta hitrosti delcev. Posledično se je sčasoma na zunanjem cilindru 3 pojavila plast srebrnega napršenja. Pri mirujočih valjih je imela ta plast obliko traku, ki se nahaja točno nasproti reže v notranjem valju. Če pa se valji vrtijo z enako kotno hitrostjo, potem se je do trenutka, ko je molekula dosegla zunanji valj, ta že premaknil za razdaljo
v primerjavi s točko neposredno nasproti reže (tj. točko, na kateri so se delci usedli v primeru mirujočih valjev).
57. Izpeljava enačbe stanja idealnega plina (Mendeleev-Claiperonova enačba)
Plini so pogosto reaktanti in produkti v kemičnih reakcijah. V normalnih pogojih ni vedno mogoče doseči njihove medsebojne reakcije. Zato se morate naučiti, kako določiti število molov plinov v pogojih, ki niso običajni.
Če želite to narediti, uporabite enačbo stanja idealnega plina (imenuje se tudi Clapeyron-Mendelejeva enačba): PV = nRT
kjer je n število molov plina;
P je tlak plina (na primer v atm;
V je prostornina plina (v litrih);
T je temperatura plina (v kelvinih);
R je plinska konstanta (0,0821 L atm/mol K).
Našel sem izpeljavo enačbe, vendar je zelo zapletena. Moramo še iskati.
58. Izotermičen proces.
Izotermičen proces je sprememba agregatnega stanja plina, pri kateri njegova temperatura ostane konstantna. Primer takega postopka je napihovanje avtomobilskih pnevmatik z zrakom. Vendar pa lahko takšen proces štejemo za izotermnega, če primerjamo stanje zraka pred vstopom v črpalko z njegovim stanjem v pnevmatiki, potem ko sta se temperatura pnevmatike in okoliškega zraka izenačila. Vsi počasni procesi, ki se zgodijo z majhno prostornino plina, obdanega z veliko maso plina, tekočine ali trdne snovi s konstantno temperaturo, se lahko štejejo za izotermne.
Pri izotermnem procesu je produkt tlaka dane mase plina in njegove prostornine stalna vrednost. Ta zakon, imenovan Boyle-Mariottov zakon, sta odkrila angleški znanstvenik R. Boyle in francoski fizik E. Mariotte in je zapisan v naslednji obliki:
Poiščite primere!
59. Izobarni proces.
Izobarični proces je sprememba agregatnega stanja plina, ki se pojavi pri konstantnem tlaku.
Pri izobaričnem procesu je razmerje med prostornino dane mase plina in njegovo temperaturo konstantno. Ta sklep, ki se v čast francoskega znanstvenika J. Gay-Lussaca imenuje zakon Gay-Lussac, lahko zapišemo kot:
En primer izobaričnega procesa je širjenje majhnih mehurčkov zraka in ogljikovega dioksida, ki jih vsebuje testo, ko ga postavimo v pečico. Zračni tlak znotraj in zunaj pečice je enak, temperatura v notranjosti pa je približno 50 % višja od zunanje. Po Gay-Lussacovem zakonu se za 50 % poveča tudi prostornina plinskih mehurčkov v testu, zaradi česar je torta zračna.
60. Izohorni proces.
Proces, pri katerem se stanje plina spreminja, njegova prostornina pa ostane nespremenjena, imenujemo izohorični. Iz Mendelejev-Clapeyronove enačbe sledi, da mora biti za plin, ki zavzema konstanten volumen, konstantno tudi razmerje med njegovim tlakom in temperaturo:
Poiščite primere!
61. Izhlapevanje in kondenzacija.
Para je plin, ki nastane iz molekul, ki imajo dovolj kinetične energije, da zapustijo tekočino.
Navajeni smo, da lahko voda in njena para prehajata druga v drugo. Luže na pločniku se po dežju posušijo, vodna para v zraku pa se zjutraj pogosto spremeni v drobne kapljice megle. Vse tekočine imajo sposobnost, da se spremenijo v hlape - preidejo v plinasto stanje. Proces spreminjanja tekočine v paro imenujemo izhlapevanje. Nastanek tekočine iz njenih hlapov imenujemo kondenzacija.
Molekularno kinetična teorija razlaga proces izparevanja na naslednji način. Znano je (glej § 21), da med molekulami tekočine deluje privlačna sila, ki jim ne omogoča, da se odmaknejo druga od druge, povprečna kinetična energija molekul tekočine pa ni dovolj za premagovanje kohezivnega sile med njimi. Vendar pa imajo v danem trenutku različne molekule tekočine različne kinetične energije in energija nekaterih molekul je lahko nekajkrat večja od povprečne vrednosti. Te visokoenergijske molekule imajo veliko večjo hitrost gibanja in zato lahko premagajo privlačne sile sosednjih molekul ter odletijo iz tekočine in tako tvorijo hlape nad njeno površino (glej sliko 26a).
Molekule, ki sestavljajo hlape, ki so zapustile tekočino, se gibljejo naključno in trčijo med seboj na enak način kot to počnejo molekule plina med toplotnim gibanjem. V tem primeru lahko kaotično gibanje nekaterih molekul pare odnese tako daleč od površine tekočine, da se tja nikoli ne vrnejo. Prispeva k temu, seveda, in veter. Nasprotno, naključno gibanje drugih molekul jih lahko vrne v tekočino, kar pojasnjuje proces kondenzacije hlapov.
Iz tekočine lahko odletijo le molekule, ki imajo kinetično energijo veliko večjo od povprečne, kar pomeni, da se med izhlapevanjem povprečna energija preostalih molekul tekočine zmanjša. In ker je povprečna kinetična energija molekul tekočine, tako kot plina (glej 23.6), sorazmerna s temperaturo, se temperatura tekočine med izhlapevanjem zmanjšuje. Zato nas zebe takoj, ko zapustimo vodo, prekrito s tanko plastjo tekočine, ki takoj začne izhlapevati in se ohlajati.
62. Nasičena para. Tlak nasičene pare.
Kaj se zgodi, če posodo z določeno prostornino tekočine zapremo s pokrovom (slika 26b)? Vsako sekundo bodo najhitrejše molekule še vedno zapustile površino tekočine, njena masa se bo zmanjšala, koncentracija molekul pare pa se bo povečala. Hkrati se bo del molekul hlapov vrnil v tekočino iz hlapov in večja kot je koncentracija hlapov, intenzivnejši bo ta proces kondenzacije. Končno bo koncentracija hlapov nad tekočino postala tako visoka, da bo število molekul, ki se vrnejo v tekočino na časovno enoto, postalo enako številu molekul, ki jo zapustijo. To stanje imenujemo dinamično ravnovesje, ustrezna para pa nasičena para. Koncentracija parnih molekul nad tekočino ne more biti večja od njihove koncentracije v nasičeni pari. Če je koncentracija molekul hlapov manjša od koncentracije nasičenih, se taka para imenuje nenasičena.
Gibajoče se molekule pare ustvarjajo tlak, katerega vrednost je tako kot pri plinu sorazmerna zmnožku koncentracije teh molekul in temperature. Zato pri dani temperaturi večja kot je koncentracija pare, večji je pritisk, ki ga izvaja. Nasičeni parni tlak je odvisen od vrste tekočine in temperature. Težje kot je raztrgati molekule tekočine, nižji bo pritisk njene nasičene pare. Tako je tlak nasičenih vodnih hlapov pri temperaturi 20 ° C približno 2 kPa, tlak nasičenih hlapov živega srebra pri 20 ° C pa le 0,2 Pa.
Življenje človeka, živali in rastlin je odvisno od koncentracije vodne pare (vlažnosti) ozračja, ki se glede na kraj in letni čas močno spreminja. Vodna para okoli nas je praviloma nenasičena. Relativna vlažnost je razmerje med tlakom vodne pare in tlakom nasičene pare pri isti temperaturi, izraženo v odstotkih. Ena od naprav za merjenje vlažnosti zraka je psihrometer, sestavljen iz dveh enakih termometrov, od katerih je eden ovit v vlažno krpo.
63. Odvisnost tlaka nasičene pare od temperature.
Para je plin, ki ga tvorijo izhlapele molekule tekočine, zato zanjo velja enačba (23.7), ki povezuje parni tlak p, koncentracijo molekul v njej n in absolutno temperaturo T:
Iz (27.1) sledi, da mora nasičeni parni tlak naraščati linearno z naraščajočo temperaturo, kot velja za idealne pline v izohoričnih procesih (glej §25). Vendar pa so meritve pokazale, da tlak nasičenih hlapov raste s temperaturo veliko hitreje kot tlak idealnega plina (glej sliko 27a). To se zgodi zaradi dejstva, da z naraščajočo temperaturo in s tem povprečno kinetično energijo vse več molekul tekočine zapušča, kar povečuje koncentracijo n hlapov nad njo. In odkar v skladu z (27.1) je tlak sorazmeren z n, potem to povečanje koncentracije hlapov pojasnjuje hitrejše naraščanje tlaka nasičene pare s temperaturo v primerjavi z idealnim plinom. Povečanje tlaka nasičene pare s temperaturo pojasnjuje dobro znano dejstvo - pri segrevanju tekočine hitreje izhlapevajo. Upoštevajte, da takoj ko povečanje temperature povzroči popolno izhlapevanje tekočine, postane para nenasičena.
Ko se tekočina v vsakem od mehurčkov segreje, se proces izhlapevanja pospeši, tlak nasičene pare pa se poveča. Mehurčki se razširijo in se pod delovanjem Arhimedove vzgonske sile odtrgajo od dna, priplavajo navzgor in počijo na površini. V tem primeru se para, ki je napolnila mehurčke, odnese v ozračje.
Nižji kot je atmosferski tlak, nižja je temperatura, pri kateri ta tekočina vre (glej sliko 27c). Torej, na vrhu gore Elbrus, kjer je zračni tlak polovično normalen, navadna voda ne vre pri 100 o C, ampak pri 82 o C. Nasprotno, če je treba povečati vrelišče tekočine, potem segreva se pri povišanem tlaku. To je na primer osnova za delo kuhalnikov na pritisk, kjer lahko živila, ki vsebujejo vodo, kuhamo pri temperaturi nad 100 °C brez vrenja.
64. Vrenje.
Vretje je intenziven proces izhlapevanja, ki poteka po celotnem volumnu tekočine in na njeni površini. Tekočina začne vreti, ko se tlak njene nasičene pare približa tlaku v tekočini.
Vretje je tvorba velikega števila parnih mehurčkov, ki se pojavijo in počijo na površini tekočine, ko jo segrevamo. Pravzaprav so ti mehurčki vedno prisotni v tekočini, vendar njihova velikost raste in postanejo opazni šele pri vrenju. Eden od razlogov, zakaj tekočine vedno vsebujejo mikromehurčke, je naslednji. Tekočina, ko jo vlijemo v posodo, od tam izpodrine zrak, vendar tega ne more storiti v celoti, njeni majhni mehurčki pa ostanejo v mikrorazpokah in nepravilnostih na notranji površini posode. Poleg tega tekočine običajno vsebujejo mikro mehurčke hlapov in zraka, ki se oprimejo najmanjših prašnih delcev.
Ko se tekočina v vsakem od mehurčkov segreje, se proces izhlapevanja pospeši, tlak nasičene pare pa se poveča. Mehurčki se razširijo in se pod delovanjem Arhimedove vzgonske sile odtrgajo od dna, priplavajo navzgor in počijo na površini. V tem primeru se para, ki je napolnila mehurčke, odnese v ozračje. Zato se vrenje imenuje izhlapevanje, ki se pojavi v celotni prostornini tekočine. Vretje se začne pri temperaturi, ko se plinski mehurčki lahko razširijo, do tega pa pride, če nasičeni parni tlak preseže atmosferski tlak. Tako je vrelišče temperatura, pri kateri je nasičeni parni tlak dane tekočine enak atmosferskemu tlaku. Dokler tekočina vre, ostane njena temperatura konstantna.
Proces vrenja je nemogoč brez sodelovanja Arhimedove vzgonske sile. Zato na vesoljskih postajah v breztežnostnih razmerah ni vrenja, segrevanje vode pa povzroči samo povečanje velikosti parnih mehurčkov in njihovo združevanje v en velik parni mehurček v posodi z vodo.
65. Kritična temperatura.
Obstaja tudi nekaj takega kot kritična temperatura, če je plin pri temperaturi nad kritično temperaturo (posamezno za vsak plin, na primer za ogljikov dioksid približno 304 K), potem se ne more več spremeniti v tekočino, ne glede na pritisk nanj. Ta pojav nastane zaradi dejstva, da so pri kritični temperaturi sile površinske napetosti tekočine enake nič.
Tabela 23. Kritična temperatura in kritični tlak nekaterih snovi
Kaj pomeni obstoj kritične temperature? Kaj se zgodi pri še višjih temperaturah?
Izkušnje kažejo, da pri temperaturah, višjih od kritične, snov lahko obstaja le v plinastem stanju.
Na obstoj kritične temperature je leta 1860 prvi opozoril Dmitrij Ivanovič Mendelejev.
Po odkritju kritične temperature je postalo jasno, zakaj plinov, kot sta kisik ali vodik, dolgo časa ni bilo mogoče pretvoriti v tekočino. Njihova kritična temperatura je zelo nizka (Tabela 23). Da bi te pline spremenili v tekočino, jih je treba ohladiti pod kritično temperaturo. Brez tega so vsi poskusi njihovega utekočinjenja obsojeni na neuspeh.
66. Delni tlak. relativna vlažnost. 67. Instrumenti za merjenje relativne vlažnosti zraka.
Življenje človeka, živali in rastlin je odvisno od koncentracije vodne pare (vlažnosti) ozračja, ki se glede na kraj in letni čas močno spreminja. Vodna para okoli nas je praviloma nenasičena. Relativna vlažnost je razmerje med tlakom vodne pare in tlakom nasičene pare pri isti temperaturi, izraženo v odstotkih. Ena izmed naprav za merjenje zračne vlage je psihrometer, sestavljen iz dveh enakih termometrov, od katerih je eden zavit v vlažno krpo.Pri zračni vlagi pod 100 % bo voda iz krpe izhlapela, termometer B pa bo hladen, ki kaže nižjo temperaturo kot A. In nižja kot je vlažnost zraka, večja je razlika, Dt, med odčitkima termometrov A in B. S posebno psihrometrično tabelo lahko to temperaturno razliko uporabimo za določitev vlažnosti zrak.
Parcialni tlak je tlak določenega plina, ki je del mešanice plinov, ki bi ga ta plin izvajal na stene posode, v kateri je, če bi sam zasedel celotno prostornino mešanice pri temperaturi mešanice.
Parcialni tlak se ne meri neposredno, ampak se oceni iz skupnega tlaka in sestave mešanice.
Plini, raztopljeni v vodi ali telesnih tkivih, prav tako izvajajo pritisk, ker se molekule raztopljenega plina naključno gibljejo in imajo kinetično energijo. Če plin, raztopljen v tekočini, zadene površino, na primer celično membrano, ustvari delni tlak na enak način kot plin v mešanici plinov.
P. D. ni mogoče neposredno izmeriti; izračuna se na podlagi skupnega tlaka in sestave mešanice.
Dejavniki, ki določajo vrednost parcialnega tlaka plina, raztopljenega v tekočini. Parcialni tlak plina v raztopini ni določen le z njegovo koncentracijo, temveč tudi s koeficientom topnosti, tj. nekatere vrste molekul, kot je ogljikov dioksid, so fizikalno ali kemično vezane na molekule vode, druge pa se odbijajo. To razmerje se imenuje Henryjev zakon in je izraženo z naslednjo formulo: Parcialni tlak = koncentracija raztopljenega plina / koeficient topnosti.
68. Površinska napetost.
Najbolj zanimiva lastnost tekočin je prisotnost proste površine. Tekočina, za razliko od plinov, ne zapolni celotne prostornine posode, v katero se vlije. Med tekočino in plinom (ali paro) nastane mejna ploskev, ki je v primerjavi s preostalo maso tekočine v posebnih razmerah. Molekule v mejni plasti tekočine, v nasprotju z molekulami v njeni globini, niso z vseh strani obdane z drugimi molekulami iste tekočine. Sile medmolekulske interakcije, ki delujejo na eno od molekul znotraj tekočine iz sosednjih molekul, so v povprečju medsebojno kompenzirane. Vsako molekulo v mejni plasti privlačijo molekule znotraj tekočine (sile, ki delujejo na dano molekulo tekočine iz molekul plina (ali pare), lahko zanemarimo). Posledično se pojavi neka rezultantna sila, usmerjena globoko v tekočino. Površinske molekule vlečejo v tekočino s silami medmolekulskega privlačenja. Toda vse molekule, vključno s tistimi v mejni plasti, morajo biti v stanju ravnovesja. To ravnovesje je doseženo zaradi zmanjšanja razdalje med molekulami površinske plasti in njihovimi najbližjimi sosedi v tekočini. Kot je razvidno iz sl. 3.1.2, ko se razdalja med molekulami zmanjša, nastanejo odbojne sile. Če je povprečna razdalja med molekulami znotraj tekočine enaka r0, potem so molekule površinske plasti zapakirane nekoliko bolj gosto in imajo zato dodatno rezervo potencialne energije v primerjavi z notranjimi molekulami (glej sliko 3.1.2) . Upoštevati je treba, da zaradi izjemno nizke stisljivosti prisotnost bolj gosto zapakirane površinske plasti ne vodi do opazne spremembe prostornine tekočine. Če se molekula premakne s površine v tekočino, bodo sile medmolekularne interakcije opravile pozitivno delo. Nasprotno, da bi potegnili določeno število molekul iz globine tekočine na površino (tj. povečali površino tekočine), morajo zunanje sile opraviti pozitivno delo ΔAext, sorazmerno s spremembo ΔS površine: ΔAext = σΔS.
Koeficient σ imenujemo koeficient površinske napetosti (σ > 0). Tako je koeficient površinske napetosti enak delu, potrebnemu za povečanje površine tekočine pri konstantni temperaturi za eno enoto.
V SI se koeficient površinske napetosti meri v joulih na kvadratni meter (J/m2) ali v newtonih na meter (1 N/m = 1 J/m2).
Iz mehanike je znano, da ravnotežna stanja sistema ustrezajo najmanjši vrednosti njegove potencialne energije. Iz tega sledi, da prosta površina tekočine teži k zmanjšanju njene površine. Zaradi tega dobi prosta kapljica tekočine sferično obliko. Tekočina se obnaša, kot da sile delujejo tangencialno na njeno površino in to površino zmanjšujejo (krčijo). Te sile imenujemo sile površinske napetosti.
Zaradi prisotnosti sil površinske napetosti je površina tekočine videti kot elastičen raztegnjen film, s to razliko, da so elastične sile v filmu odvisne od njegove površine (tj. od tega, kako je film deformiran), sile površinske napetosti pa ni odvisen od površine tekočine.
Nekatere tekočine, kot je voda z milnico, lahko tvorijo tanke filme. Vsi dobro znani milni mehurčki imajo pravilno sferično obliko - v tem se kaže tudi delovanje sil površinske napetosti. Če v milno raztopino spustimo žično ogrodje, katerega ena od strani je gibljiva, bo ves prekrit s filmom tekočine.
69. Močenje.
Vsi vedo, da če kapljico tekočine položite na ravno površino, se bo ta bodisi razlila po njej bodisi dobila zaobljeno obliko. Poleg tega je velikost in konveksnost (vrednost tako imenovanega kontaktnega kota) sesalne kapljice določena s tem, kako dobro zmoči dano površino. Pojav vlaženja je mogoče razložiti na naslednji način. Če se molekule tekočine medsebojno privlačijo močneje kot molekule trdnega telesa, se tekočina zbere v kapljico.
Oster kontaktni kot se pojavi na namočeni (liofilni) površini, medtem ko se top pojavi na nemočljivi (liofobni) površini.
Tako se obnaša živo srebro na steklu, voda na parafinu ali na »mastni« površini. Če pa se molekule tekočine med seboj privlačijo šibkeje kot molekule trdnega telesa, se tekočina "pritisne" na površino in se razširi po njej. To se zgodi s kapljico živega srebra na cinkovi plošči ali s kapljico vode na čistem steklu. V prvem primeru pravimo, da tekočina ne zmoči površine (stični kot je večji od 90°), v drugem primeru pa jo zmoči (stični kot je manjši od 90°).
Je vodoodbojno mazivo, ki mnogim živalim pomaga ubežati pred čezmerno mokroto. Na primer, študije morskih živali in ptic - krznenih tjulnjev, tjulnjev, pingvinov, loonsov - so pokazale, da imajo njihovi puhasti lasje in perje hidrofobne lastnosti, medtem ko so zaščitne dlake živali in zgornji del konturnega perja ptic dobro navlaženi. z vodo. Posledično se med telesom živali in vodo ustvari zračna plast, ki igra pomembno vlogo pri termoregulaciji in toplotni izolaciji.
Vendar mazanje ni vse. Pri pojavu vlaženja ima pomembno vlogo tudi struktura površine. Grob, neraven ali porozen teren lahko izboljša vlaženje. Spomnite se na primer gobic in frotirnih brisač, ki odlično vpijajo vodo. Če pa se površina sprva "boji" vode, bo razvit relief samo poslabšal situacijo: kapljice vode se bodo zbirale na robovih in se odkotalile.
70. Kapilarni pojavi.
Kapilarni pojavi se imenujejo dvig ali padec tekočine v ceveh majhnega premera - kapilare. Omočilne tekočine se po kapilarah dvigajo, neomočljive pa spuščajo.
Na sl. 3.5.6 prikazuje kapilarno cev z nekim polmerom r, spuščeno s svojim spodnjim koncem v vlažilno tekočino z gostoto ρ. Zgornji konec kapilare je odprt. Dvig tekočine v kapilari se nadaljuje, dokler sila težnosti, ki deluje na steber tekočine v kapilari, ne postane po modulu enaka posledičnemu Fn sil površinske napetosti, ki deluje vzdolž meje stika med tekočino in površino kapilare: Ft = Fn, kjer je Ft = mg = ρhπr2g, Fн = σ2πr cos θ.
To pomeni:
Slika 3.5.6.
Dvig omočilne tekočine v kapilari.
Pri popolni omočenosti θ = 0, cos θ = 1. V tem primeru
Pri popolnem nenamočenju je θ = 180°, cos θ = –1 in zato h< 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Voda skoraj popolnoma zmoči čisto stekleno površino. Nasprotno pa živo srebro ne zmoči popolnoma steklene površine. Zato nivo živega srebra v stekleni kapilari pade pod nivo v posodi.
71. Kristalna telesa in njihove lastnosti.
Za razliko od tekočin trdno telo ne ohrani le prostornine, ampak tudi obliko in ima precejšnjo trdnost.
Različne trdne snovi, s katerimi se srečujemo, lahko razdelimo v dve skupini, ki se bistveno razlikujeta po svojih lastnostih: kristalne in amorfne.
Osnovne lastnosti kristalnih teles
1. Kristalna telesa imajo določeno tališče tmelt, ki se med taljenjem pri konstantnem tlaku ne spreminja (slika 1, krivulja 1).
2. Za kristalna telesa je značilna prisotnost prostorske kristalne mreže, ki je urejena razporeditev molekul, atomov ali ionov, ki se ponavljajo po celotnem volumnu telesa (red dolgega dosega). Za vsako kristalno mrežo je značilen obstoj takšnega elementa njene strukture, s ponavljajočim se ponavljanjem katerega v prostoru lahko dobimo celoten kristal. To je en kristal. Polikristal je sestavljen iz številnih zelo majhnih, med seboj zraščenih monokristalov, ki so naključno orientirani v prostoru.
