VI. Standžių kūnų judėjimas Jėgos momentas Pabandykite ranka pasukti sunkų smagratį. Patraukite adatą. Jums bus sunku, jei suimsite ranką per arti ašies. Perkelkite ranką į apvadą ir viskas bus lengviau. Kas pasikeitė? Juk jėga abiem atvejais

Kaip atrodo šiluminis judėjimas Sąveika tarp molekulių gali turėti didesnę ar mažesnę reikšmę molekulių „gyvenimui“. Trys materijos būsenos – dujinė, skysta ir kieta – skiriasi viena nuo kitos tuo, kokį vaidmenį jose atlieka sąveika.

PAVEIK ELEKTROS JUDIMĄ Faradėjus Oerstedo eksperimentuose pastebėjo vieną mažą detalę, kuri, regis, yra raktas į problemos supratimą.Jis spėjo, kad elektros srovės magnetizmas visada nukreipia kompaso adatą viena kryptimi. Pavyzdžiui, jei

Esant tolygiai pagreitėjusiam judėjimui, galioja šios lygtys, kurias pateikiame be išvedimo:

Kaip suprantate, vektorinė formulė kairėje ir dvi skaliarinės formulės dešinėje yra lygios. Algebros požiūriu skaliarinės formulės reiškia, kad judant tolygiai pagreitintam, poslinkio projekcijos priklauso nuo laiko pagal kvadratinį dėsnį. Palyginkite tai su momentinių greičio projekcijų pobūdžiu (žr. § 12-h).

Žinodami, kad  sx = x – xo  u   sy = y – yo  (žr. § 12-e), iš dviejų skaliarinių formulių viršutiniame dešiniajame stulpelyje gauname koordinačių lygtis:

Kadangi pagreitis tolygiai pagreitintam kūno judėjimui yra pastovus, koordinačių ašis visada galima išdėstyti taip, kad pagreičio vektorius būtų nukreiptas lygiagrečiai vienai ašiai, pavyzdžiui, Y ašiai. Vadinasi, judėjimo išilgai X ašies lygtis bus būti pastebimai supaprastinta:

x  =  xo + υox t  + (0) ir y  =  yo + υoy t  + ½ ay t²

Atkreipkite dėmesį, kad kairioji lygtis sutampa su vienodo tiesinio judėjimo lygtimi (žr. § 12-g). Tai reiškia, kad tolygiai pagreitintas judėjimas gali būti „sudarytas“ iš vienodo judėjimo išilgai vienos ašies ir tolygiai pagreitinto judėjimo išilgai kitos. Tai patvirtina patirtis su patrankos sviediniu jachtoje (žr. § 12-b).

Užduotis. Ištiesusi rankas mergina metė kamuolį. Jis pakilo iki 80 cm ir netrukus nukrito prie merginos kojų, nuskriedamas 180 cm. Kokiu greičiu buvo mestas kamuolys ir kokiu greičiu jis atsitrenkė į žemę?

Abu momentinio greičio projekcijos į Y ašį lygties puses padėkime kvadratu: υy  =  υoy + ay t  (žr. § 12-i). Gauname lygybę:

υy²  =  ( υoy + ay t )²  =  υoy² + 2 υoy ay t + ay² t²

Išimkime koeficientą  2 ay  iš skliaustų tik dviejų dešiniųjų terminų:

υy²  =  υoy² + 2 ay ( υoy t + ½ ay t² )

Atkreipkite dėmesį, kad skliausteliuose gauname poslinkio projekcijos skaičiavimo formulę:  sy = υoy t + ½ ay t². Pakeitę jį sy , gauname:

Sprendimas. Padarykime piešinį: nukreipkite Y ašį į viršų, o pradinę vietą padėkite ant žemės prie merginos kojų. Taikykime formulę, kurią išvedėme greičio projekcijos kvadratui pirmiausia viršutiniame rutulio pakilimo taške:

0 = υoy² + 2 (–g) (+h) ⇒ υoy = ±√¯2gh = +4 m/s

Tada judesio pradžioje iš viršaus žemyn:

υy² = 0 + 2 (–g) (–H) ⇒ υy = ±√¯2gh = –6 m/s

Atsakymas: kamuolys buvo sviedžiamas aukštyn 4 m/s greičiu, o nusileidimo momentu buvo 6 m/s, nukreiptas prieš Y ašį.

Pastaba. Tikimės, kad suprantate, kad momentinio greičio projekcijos kvadrato formulė bus teisinga pagal analogiją X ašiai:

Jei judėjimas yra vienmatis, tai yra, jis vyksta tik išilgai vienos ašies, sistemoje galite naudoti bet kurią iš dviejų formulių.

Tiesus judėjimas su pastoviu pagreičiu vadinamas tolygiai greitėjančiu, jei greičio modulis laikui bėgant didėja, arba tolygiai lėtėjančiu, jei jis mažėja.

Pagreitinto judėjimo pavyzdys būtų gėlių vazono kritimas iš žemo namo balkono. Kritimo pradžioje puodo greitis lygus nuliui, tačiau per kelias sekundes jis spėja išaugti iki dešimčių m/s. Sulėtinto judėjimo pavyzdys – vertikaliai aukštyn sviedžiamo akmens judėjimas, kurio greitis iš pradžių yra didelis, o vėliau pamažu mažėja iki nulio trajektorijos viršuje. Jei nepaisysime oro pasipriešinimo jėgos, pagreitis abiem šiais atvejais bus toks pat ir lygus gravitacijos pagreičiui, kuris visada nukreiptas vertikaliai žemyn, žymimas raide g ir yra maždaug 9,8 m/s2.

Laisvo kritimo pagreitį g sukelia Žemės gravitacija. Ši jėga pagreitina visus kūnus, judančius žemės link, ir sulėtina tolstančius nuo jos.

čia v yra kūno greitis momentu t, iš kur po paprastų transformacijų gauname lygtis už greitis judant pastoviu pagreičiu: v = v0 + at

8. Judėjimo su pastoviu pagreičiu lygtys.

Norėdami rasti greičio lygtį tiesiame judėjime su pastoviu pagreičiu, darome prielaidą, kad momentu t = 0 kūno pradinis greitis buvo v0. Kadangi pagreitis a yra pastovus, bet kokiam laikui t yra teisinga ši lygtis:

čia v yra kūno greitis momentu t, iš kurio atlikus paprastus transformavimus gauname greičio judant pastoviu pagreičiu lygtį: v = v0 + at

Norėdami gauti lygtį, skirtą kelio, nueinamo tiesiojo judėjimo metu su pastoviu pagreičiu, lygtis, pirmiausia sudarome greičio ir laiko grafiką (5.1). Kai a>0, šios priklausomybės grafikas parodytas 5 pav. kairėje pusėje (mėlyna linija). Kaip nustatėme §3, poslinkį, padarytą per laiką t, galima nustatyti apskaičiuojant plotą po greičio ir laiko kreive tarp t=0 ir t. Mūsų atveju figūra po kreive, kurią riboja dvi vertikalios linijos t=0 ir t, yra trapecija OABC, kurios plotas S, kaip žinia, yra lygus pusės bazių OA ilgių sumos sandaugai. ir CB bei aukštis OC:

Kaip matyti 5 paveiksle, OA = v0, CB = v0 + at ir OC = t. Pakeitę šias reikšmes į (5.2), gauname tokią poslinkio S, pasibaigusio per laiką t tiesinio judėjimo metu su pastoviu pagreičiu a pradiniu greičiu v0, lygtį:

Nesunku parodyti, kad (5.3) formulė galioja ne tik judėjimui su pagreičiu a>0, kuriam ji buvo išvesta, bet ir tais atvejais, kai a<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. Laisvas kūnų kritimas. Judėjimas su nuolatiniu laisvo kritimo pagreičiu.

Laisvas kūnų kritimas vadinamas kūnų kritimu į Žemę nesant oro pasipriešinimo (tuštumoje).

Pagreitis, su kuriuo kūnai krenta į Žemę, vadinamas laisvojo kritimo pagreičiu. Gravitacinio pagreičio vektorius žymimas simboliu, jis nukreiptas vertikaliai žemyn. Skirtinguose Žemės rutulio taškuose, priklausomai nuo geografinės platumos ir aukščio virš jūros lygio, g skaitinė reikšmė yra nevienoda – nuo ​​maždaug 9,83 m/s2 ašigalyje iki 9,78 m/s2 ties pusiauju. Maskvos platumoje g = 9,81523 m/s2. Paprastai, jei skaičiuojant nereikia didelio tikslumo, tada g skaitinė reikšmė Žemės paviršiuje imama lygi 9,8 m/s2 ar net 10 m/s2.

Paprastas laisvojo kritimo pavyzdys yra kūno kritimas iš tam tikro aukščio h be pradinio greičio. Laisvas kritimas yra tiesus judėjimas su nuolatiniu pagreičiu.

Idealus laisvasis kritimas galimas tik vakuume, kur nėra oro pasipriešinimo jėgos ir, nepaisant masės, tankio ir formos, visi kūnai krenta vienodai greitai, t.y., bet kuriuo laiko momentu kūnai turi vienodus momentinius greičius ir pagreičius.

Visos tolygiai pagreitinto judėjimo formulės yra taikomos laisvam kūnų kritimui.

Kūno laisvojo kritimo greičio vertė bet kuriuo metu:

kūno judėjimas:

Šiuo atveju tolygiai pagreitinto judėjimo formulėse vietoj pagreičio a įvedamas laisvojo kritimo pagreitis g = 9,8 m/s2.

10. Kūnų judėjimas. VERČIAMASIS STANGTO KŪNO JUDĖJIMAS

Standaus kūno transliacinis judėjimas yra toks judėjimas, kai bet kuri tiesi linija, nuolat sujungta su kūnu, juda lygiagrečiai sau. Tam pakanka, kad dvi nelygiagrečios linijos, sujungtos su kūnu, judėtų lygiagrečiai sau. Transliacinio judėjimo metu visi kūno taškai apibūdina tas pačias lygiagrečias trajektorijas ir bet kuriuo metu turi vienodus greičius bei pagreičius. Taigi kūno transliacinį judėjimą lemia vieno iš jo taškų O judėjimas.

Bendruoju atveju transliacinis judėjimas vyksta trimatėje erdvėje, tačiau jo pagrindinė savybė – bet kurio segmento lygiagretumo sau išsaugojimas išlieka.

Palaipsniui perkelia, pavyzdžiui, lifto kabiną. Be to, pirmuoju apytiksliu vertinimu, apžvalgos rato kabina juda į priekį. Tačiau griežtai žiūrint, apžvalgos rato kabinos judėjimas negali būti laikomas progresyviu. Jei kūnas juda į priekį, jo judėjimui apibūdinti pakanka aprašyti savavališko jo taško judėjimą (pavyzdžiui, kūno masės centro judėjimą).

Jei kūnai, sudarantys uždarą mechaninę sistemą, sąveikauja vienas su kitu tik per gravitacijos ir elastingumo jėgas, tada šių jėgų darbas yra lygus kūnų potencinės energijos pokyčiui, paimtam su priešingu ženklu: A \ u003d – (E p2 – E p1).

Pagal kinetinės energijos teoremą šis darbas lygus kūnų kinetinės energijos pokyčiui

Vadinasi

Arba E k 1 + E p 1 = E k 2 + E p 2 .

Kūnų, sudarančių uždarą sistemą ir sąveikaujančių vienas su kitu per gravitacijos ir elastingumo jėgas, kinetinės ir potencinės energijos suma išlieka nepakitusi.

Šis teiginys išreiškia energijos tvermės mechaniniuose procesuose dėsnį. Tai Niutono dėsnių pasekmė. Suma E = E k + E p vadinama visa mechanine energija. Mechaninės energijos tvermės dėsnis įvykdomas tik tada, kai kūnai uždaroje sistemoje sąveikauja vienas su kitu konservatyviomis jėgomis, tai yra jėgos, kurioms galima įvesti potencialios energijos sąvoką.

Uždarosios kūnų sistemos mechaninė energija nekinta, jei tarp šių kūnų veikia tik konservatyvios jėgos. Konservatyvios jėgos yra tos jėgos, kurių darbas bet kurioje uždaroje trajektorijoje yra lygus nuliui. Gravitacija yra viena iš konservatyvių jėgų.

Realiomis sąlygomis beveik visada judančius kūnus kartu su gravitacinėmis, tamprumo ir kitomis konservatyviomis jėgomis veikia terpės trinties arba pasipriešinimo jėgos.

Trinties jėga nėra konservatyvi. Trinties jėgos darbas priklauso nuo kelio ilgio.

Jei tarp kūnų, sudarančių uždarą sistemą, veikia trinties jėgos, mechaninė energija neišsaugoma. Dalis mechaninės energijos paverčiama vidine kūnų energija (šildymas).

Bet kokioje fizinėje sąveikoje energija neatsiranda ir neišnyksta. Ji tik keičiasi iš vienos formos į kitą.

Viena iš energijos tvermės ir transformacijos dėsnio pasekmių yra teiginys, kad neįmanoma sukurti „amžinojo judesio mašinos“ (perpetuum mobile) - mašinos, kuri galėtų dirbti neribotą laiką nenaudodama energijos.

Istorija turi nemažai „amžinojo judėjimo“ projektų. Vienuose iš jų „išradėjo“ klaidos yra akivaizdžios, kitose šios klaidos slepia sudėtingą įrenginio dizainą, todėl gali būti labai sunku suprasti, kodėl ši mašina neveiks. Nevaisingi bandymai sukurti „amžinąjį variklį“ tęsiasi ir mūsų laikais. Visi šie bandymai pasmerkti nesėkmei, nes energijos tvermės ir transformacijos dėsnis „draudžia“ gauti darbą neeikvodamas energijos.

31. Pagrindinės molekulinės-kinetinės teorijos nuostatos ir jų pagrindimas.

Visi kūnai susideda iš molekulių, atomų ir elementariųjų dalelių, kurios yra atskirtos tarpais, juda atsitiktinai ir sąveikauja viena su kita.

Kinematika ir dinamika padeda mums apibūdinti kūno judėjimą ir nustatyti jėgą, kuri sukelia šį judėjimą. Tačiau mechanikai negali atsakyti į daugelį klausimų. Pavyzdžiui, iš ko pagaminti kūnai? Kodėl daugelis medžiagų kaitinant tampa skystos, o paskui išgaruoja? Ir apskritai, kas yra temperatūra ir šiluma?

Į tokius klausimus prieš 25 šimtmečius bandė atsakyti senovės graikų filosofas Demokritas. Neatlikęs jokių eksperimentų, jis priėjo išvados, kad kūnai mums tik atrodo kieti, o iš tikrųjų jie susideda iš mažiausių dalelių, atskirtų tuštumos. Manydamas, kad šių dalelių suskaidyti neįmanoma, Demokritas jas pavadino atomais, o tai graikiškai reiškia nedalomas. Jis taip pat teigė, kad atomai gali būti skirtingi ir nuolat juda, bet mes to nematome, nes. jie labai maži.

Didelį indėlį plėtojant molekulinės kinetikos teoriją padarė M.V. Lomonosovas. Lomonosovas pirmasis pasiūlė, kad šiluma atspindi kūno atomų judėjimą. Be to, jis pristatė paprastų ir sudėtingų medžiagų, kurių molekulės susideda iš tų pačių ir skirtingų atomų, sąvokas.

Molekulinė fizika arba molekulinė kinetinė teorija remiasi tam tikromis idėjomis apie materijos struktūrą

Taigi, pagal atomistinę materijos sandaros teoriją, mažiausia medžiagos dalelė, išlaikanti visas savo chemines savybes, yra molekulė. Net didelių molekulių, susidedančių iš tūkstančių atomų, matmenys yra tokie maži, kad jų neįmanoma pamatyti šviesos mikroskopu. Daugybė eksperimentų ir teorinių skaičiavimų rodo, kad atomų dydis yra apie 10 -10 m. Molekulės dydis priklauso nuo to, iš kiek atomų ji susideda ir kaip jie išsidėstę vienas kito atžvilgiu.

Molekulinė-kinetinė teorija yra medžiagos struktūros ir savybių tyrimas, pagrįstas atomų ir molekulių, kaip mažiausių cheminių medžiagų dalelių, egzistavimo idėja.

Molekulinė kinetinė teorija remiasi trimis pagrindinėmis nuostatomis:

1. Visos medžiagos – skystos, kietos ir dujinės – susidaro iš smulkiausių dalelių – molekulių, kurios pačios susideda iš atomų („elementariųjų molekulių“). Cheminės medžiagos molekulės gali būti paprastos arba sudėtingos, t.y. sudaryti iš vieno ar daugiau atomų. Molekulės ir atomai yra elektriškai neutralios dalelės. Tam tikromis sąlygomis molekulės ir atomai gali įgyti papildomą elektros krūvį ir virsti teigiamais arba neigiamais jonais.

2. Atomai ir molekulės nuolat chaotiškai juda.

3. Dalelės sąveikauja viena su kita jėgomis, kurios savo prigimtimi yra elektrinės. Gravitacinė sąveika tarp dalelių yra nereikšminga.

Ryškiausias eksperimentinis molekulinės kinetinės teorijos idėjų apie atsitiktinį atomų ir molekulių judėjimą patvirtinimas yra Brauno judėjimas. Tai mažiausių mikroskopinių dalelių, suspenduotų skystyje ar dujose, terminis judėjimas. Jį 1827 m. atrado anglų botanikas R. Brownas. Brauno dalelės juda veikiamos atsitiktinių molekulių susidūrimų. Dėl chaotiško šiluminio molekulių judėjimo šie poveikiai niekada nesubalansuoja vienas kito. Dėl to Brauno dalelės greitis atsitiktinai keičiasi pagal dydį ir kryptį, o jos trajektorija yra sudėtinga zigzago kreivė.

Nuolatinis chaotiškas medžiagos molekulių judėjimas pasireiškia ir kitu lengvai pastebimu reiškiniu – difuzija. Difuzija yra dviejų ar daugiau gretimų medžiagų įsiskverbimo viena į kitą reiškinys. Sparčiausiai procesas vyksta dujose.

Atsitiktinis molekulių judėjimas vadinamas terminiu judėjimu. Šiluminio judėjimo kinetinė energija didėja didėjant temperatūrai.

Molis – tai medžiagos kiekis, kuriame yra tiek dalelių (molekulių), kiek atomų yra 0,012 kg anglies 12 C. Anglies molekulę sudaro vienas atomas.

32. Molekulių masė, molekulių santykinė molekulinė masė. 33. Molekulių molinė masė. 34. Medžiagos kiekis. 35. Avogadro konstanta.

Molekulinės kinetikos teorijoje laikoma, kad medžiagos kiekis yra proporcingas dalelių skaičiui. Medžiagos kiekio vienetas vadinamas molis (molis).

Molis – tai medžiagos kiekis, kuriame yra tiek dalelių (molekulių), kiek atomų yra 0,012 kg (12 g) anglies 12 C. Anglies molekulę sudaro vienas atomas.

Viename medžiagos molyje yra tiek molekulių, tiek atomų, lygų Avogadro konstantai.

Taigi viename molyje bet kurios medžiagos yra tiek pat dalelių (molekulių). Šis skaičius vadinamas Avogadro konstanta N A: N A \u003d 6,02 10 23 mol -1.

Avogadro konstanta yra viena iš svarbiausių molekulinės kinetinės teorijos konstantų.

Medžiagos kiekis ν apibrėžiamas kaip medžiagos dalelių (molekulių) skaičiaus N ir Avogadro konstantos N A santykis:

Molinė masė M yra tam tikro medžiagos mėginio masės m santykis su jame esančios medžiagos kiekiu n:

kuri skaitine prasme lygi vieno molio kiekiu paimtos medžiagos masei. Molinė masė SI sistemoje išreiškiama kg/mol.

Taigi santykinė medžiagos molekulinė arba atominė masė yra jos molekulės ir atomo masės santykis su 1/12 anglies atomo masės.

36. Brauno judesys.

Daugelis gamtos reiškinių liudija apie chaotišką medžiagos mikrodalelių, molekulių ir atomų judėjimą. Kuo aukštesnė medžiagos temperatūra, tuo šis judėjimas intensyvesnis. Todėl kūno šiluma yra atsitiktinio jį sudarančių molekulių ir atomų judėjimo atspindys.

Įrodymas, kad visi medžiagos atomai ir molekulės yra pastoviame ir atsitiktiniame judėjime, gali būti difuzija – vienos medžiagos dalelių įsiskverbimas į kitą.

Taigi, kvapas greitai pasklinda po kambarį net ir nesant oro judėjimo. Rašalo lašas greitai pajuoduoja visą vandens stiklinę.

Difuziją galima aptikti ir kietose medžiagose, jei jos yra stipriai suspaudžiamos ir paliekamos ilgam. Difuzijos reiškinys parodo, kad medžiagos mikrodalelės gali spontaniškai judėti visomis kryptimis. Toks medžiagos mikrodalelių, taip pat jos molekulių ir atomų judėjimas vadinamas jų terminiu judėjimu.

BROWNIAN MOVEMENT - atsitiktinis mažiausių dalelių, suspenduotų skystyje ar dujose, judėjimas, vykstantis veikiant aplinkos molekulėms; atrado R. Brownas 1827 m

Stebėjimai rodo, kad Brauno judėjimas niekada nesustoja. Vandens laše (jei neleisite išdžiūti) grūdų judėjimą galima stebėti daugybę dienų, mėnesių, metų. Jis nesustoja nei vasarą, nei žiemą, nei dieną, nei naktį.

Brauno judėjimo priežastis yra nuolatinis, nesibaigiantis skysčio molekulių, kuriose yra kietosios medžiagos grūdeliai, judėjimas. Žinoma, šie grūdeliai yra daug kartų didesni už pačias molekules, o matydami grūdelių judėjimą pro mikroskopą, neturėtume galvoti, kad matome pačių molekulių judėjimą. Molekulių neįmanoma pamatyti paprastu mikroskopu, tačiau apie jų egzistavimą ir judėjimą galime spręsti pagal jų sukeliamus smūgius, stumdamos kieto kūno grūdelius ir priversdamos juos judėti.

Brauno judėjimo atradimas turėjo didelę reikšmę materijos sandaros tyrimams. Tai parodė, kad kūnai iš tikrųjų susideda iš atskirų dalelių – molekulių ir kad molekulės nuolatos atsitiktinai juda.

Brauno judėjimo paaiškinimas buvo pateiktas tik paskutiniame XIX amžiaus ketvirtyje, kai daugeliui mokslininkų tapo akivaizdu, kad Brauno dalelės judėjimą sukelia atsitiktiniai terpės (skysčio ar dujų) molekulių, kurios sudaro terminį poveikį. judesį. Vidutiniškai terpės molekulės Brauno dalelę veikia iš visų pusių vienoda jėga, tačiau šie smūgiai niekada tiksliai nesubalansuoja vienas kito, todėl Brauno dalelės greitis atsitiktinai keičiasi pagal dydį ir kryptį. Todėl Browno dalelė juda zigzago keliu. Šiuo atveju, kuo mažesnis Brauno dalelės dydis ir masė, tuo labiau pastebimas jos judėjimas.

Taigi Brauno judėjimo analizė padėjo pagrindus šiuolaikinei molekulinei-kinetinei materijos sandaros teorijai.

37. Molekulių sąveikos jėgos. 38. Dujinių medžiagų sandara. 39. Skystųjų medžiagų sandara. 40. Kietųjų kūnų sandara.

Atstumas tarp molekulių ir tarp jų veikiančios jėgos lemia dujinių, skystų ir kietų kūnų savybes.

Esame įpratę, kad skystį galima pilti iš vieno indo į kitą, o dujos greitai užpildo visą jam skirtą tūrį. Vanduo gali tekėti tik upės vaga, o oras virš jos neturi ribų.

Tarp visų molekulių veikia tarpmolekulinės patrauklios jėgos, kurių dydis labai greitai mažėja, nutolus molekulėms viena nuo kitos, todėl atstumu, lygiu kelių molekulių skersmenims, jos visiškai nesąveikauja.

Taigi tarp skysčio molekulių, esančių beveik arti viena kitos, veikia patrauklios jėgos, neleidžiančios šioms molekulėms išsisklaidyti skirtingomis kryptimis. Priešingai, nežymios traukos jėgos tarp dujų molekulių nesugeba jų išlaikyti kartu, todėl dujos gali plėstis, užpildydamos visą joms skirtą tūrį. Tarpmolekulinių traukos jėgų egzistavimą galima patikrinti atlikus paprastą eksperimentą – prispausti du švino strypus vienas prie kito. Jei kontaktiniai paviršiai pakankamai lygūs, tada strypai sulips ir bus sunku juos atskirti.

Tačiau vien tarpmolekulinės traukos jėgos negali paaiškinti visų dujinių, skystų ir kietų medžiagų savybių skirtumų. Kodėl, pavyzdžiui, labai sunku sumažinti skysčio ar kietos medžiagos tūrį, bet palyginti lengva suspausti balioną? Tai paaiškinama tuo, kad tarp molekulių veikia ne tik traukos jėgos, bet ir tarpmolekulinės atstumiančios jėgos, kurios veikia, kai pradeda persidengti kaimyninių molekulių atomų elektronų apvalkalai. Būtent šios atstumiančios jėgos neleidžia vienai molekulei prasiskverbti į tūrį, kurį jau užima kita molekulė.

Kai išorinės jėgos neveikia skysto ar kieto kūno, atstumas tarp jų molekulių yra toks, kad atsirandančios traukos ir atstūmimo jėgos būtų lygios nuliui. Jei bandoma sumažinti kūno tūrį, tada atstumas tarp molekulių mažėja, o iš suspausto kūno pusės pradeda veikti padidėjusių atstumiamųjų jėgų rezultatas. Priešingai, kai kūnas tempiamas, atsirandančios tamprumo jėgos yra susijusios su santykiniu traukos jėgų padidėjimu, nes Molekulėms tolstant, atstūmimo jėgos mažėja daug greičiau nei patrauklios jėgos.

Dujų molekulės išsidėsčiusios dešimtis kartų didesniais nei jų dydis atstumais, dėl to šios molekulės nesąveikauja viena su kita, todėl dujas daug lengviau suspausti nei skysčius ir kietas medžiagas. Dujos neturi jokios specifinės struktūros ir yra judančių ir susiduriančių molekulių rinkinys.

Skystis yra molekulių, kurios yra beveik greta viena kitos, rinkinys. Šiluminis judėjimas leidžia skysčio molekulei laikas nuo laiko pakeisti savo kaimynus, šokinėti iš vienos vietos į kitą. Tai paaiškina skysčių sklandumą.

Kietųjų kūnų atomai ir molekulės neturi galimybės keisti savo kaimynų, o jų šiluminis judėjimas yra tik nedideli svyravimai, palyginti su gretimų atomų ar molekulių padėtimi. Sąveika tarp atomų gali lemti tai, kad kieta medžiaga tampa kristalu, o joje esantys atomai užima vietas kristalinės gardelės mazguose. Kadangi kietųjų kūnų molekulės nejuda savo kaimynų atžvilgiu, šie kūnai išlaiko savo formą.

41. Idealios dujos molekulinės kinetikos teorijoje.

Idealios dujos yra išretintų dujų modelis, kuriame neatsižvelgiama į molekulių sąveiką. Molekulių sąveikos jėgos yra gana sudėtingos. Labai mažais atstumais, kai molekulės skrenda arti viena kitos, tarp jų veikia didelės atstumiančios jėgos. Esant dideliems arba tarpiniams atstumams tarp molekulių, veikia palyginti silpnos traukos jėgos. Jei atstumai tarp molekulių yra vidutiniškai dideli, o tai pastebima pakankamai išretintose dujose, tai sąveika pasireiškia gana retais molekulių susidūrimais tarpusavyje, kai jos skrieja iš arti. Idealiose dujose molekulių sąveika paprastai nepaisoma.

42. Dujų slėgis molekulinėje-kinetinėje teorijoje.

Idealios dujos yra išretintų dujų modelis, kuriame neatsižvelgiama į molekulių sąveiką.

Idealių dujų slėgis yra proporcingas molekulių koncentracijos ir jų vidutinės kinetinės energijos sandaugai.

Dujos yra visur aplink mus. Bet kurioje žemės vietoje, net ir po vandeniu, mes nešiojame dalį atmosferos, kurios apatiniai sluoksniai suspaudžiami veikiant viršutinių gravitacijai. Todėl matuojant atmosferos slėgį galima spręsti, kas vyksta aukštai virš mūsų, ir numatyti orus.

43. Idealiųjų dujų molekulių greičio kvadrato vidutinė vertė.

44. Dujų molekulinės-kinetinės teorijos pagrindinės lygties išvedimas. 45. Dujų molekulių slėgio ir vidutinės kinetinės energijos formulės išvedimas.

Slėgis p tam tikroje paviršiaus atkarpoje yra jėgos F, veikiančios statmenai šiam paviršiui, santykis su jo nurodytos pjūvio plotu S

Slėgio SI vienetas yra paskalis (Pa). 1 Pa \u003d 1 N / m 2.

Raskime jėgą F, kuria m0 masės molekulė veikia paviršių, nuo kurio ji atsimuša. Atsispindėdamas nuo paviršiaus, trunkantis tam tikrą laikotarpį Dt, molekulės greičio dedamoji, statmena šiam paviršiui, vy pasikeičia į priešingą (-vy). Todėl, atsispindėjusi nuo paviršiaus, molekulė įgauna pagreitį, 2m0vy, taigi, pagal trečiąjį Niutono dėsnį, 2m0vy =FDt, iš kur:

Formulė (22.2) leidžia apskaičiuoti jėgą, kuria viena dujų molekulė spaudžia indo sienelę intervalu Dt. Norint nustatyti vidutinę dujų slėgio jėgą, pavyzdžiui, per vieną sekundę, reikia sužinoti, kiek molekulių per sekundę atsispindi nuo paviršiaus ploto S, taip pat reikia žinoti molekulių, judančių link jo, vidutinį greitį vy. paviršius.

Tegul dujų tūrio vienete yra n molekulių. Supaprastinkime savo užduotį darydami prielaidą, kad visos dujų molekulės juda tuo pačiu greičiu, v. Šiuo atveju 1/3 visų molekulių juda išilgai Ox ašies, tiek pat juda Oy ir Oz ašimis (žr. 22c pav.). Tegul pusė iš Oy ašies judančių molekulių juda C sienelės link, o likusios priešinga kryptimi. Tada akivaizdu, kad molekulių skaičius tūrio vienete, besiveržiančių link C sienos, bus n/6.

Dabar suraskime molekulių, kurios per vieną sekundę atsitrenkia į paviršiaus plotą S (tamsintas 22c pav.), skaičių. Akivaizdu, kad per 1 s tos molekulės, kurios juda link jos ir yra ne didesniu kaip v atstumu, turės laiko pasiekti sieną. Todėl 1/6 visų molekulių stačiakampiame gretasienyje, paryškintame 1 pav., pateks į šią paviršiaus sritį. 22c, kurio ilgis lygus v, o galinių paviršių plotas S. Kadangi šio gretasienio tūris yra Sv, bendras molekulių skaičius N, pataikiusių į sienos paviršiaus plotą per 1 s, bus lygus į:

Naudojant (22.2) ir (22.3) galima apskaičiuoti impulsą, kuris per 1 s dujų molekulėms suteikė sienelės paviršiaus atkarpą, kurios plotas S. Šis impulsas skaitine prasme bus lygus dujų slėgio jėgai F:

iš kur naudojant (22.1) gauname tokią išraišką, susijusią su dujų slėgiu ir jų molekulių transliacinio judėjimo vidutine kinetine energija:

kur Е СР yra vidutinė idealių dujų molekulių kinetinė energija. Formulė (22.4) vadinama pagrindine dujų molekulinės-kinetinės teorijos lygtimi.

46. ​​Šiluminė pusiausvyra. 47. Temperatūra. Temperatūros pokytis. 48. Prietaisai temperatūrai matuoti.

Šiluminė pusiausvyra tarp kūnų įmanoma tik tada, kai jų temperatūra yra vienoda.

Paliesdami bet kokį daiktą ranka galime nesunkiai nustatyti, ar jis šiltas, ar šaltas. Jei objekto temperatūra žemesnė už rankos temperatūrą, daiktas atrodo šaltas, o jei atvirkščiai – šiltas. Jei kumštyje suspausite šaltą monetą, rankos šiluma pradės kaitinti monetą, o po kurio laiko jos temperatūra taps lygi rankos temperatūrai arba, kaip sakoma, ateis šiluminė pusiausvyra. Todėl temperatūra apibūdina dviejų ar daugiau kūnų, turinčių vienodą temperatūrą, šiluminės pusiausvyros būseną.

Temperatūra kartu su dujų tūriu ir slėgiu yra makroskopiniai parametrai. Temperatūrai matuoti naudojami termometrai. Vienuose iš jų fiksuojamas skysčio tūrio pokytis kaitinant, kitose – elektrinės varžos pokytis ir kt. Labiausiai paplitusi yra Celsijaus temperatūros skalė, pavadinta švedų fiziko A. Celsijaus vardu. Norint gauti skysčio termometro Celsijaus temperatūros skalę, jis pirmiausia panardinamas į tirpstantį ledą ir pažymima kolonėlės galo padėtis, o po to į verdantį vandenį. Atkarpa tarp šių dviejų kolonėlės padėčių padalinama į 100 lygių dalių, darant prielaidą, kad ledo lydymosi temperatūra atitinka nulį Celsijaus laipsnių (o C), o verdančio vandens – 100 o C.

49. Vidutinė dujų molekulių kinetinė energija esant terminei pusiausvyrai.

Pagrindinė molekulinės kinetinės teorijos lygtis (22.4) susieja dujų slėgį, molekulių koncentraciją ir jų vidutinę kinetinę energiją. Tačiau vidutinė molekulių kinetinė energija, kaip taisyklė, nežinoma, nors daugelio eksperimentų rezultatai rodo, kad didėjant temperatūrai molekulių greitis didėja (žr., pavyzdžiui, Brauno judėjimą §20). Dujų molekulių vidutinės kinetinės energijos priklausomybę nuo jų temperatūros galima gauti iš dėsnio, kurį prancūzų fizikas J. Charlesas atrado 1787 m.

50. Dujos šiluminės pusiausvyros būsenoje (apibūdinkite patirtį).

51. Absoliuti temperatūra. 52. Absoliutinės temperatūros skalė. 53. Temperatūra – tai vidutinės molekulių kinetinės energijos matas.

Dujų molekulių vidutinės kinetinės energijos priklausomybę nuo jų temperatūros galima gauti iš dėsnio, kurį prancūzų fizikas J. Charlesas atrado 1787 m.

Pagal Charleso dėsnį, jei tam tikros dujų masės tūris nekinta, jų slėgis pt tiesiškai priklauso nuo temperatūros t:

čia t – dujų temperatūra išmatuota o C, o p 0 – dujų slėgis esant 0 o C temperatūrai (žr. 23b pav.). Taigi iš Charleso dėsnio išplaukia, kad pastovų tūrį užimančių dujų slėgis yra proporcingas sumai (t + 273 o C). Kita vertus, iš (22.4) išplaukia, kad jei molekulių koncentracija yra pastovi, t.y. dujų užimamas tūris nekinta, tuomet dujų slėgis turi būti proporcingas vidutinei molekulių kinetinei energijai. Tai reiškia, kad vidutinė dujų molekulių kinetinė energija, E SR, yra tiesiog proporcinga vertei (t + 273 o C):

kur b yra pastovus koeficientas, kurio reikšmę nustatysime vėliau. Iš (23.2) seka, kad vidutinė molekulių kinetinė energija taps lygi nuliui esant -273 ° C. Tuo remdamasis anglų mokslininkas W. Kelvinas 1848 m. pasiūlė naudoti absoliučią temperatūros skalę, kurioje atitiktų nulinę temperatūrą. iki -273 °C, o kiekvienas temperatūros laipsnis būtų lygus laipsniui Celsijaus. Taigi absoliuti temperatūra T yra susijusi su temperatūra t, matuojama Celsijaus, taip:

Absoliučios temperatūros SI vienetas yra Kelvinas (K).

Duota (23.3), lygtis (23.2) paverčiama į:

pakeitę kurią į (22.4), gauname:

Norėdami atsikratyti trupmenos (23.5), 2b/3 pakeičiame k, o vietoj (23.4) ir (23.5) gauname dvi labai svarbias lygtis:

kur k yra Boltzmanno konstanta, pavadinta L. Boltzmanno vardu. Eksperimentai parodė, kad k=1.38.10 -23 J/K. Taigi dujų slėgis ir vidutinė jų molekulių kinetinė energija yra proporcingi jų absoliučiai temperatūrai.

54. Dujų slėgio priklausomybė nuo jų molekulių koncentracijos ir temperatūros.

Dažniausiai dujoms pereinant iš vienos būsenos į kitą pasikeičia visi jų parametrai – temperatūra, tūris ir slėgis. Taip atsitinka, kai dujos suspaudžiamos po stūmokliu vidaus degimo variklio cilindre, dėl to pakyla dujų temperatūra ir jų slėgis, mažėja tūris. Tačiau kai kuriais atvejais vieno iš dujų parametrų pokyčiai yra palyginti nedideli arba jų visai nėra. Tokie procesai, kai vienas iš trijų parametrų – temperatūra, slėgis ar tūris išlieka nepakitęs, vadinami izoprocesais, o juos apibūdinantys dėsniai – dujų dėsniais.

55. Dujų molekulių greičio matavimas. 56. Sterno patirtis.

Pirmiausia išsiaiškinkime, ką reiškia molekulių greitis. Prisiminkite, kad dėl dažnų susidūrimų kiekvienos atskiros molekulės greitis visą laiką kinta: molekulė juda arba greitai, arba lėtai, o kurį laiką (pavyzdžiui, vieną sekundę) molekulės greitis įgauna daug skirtingų reikšmių. Kita vertus, bet kuriuo metu dideliame skaičiuje molekulių, sudarančių svarstomą dujų tūrį, yra molekulių, kurių greitis labai skiriasi. Akivaizdu, kad norint apibūdinti dujų būseną, reikia kalbėti apie tam tikrą vidutinį greitį. Galime daryti prielaidą, kad tai yra vidutinis vienos iš molekulių greitis per pakankamai ilgą laiką arba kad tai yra vidutinis visų dujų molekulių greitis tam tikrame tūryje tam tikru momentu.

Molekulių judėjimo greitį galima nustatyti įvairiais būdais. Vienas iš paprasčiausių yra metodas, atliktas 1920 m. Sterno eksperimente.

Ryžiai. 390. Kai erdvė po stiklu A užpildyta vandeniliu; tada iš piltuvo galo, uždaryto porėtu indu B, išeina burbuliukai

Norėdami tai suprasti, apsvarstykite šią analogiją. Šaudydami į judantį taikinį, norėdami į jį pataikyti, turite nusitaikyti į prieš taikinį esantį tašką. Jei pažvelgsite į taikinį, kulkos pataikys už taikinio. Šis smūgio vietos nuokrypis nuo taikinio bus tuo didesnis, kuo greičiau judės taikinys ir mažesnis kulkų greitis.

Otto Sterno (1888–1969) eksperimentas buvo skirtas eksperimentiniam dujų molekulių greičio pasiskirstymo patvirtinimui ir vizualizavimui. Tai dar viena graži patirtis, kuri leido „nubraižyti“ šio pasiskirstymo grafiką eksperimentinėje sąrankoje tikrąja to žodžio prasme. Sterno instaliaciją sudarė du besisukantys tuščiaviduriai cilindrai, kurių ašys sutampa (žr. paveikslą dešinėje; didelis cilindras nėra iki galo ištrauktas). Vidiniame cilindre sidabrinis siūlas 1 buvo ištemptas tiesiai išilgai jo ašies, per kurį buvo leidžiama srovė, dėl kurios jis įkaisdavo, iš dalies ištirpdavo ir vėliau iš jo paviršiaus išgaravo sidabro atomai. Dėl to vidinis cilindras, kuriame iš pradžių buvo vakuumas, palaipsniui buvo užpildytas mažos koncentracijos dujiniu sidabru. Vidiniame cilindre, kaip parodyta paveikslėlyje, buvo padarytas plonas plyšys 2, todėl dauguma sidabro atomų, pasiekę cilindrą, nusėdo ant jo. Nedidelė dalis atomų praėjo pro tarpą ir pateko į išorinį cilindrą, kuriame buvo palaikomas vakuumas. Čia šie atomai nebesusidūrė su kitais atomais ir todėl judėjo radialine kryptimi pastoviu greičiu, pasiekdami išorinį cilindrą po laiko, atvirkščiai proporcingo šiam greičiui:

kur yra vidinio ir išorinio cilindro spindulys ir yra radialinis dalelių greičio komponentas. Dėl to laikui bėgant ant išorinio cilindro 3 atsirado sidabro purslų sluoksnis. Jei cilindrai buvo ramybės būsenoje, šis sluoksnis buvo juostelės pavidalo, esančios tiksliai priešais vidinio cilindro plyšį. Bet jei cilindrai sukosi tuo pačiu kampiniu greičiu, tada, kai molekulė pasiekė išorinį cilindrą, pastarasis jau buvo pasislinkęs atstumu

palyginti su tašku, esančiu tiesiai priešais plyšį (t. y. tašku, kuriame dalelės nusėdo stacionarių cilindrų atveju).

57. Idealiųjų dujų būsenos lygties išvedimas (Mendelejevo-Klaiperono lygtis)

Dujos dažnai yra reagentai ir cheminių reakcijų produktai. Ne visada įmanoma priversti juos reaguoti įprastomis sąlygomis. Todėl jūs turite išmokti nustatyti dujų molių skaičių kitomis sąlygomis nei įprasta.

Norėdami tai padaryti, naudokite idealiųjų dujų būsenos lygtį (ji taip pat vadinama Clapeyrono-Mendelejevo lygtimi): PV = nRT

čia n yra dujų molių skaičius;

P yra dujų slėgis (pavyzdžiui, atm;

V – dujų tūris (litrais);

T yra dujų temperatūra (kelvinais);

R yra dujų konstanta (0,0821 L atm/mol K).

Radau lygties išvedimą, bet jis labai sudėtingas. Dar turime paieškoti.

58. Izoterminis procesas.

Izoterminis procesas – tai dujų būsenos pokytis, kai jų temperatūra išlieka pastovi. Tokio proceso pavyzdys – automobilių padangų pripūtimas oru. Tačiau toks procesas gali būti laikomas izoterminiu, jei palyginsime oro būklę prieš jam patenkant į siurblį su būkle padangoje po to, kai padangos ir aplinkinio oro temperatūra tapo vienoda. Bet kokie lėti procesai, vykstantys su nedideliu dujų kiekiu, apsuptu didelės pastovios temperatūros dujų, skysčio ar kietos medžiagos masės, gali būti laikomi izoterminiais.

Izoterminiame procese tam tikros dujų masės ir jų tūrio slėgio sandauga yra pastovi vertė. Šį dėsnį, pavadintą Boyle-Mariotte dėsniu, atrado anglų mokslininkas R. Boyle'as ir prancūzų fizikas E. Mariotte ir jis parašytas tokia forma:

Raskite pavyzdžių!

59. Izobarinis procesas.

Izobarinis procesas – tai dujų būsenos pokytis, vykstantis esant pastoviam slėgiui.

Izobariniame procese tam tikros dujų masės tūrio ir jų temperatūros santykis yra pastovus. Šią išvadą, kuri prancūzų mokslininko J. Gay-Lussac garbei vadinama Gay-Lussac įstatymu, galima parašyti taip:

Vienas izobarinio proceso pavyzdžių yra mažų oro ir anglies dioksido burbuliukų, esančių tešloje, išsiplėtimas, kai ji dedama į orkaitę. Oro slėgis orkaitės viduje ir išorėje yra vienodas, o temperatūra viduje yra maždaug 50% aukštesnė nei lauke. Pagal Gay-Lussac dėsnį, dujų burbuliukų tūris tešloje taip pat padidėja 50%, todėl pyragas tampa erdvus.

60. Izochorinis procesas.

Procesas, kurio metu keičiasi dujų būsena, o jų tūris išlieka nepakitęs, vadinamas izochoriniu. Iš Mendelejevo-Klapeirono lygties išplaukia, kad pastovų tūrį užimančioms dujoms jų slėgio ir temperatūros santykis taip pat turi būti pastovus:

Raskite pavyzdžių!

61. Garavimas ir kondensacija.

Garai yra dujos, susidarančios iš molekulių, turinčių pakankamai kinetinės energijos, kad galėtų išeiti iš skysčio.

Esame įpratę, kad vanduo ir jo garai gali pereiti vienas į kitą. Po lietaus ant grindinio esančios balos išdžiūsta, o vandens garai ore ryte dažnai virsta mažais rūko lašeliais. Visi skysčiai turi galimybę virsti garais – pereiti į dujinę būseną. Skysčio pavertimo garais procesas vadinamas garavimu. Skysčio susidarymas iš jo garų vadinamas kondensacija.

Molekulinė kinetinė teorija išgaravimo procesą paaiškina taip. Yra žinoma (žr. § 21), kad tarp skysčio molekulių veikia traukos jėga, kuri neleidžia joms atitolti viena nuo kitos, o skysčio molekulių vidutinės kinetinės energijos nepakanka, kad įveiktų rišlumą. jėgos tarp jų. Tačiau bet kuriuo laiko momentu skirtingos skysčio molekulės turi skirtingą kinetinę energiją, o kai kurių molekulių energija gali būti kelis kartus didesnė už vidutinę jos vertę. Šios didelės energijos molekulės pasižymi daug didesniu judėjimo greičiu, todėl gali įveikti gretimų molekulių patrauklias jėgas ir išskristi iš skysčio, taip virš jo paviršiaus susidarydamos garus (žr. 26a pav.).

Molekulės, sudarančios garus, išėjusius iš skysčio, juda atsitiktinai, susidurdamos viena su kita taip pat, kaip ir dujų molekulės šiluminio judėjimo metu. Tokiu atveju chaotiškas kai kurių garų molekulių judėjimas gali nunešti jas taip toli nuo skysčio paviršiaus, kad jos ten nebegrįžta. Prie to prisideda, žinoma, ir vėjas. Priešingai, atsitiktinis kitų molekulių judėjimas gali jas sugrąžinti į skystį, o tai paaiškina garų kondensacijos procesą.

Iš skysčio gali išskristi tik molekulės, kurių kinetinė energija gerokai didesnė už vidutinę, o tai reiškia, kad garuojant mažėja likusių skysčio molekulių vidutinė energija. O kadangi skysčio, kaip ir dujų, molekulių vidutinė kinetinė energija (žr. 23.6) yra proporcinga temperatūrai, tai skysčio temperatūra garuojant mažėja. Todėl pasidarome šalti vos išėję iš vandens, padengto plona skysčio plėvele, kuri tuoj pat pradeda garuoti ir vėsti.

62. Sotūs garai. Sočiųjų garų slėgis.

Kas atsitiks, jei indas su tam tikru skysčio tūriu uždaromas dangteliu (26b pav.)? Kas sekundę greičiausios molekulės vis tiek paliks skysčio paviršių, sumažės jo masė, padidės garų molekulių koncentracija. Tuo pačiu metu dalis garų molekulių sugrįš į skystį iš garų ir kuo didesnė garų koncentracija, tuo intensyvesnis bus šis kondensacijos procesas. Galiausiai garų koncentracija virš skysčio taps tokia didelė, kad į skystį grįžtančių molekulių skaičius per laiko vienetą taps lygus iš jo išeinančių molekulių skaičiui. Ši būsena vadinama dinamine pusiausvyra, o atitinkami garai vadinami sočiaisiais garais. Garų molekulių koncentracija virš skysčio negali būti didesnė už jų koncentraciją sočiuose garuose. Jei garų molekulių koncentracija mažesnė nei sočiųjų, tai tokie garai vadinami nesočiaisiais.

Judančios garų molekulės sukuria slėgį, kurio vertė, kaip ir dujų, yra proporcinga šių molekulių koncentracijos ir temperatūros sandaugai. Todėl esant tam tikrai temperatūrai, kuo didesnė garo koncentracija, tuo didesnį slėgį jis daro. Sočiųjų garų slėgis priklauso nuo skysčio tipo ir temperatūros. Kuo sunkiau atskirti skysčio molekules, tuo mažesnis bus jo sočiųjų garų slėgis. Taigi, sočiųjų vandens garų slėgis 20 ° C temperatūroje yra apie 2 kPa, o sočiųjų gyvsidabrio garų slėgis 20 ° C temperatūroje yra tik 0,2 Pa.

Žmogaus, gyvūnų ir augalų gyvenimas priklauso nuo atmosferos vandens garų koncentracijos (drėgmės), kuri labai kinta priklausomai nuo vietos ir sezono. Paprastai mus supantys vandens garai yra nesotūs. Santykinė drėgmė – vandens garų slėgio ir sočiųjų garų slėgio santykis toje pačioje temperatūroje, išreikštas procentais. Vienas iš prietaisų oro drėgmei matuoti yra psichrometras, susidedantis iš dviejų vienodų termometrų, kurių vienas apvyniotas drėgnu skudurėliu.

63. Sočiųjų garų slėgio priklausomybė nuo temperatūros.

Garai yra dujos, susidarančios iš išgaravusių skysčio molekulių, todėl joms galioja (23.7) lygtis, susiejanti garų slėgį p, molekulių koncentraciją jame n ir absoliučią temperatūrą T:

Iš (27.1) išplaukia, kad sočiųjų garų slėgis turi didėti tiesiškai didėjant temperatūrai, kaip yra idealių dujų atveju izochoriniuose procesuose (žr. §25). Tačiau matavimai parodė, kad sočiųjų garų slėgis didėja didėjant temperatūrai daug greičiau nei idealių dujų slėgis (žr. 27a pav.). Taip nutinka dėl to, kad kylant temperatūrai, taigi ir vidutinei kinetinei energijai, iš jo išeina vis daugiau skysčio molekulių, didindamos virš jo esančių garų koncentraciją n. Ir nuo tada pagal (27.1) slėgis yra proporcingas n, tada šis garų koncentracijos padidėjimas paaiškina greitesnį sočiųjų garų slėgio padidėjimą didėjant temperatūrai, palyginti su idealiomis dujomis. Sočiųjų garų slėgio padidėjimas kartu su temperatūra paaiškina visiems žinomą faktą – kaitinant skysčiai greičiau išgaruoja. Atkreipkite dėmesį, kad kai tik pakilus temperatūrai skystis visiškai išgaruos, garai taps nesotūs.

Kai skystis kiekviename iš burbuliukų kaitinamas, garavimo procesas paspartėja, o sočiųjų garų slėgis didėja. Burbulai plečiasi ir, veikiami plūduriuojančios Archimedo jėgos, atitrūksta nuo dugno, plūduriuoja aukštyn ir sprogsta paviršiumi. Tokiu atveju garai, užpildę burbulus, nunešami į atmosferą.

Kuo žemesnis atmosferos slėgis, tuo žemesnėje temperatūroje šis skystis verda (žr. 27c pav.). Taigi Elbruso kalno viršūnėje, kur oro slėgis yra perpus normalus, paprastas vanduo verda ne 100 o C, o 82 o C. Priešingai, jei reikia padidinti skysčio virimo temperatūrą, tada jis kaitinamas esant padidintam slėgiui. Pavyzdžiui, tai yra greitpuodžių darbo pagrindas, kai maistą, kuriame yra vandens, galima virti aukštesnėje nei 100 ° C temperatūroje be virimo.

64. Virimas.

Virimas yra intensyvus garavimo procesas, vykstantis visame skysčio tūryje ir jo paviršiuje. Skystis pradeda virti, kai jo sočiųjų garų slėgis artėja prie slėgio skysčio viduje.

Virimas yra daugybės garų burbuliukų, kurie iškyla ir sprogsta ant skysčio paviršiaus, kai jis kaitinamas, susidarymas. Tiesą sakant, šių burbuliukų skystyje visada yra, tačiau jų dydis didėja, ir jie tampa pastebimi tik verdant. Viena iš priežasčių, kodėl skysčiuose visada yra mikroburbuliukų, yra tokia. Skystis, supiltas į indą, išstumia iš ten orą, tačiau visiškai to padaryti negali, o maži jo burbuliukai lieka mikroplyšiuose ir nelygumai ant vidinio indo paviršiaus. Be to, skysčiuose dažniausiai yra garų ir oro mikroburbuliukų, kurie prilimpa prie smulkiausių dulkių dalelių.

Kai skystis kiekviename iš burbuliukų kaitinamas, garavimo procesas paspartėja, o sočiųjų garų slėgis didėja. Burbulai plečiasi ir, veikiami plūduriuojančios Archimedo jėgos, atitrūksta nuo dugno, plūduriuoja aukštyn ir sprogsta paviršiumi. Tokiu atveju garai, užpildę burbulus, nunešami į atmosferą. Todėl virimas vadinamas garavimu, kuris vyksta visame skysčio tūryje. Virimas prasideda toje temperatūroje, kai dujų burbuliukai turi galimybę plėstis, ir tai įvyksta, jei prisotinimo garų slėgis viršija atmosferos slėgį. Taigi virimo temperatūra yra temperatūra, kurioje tam tikro skysčio prisotinimo garų slėgis yra lygus atmosferos slėgiui. Kol skystis verda, jo temperatūra išlieka pastovi.

Virimo procesas neįmanomas be Archimedo plūduriuojančios jėgos dalyvavimo. Todėl nesvarumo sąlygomis kosminėse stotyse nevirinama, o kaitinant vandenį tik didėja garų burbuliukų dydis ir jų susijungimas į vieną didelį garų burbulą indo su vandeniu viduje.

65. Kritinė temperatūra.

Taip pat yra toks dalykas kaip kritinė temperatūra, jei dujos yra aukštesnės nei kritinės temperatūros (kiekvienoms dujoms individualiai, pavyzdžiui, anglies dioksidui apie 304 K), tada jos nebegali būti paverstos skysčiu, nesvarbu, koks spaudimas jai daromas. Šis reiškinys atsiranda dėl to, kad esant kritinei jėgos temperatūrai paviršiaus įtempimas skysčių lygis nuliui.

23 lentelė. Kai kurių medžiagų kritinė temperatūra ir kritinis slėgis

Ką rodo kritinės temperatūros buvimas? Kas nutinka dar aukštesnėje temperatūroje?

Patirtis rodo, kad esant aukštesnei nei kritinei temperatūrai, medžiaga gali egzistuoti tik dujinėje būsenoje.

Pirmą kartą 1860 metais kritinės temperatūros egzistavimą nurodė Dmitrijus Ivanovičius Mendelejevas.

Po kritinės temperatūros atradimo paaiškėjo, kodėl ilgą laiką nebuvo įmanoma tokių dujų kaip deguonis ar vandenilis paversti skysčiu. Jų kritinė temperatūra labai žema (23 lentelė). Kad šios dujos virstų skysčiais, jas reikia atvėsinti žemiau kritinės temperatūros. Be to visi bandymai juos suskystinti pasmerkti nesėkmei.

66. Dalinis slėgis. santykinė drėgmė. 67. Prietaisai oro santykinei drėgmei matuoti.

Žmogaus, gyvūnų ir augalų gyvenimas priklauso nuo atmosferos vandens garų koncentracijos (drėgmės), kuri labai kinta priklausomai nuo vietos ir sezono. Paprastai mus supantys vandens garai yra nesotūs. Santykinė drėgmė – vandens garų slėgio ir sočiųjų garų slėgio santykis toje pačioje temperatūroje, išreikštas procentais. Vienas iš prietaisų oro drėgmei matuoti yra psichrometras, susidedantis iš dviejų vienodų termometrų, kurių vienas apvyniotas drėgna šluoste. Kai oro drėgnumas bus mažesnis nei 100%, vanduo iš audinio išgaruos, o termometras B vėsus, rodantis žemesnę temperatūrą nei A. Ir kuo mažesnė oro drėgmė, tuo didesnis skirtumas, Dt, tarp termometrų A ir B rodmenų. Naudojant specialią psichrometrinę lentelę, pagal šį temperatūrų skirtumą galima nustatyti oro drėgmę oro.

Dalinis slėgis yra tam tikrų dujų, kurios yra dujų mišinio dalis, slėgis, kurį šios dujos veiktų ant talpyklos, kurioje yra jos, sienelių, jei jos vienos užimtų visą mišinio tūrį mišinio temperatūroje.

Dalinis slėgis nėra matuojamas tiesiogiai, o įvertinamas pagal bendrą slėgį ir mišinio sudėtį.

Vandenyje arba kūno audiniuose ištirpusios dujos taip pat daro slėgį, nes ištirpusių dujų molekulės juda atsitiktinai ir turi kinetinę energiją. Jei skystyje ištirpusios dujos atsitrenkia į paviršių, pavyzdžiui, ląstelės membraną, jos daro dalinį slėgį taip pat, kaip ir dujos dujų mišinyje.

P.D. negalima išmatuoti tiesiogiai, jis apskaičiuojamas pagal bendrą slėgį ir mišinio sudėtį.

Skystyje ištirpusių dujų dalinio slėgio vertę lemiantys veiksniai. Dujų dalinį slėgį tirpale lemia ne tik jų koncentracija, bet ir tirpumo koeficientas, t.y. kai kurios molekulių rūšys, pavyzdžiui, anglies dioksidas, yra fiziškai arba chemiškai prijungtos prie vandens molekulių, o kitos yra atstumiamos. Šis ryšys vadinamas Henrio dėsniu ir išreiškiamas tokia formule: Dalinis slėgis = ištirpusių dujų koncentracija / tirpumo koeficientas.

68. Paviršiaus įtempimas.

Įdomiausia skysčių savybė yra laisvo paviršiaus buvimas. Skystis, skirtingai nei dujos, neužpildo viso indo, į kurį pilamas, tūrio. Tarp skysčio ir dujų (arba garų) susidaro sąsaja, kuri yra ypatingomis sąlygomis, palyginti su likusia skysčio mase. Skysčio ribiniame sluoksnyje esančios molekulės, priešingai nei jo gylyje esančios molekulės, nėra apsuptos kitų to paties skysčio molekulių iš visų pusių. Tarpmolekulinės sąveikos jėgos, veikiančios vieną iš skysčio viduje esančių molekulių iš gretimų molekulių, yra vidutiniškai kompensuojamos. Bet kurią ribinio sluoksnio molekulę traukia skysčio viduje esančios molekulės (gali būti nepaisoma jėgos, veikiančios tam tikrą skysčio molekulę iš dujų (arba garų) molekulių). Dėl to atsiranda tam tikra jėga, nukreipta giliai į skystį. Paviršiaus molekulės į skystį įtraukiamos tarpmolekulinės traukos jėgomis. Tačiau visos molekulės, įskaitant ribinio sluoksnio molekules, turi būti pusiausvyros būsenoje. Ši pusiausvyra pasiekiama dėl tam tikro atstumo tarp paviršiaus sluoksnio molekulių ir jų artimiausių kaimynų skysčio viduje sumažėjimo. Kaip matyti iš fig. 3.1.2, mažėjant atstumui tarp molekulių, atsiranda atstumiamos jėgos. Jei vidutinis atstumas tarp molekulių skysčio viduje yra lygus r0, tai paviršinio sluoksnio molekulės susikaupusios kiek tankiau, todėl turi papildomą potencialios energijos rezervą lyginant su vidinėmis molekulėmis (žr. 3.1.2 pav.). . Reikėtų nepamiršti, kad dėl itin mažo suspaudžiamumo tankiau supakuotas paviršinis sluoksnis nesukelia jokių pastebimų skysčio tūrio pokyčių. Jei molekulė juda nuo paviršiaus į skystį, tarpmolekulinės sąveikos jėgos atliks teigiamą darbą. Priešingai, tam, kad iš skysčio gylio į paviršių ištrauktų tam tikrą molekulių skaičių (t.y. padidintų skysčio paviršiaus plotą), išorinės jėgos turi atlikti teigiamą darbą ΔAext, proporcingą pokyčiui ΔS. paviršiaus ploto: ΔAext = σΔS.

Koeficientas σ vadinamas paviršiaus įtempimo koeficientu (σ > 0). Taigi paviršiaus įtempimo koeficientas yra lygus darbui, kurio reikia norint padidinti skysčio paviršiaus plotą pastovioje temperatūroje vienu vienetu.

SI, paviršiaus įtempimo koeficientas matuojamas džauliais kvadratiniam metrui (J/m2) arba niutonais vienam metrui (1 N/m = 1 J/m2).

Iš mechanikos žinoma, kad sistemos pusiausvyros būsenos atitinka mažiausią jos potencialios energijos vertę. Iš to išplaukia, kad laisvas skysčio paviršius linkęs mažinti jo plotą. Dėl šios priežasties laisvas skysčio lašas įgauna sferinę formą. Skystis elgiasi taip, tarsi jėgos veiktų liestine jo paviršių, sumažindamos (susitraukdamos) šį paviršių. Šios jėgos vadinamos paviršiaus įtempimo jėgomis.

Dėl paviršiaus įtempimo jėgų skysčio paviršius atrodo kaip elastinga ištempta plėvelė, vienintelis skirtumas, kad plėvelės elastingumo jėgos priklauso nuo jos paviršiaus ploto (t. y. nuo plėvelės deformacijos), o paviršiaus įtempimo jėgos priklauso nuo jos paviršiaus ploto. nepriklauso nuo skysčių paviršiaus ploto.

Kai kurie skysčiai, pavyzdžiui, muiluotas vanduo, gali sudaryti plonas plėveles. Visi gerai žinomi muilo burbulai turi tinkamą sferinę formą – tai taip pat pasireiškia paviršiaus įtempimo jėgų veikimu. Jei į muilo tirpalą nuleistas vielinis rėmas, kurio viena kraštinė yra judama, tai visas jis bus padengtas skysčio plėvele.

69. Drėkinimas.

Visi žino, kad ant lygaus paviršiaus padėjus skysčio lašelį, jis arba pasklis ant jo, arba įgaus apvalią formą. Be to, sėdimojo lašo dydis ir išgaubimas (vadinamojo kontaktinio kampo reikšmė) priklauso nuo to, kaip gerai jis drėkina tam tikrą paviršių. Drėkinimo reiškinį galima paaiškinti taip. Jei skysčio molekulės viena kitą traukia stipriau nei kieto kūno molekulės, skystis linkęs kauptis į lašelį.

Ūmus kontaktinis kampas susidaro ant sudrėkinto (liofilinio) paviršiaus, o bukas – ant nešlapiamojo (liofobinio) paviršiaus.

Taip gyvsidabris elgiasi ant stiklo, vanduo – ant parafino ar ant „riebaus“ paviršiaus. Jei, priešingai, skysčio molekulės viena kitą traukia silpniau nei kieto kūno molekulės, skystis „prispaudžiamas“ prie paviršiaus ir pasklinda ant jo. Tai atsitinka su gyvsidabrio lašu ant cinko plokštės arba vandens lašeliu ant švaraus stiklo. Pirmuoju atveju sakoma, kad skystis nesudrėkina paviršiaus (kontakto kampas didesnis nei 90°), o antruoju – drėkina (kontakto kampas mažesnis nei 90°).

Tai vandenį atstumiantis lubrikantas, padedantis daugeliui gyvūnų pabėgti nuo per didelio drėkinimo. Pavyzdžiui, tyrinėjant jūrų gyvūnus ir paukščius – kailinius ruonius, ruonius, pingvinus, viščiukus – nustatyta, kad jų pūkuoti plaukai ir plunksnos turi hidrofobinių savybių, o gyvūnų apsauginiai plaukai ir paukščių viršutinė kontūrinių plunksnų dalis yra gerai sudrėkinta. su vandeniu. Dėl to tarp gyvūno kūno ir vandens susidaro oro sluoksnis, kuris atlieka svarbų vaidmenį termoreguliacijoje ir šilumos izoliacijoje.

Tačiau tepimas dar ne viskas. Paviršiaus struktūra taip pat vaidina svarbų vaidmenį drėkinimo reiškinyje. Nelygus, nelygus ar akytas reljefas gali pagerinti drėkinimą. Prisiminkite, pavyzdžiui, kempinėles ir kilpinius rankšluosčius, kurie puikiai sugeria vandenį. Bet jei paviršius iš pradžių „bijo“ vandens, susiformavęs reljefas situaciją tik pablogins: vandens lašeliai susikaups ant atbrailų ir nukris.

70. Kapiliariniai reiškiniai.

Kapiliariniais reiškiniais vadinamas skysčio pakilimas arba kritimas mažo skersmens vamzdeliuose – kapiliaruose. Drėkinantys skysčiai kapiliarais kyla aukštyn, o nedrėkantys skysčiai leidžiasi žemyn.

Ant pav. 3.5.6 pavaizduotas tam tikro spindulio r kapiliarinis vamzdelis, apatiniu galu nuleistas į drėkinamąjį skystį, kurio tankis ρ. Viršutinis kapiliaro galas yra atviras. Skysčio kilimas kapiliare tęsiasi tol, kol skysčio stulpelį kapiliare veikiančios gravitacijos jėgos modulis tampa lygus paviršiaus įtempimo jėgų, veikiančių išilgai skysčio ir kapiliaro paviršiaus sąlyčio ribos, Fn: Ft = Fn, kur Ft = mg = ρhπr2g, Fн = σ2πr cos θ.

Tai reiškia:

3.5.6 pav.

Drėkinančio skysčio pakilimas kapiliare.

Visiškai sudrėkinus θ = 0, cos θ = 1. Šiuo atveju

Visiškai nesudrėkinus, θ = 180°, cos θ = –1 ir todėl h< 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Vanduo beveik visiškai šlapias švarus paviršius stiklo. Ir atvirkščiai, gyvsidabris visiškai nesudrėkina stiklo paviršiaus. Todėl gyvsidabrio lygis stikliniame kapiliare nukrenta žemiau lygio inde.

71. Kristaliniai kūnai ir jų savybės.

Kitaip nei skysčiai, kietas kūnas išlaiko ne tik tūrį, bet ir formą bei turi nemažą stiprumą.

Įvairias kietas medžiagas galima suskirstyti į dvi grupes, kurios labai skiriasi savo savybėmis: kristalines ir amorfines.

Pagrindinės kristalinių kūnų savybės

1. Kristaliniai kūnai turi tam tikrą lydymosi temperatūrą tmelt, kuri nesikeičia lydant esant pastoviam slėgiui (1 pav., 1 kreivė).

2. Kristaliniams kūnams būdinga erdvinė kristalinė gardelė, kuri yra tvarkingas molekulių, atomų ar jonų išsidėstymas, pasikartojantis visame kūno tūryje (ilgojo nuotolio tvarka). Bet kuriai kristalinei gardelei būdingas toks jos struktūros elementas, kurį pakartotinai kartojant erdvėje galima gauti visą kristalą. Tai yra vienas kristalas. Polikristalas susideda iš daugybės labai mažų, tarpusavyje suaugusių pavienių kristalų, kurie yra atsitiktinai orientuoti erdvėje.