3656 Методические указания по курсу «Физика» (стр. 4 )

Процесс изменения состояния газа при постоянном давлении называется изобарным. Такой процесс происходит в герметически закрытом цилиндре под поршнем, который может перемещаться без трения.

Описывает изобарный процесс закон Гей-Люссака (1778–1850 гг. , французский физик): объем данной массы газа при постоянном давлении линейно зависит от температуры:

, (6.2)

где – начальный объем;

– разность начальной и конечной температур;

– коэффициент теплового расширения идеальных газов (одинаковый для всех газов).

Используя абсолютную температуру, закон Гей-Люссака можно записать в виде

или . (6.3)

Объем данной массы газа при постоянном давлении прямо пропорциональный его абсолютной температуре.

Графики изобарного процесса называются изобарами (рис. 14).

Рисунок 14

3 Масса газа и его объем не изменяются (, ).

Процесс изменения состояния газа при постоянном объеме называется изохорным. Такой процесс происходит в герметически закрытом сосуде постоянного объема.

Описывает изохорный процесс закон Шарля (1746–1823 гг., французский физик): давление данной массы газа при постоянном объеме линейно зависит от температуры:

. (6.4)

Используя абсолютную температуру, закон Шарля можно переписать в виде

или . (6.5)

Давление данной массы газа при постоянном объеме прямо пропорциональный его абсолютной температуре.

Графики изохорного процесса называются изохорами (рис. 15).

Рисунок 15

! Ключевые слова и термины

1 Гáзовый зако́н. 6 Изобáра.

2 Изопроцéсс. 7 Изохо́рный.

3 Изотерми́ческий. 8 Изохо́ра.

4 Изотéрма. 9 Грáфик.

5 Изобáрный. 10 Коэффицие́нт теплового расширения.

!! Обратите внимание!

1 Законы, которые описывают изопроцессы, являются отдельными случаями уравнения состояния идеального газа:

– закон Бойля-Мариотта;

– закон Гей-Люссака;

– закон Шарля.

? Контрольные вопросы

1 Что называют газовыми законами?

2 Как называются процессы, в которых один из параметров не изменяется?

3 Сформулируйте закон Бойля-Мариотта и запишите его математическое выражение.

4 Сформулируйте закон Гей-Люссака и запишите его математическое выражение.

5 Сформулируйте закон Шарля и запишите его математическое выражение.

6 Если продолжить изобару и изохору, то в какой точке они пересекут ось температур?

ТЕМА 7 СВОЙСТВА ПАРОВ, ЖИДКОСТЕЙ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Агрегатные состояния вещества – это состояния одного и того же вещества в разных интервалах температур и давлений.

Агрегатные состояния отличаются не молекулами, а тем, как эти молекулы расположены (рис. 16) и как они двигаются. Именно внутреннее строение вещества определяет их физические свойства.

Например, вещество с химической формулой Н2О:

1) от 0 0С до 100 0С – вода (рис. 16 б);

2) при температурах ниже 0 0С – лед (рис. 16 а);

3) при температурах выше 100 0С и нормальном атмосферном давлении – водяной пар (рис. 16 в).

При определенных условиях вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое. Все возможные при этом преобразования отображены на рис. 17. Всего различают шесть процессов (три – прямые, три – обратные), во время которых происходит преобразование агрегатного состояния вещества:

Рисунок 17

1 Плавление – процесс перехода вещества с твердого (кристаллического) состояния в жидкое состояние.

2 Кристаллизация – процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое состояние.

3 Парообразование – процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное – пар.

4 Конденсация – процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.

5 Возгонка – процесс перехода вещества из твердого состояния в газообразное (минуя жидкое состояние).

6 Десублимация – процесс перехода вещества из газообразного состояния в твердое.

Парообразование. Свойства паров

Парообразование, которое происходит со свободной поверхности жидкости, называется испарением. Скорость испарения зависит от: 1) вида жидкости; 2) температуры жидкости; 3) площади свободной поверхности; 4) наличия ветра.

Парообразование, которое происходит по всему объему жидкости, называется кипением. Каждая жидкость при нормальном давлении кипит при определенной постоянной температуре, которая называется температурой кипения (табл. А.4). Температура кипения жидкости зависит от давления: с увеличением внешнего давления температура кипения увеличивается, а с уменьшением давления – уменьшается.

Парообразование (прямой процесс) и конденсация (обратный процесс) происходят одновременно. Если парообразование преобладает над конденсацией пара над жидкостью, пар называется ненасыщенным. Если эти процессы уравновешены, то пар называется насыщенным (состояние динамического равновесия).

Ненасыщенный пар подчиняется всем газовым законам и уравнению состояния идеального газа.

Свойства насыщенного пара отличаются от свойств идеального газа.

Водяной пар входит в состав атмосферы Земли. Давление этого пара (парциальное давление), или плотность пара, называется абсолютной влажностью воздуха

, . (7.1)

Относительная влажность воздуха – это величина, которая равна отношению абсолютной влажности к плотности насыщенного водяного пара при данной температуре (табл. А.12):

или , (7.2)

где – давление водяного пара в воздухе при данной температуре;

– давление насыщенного водяного пара при той же температуре.

Температура, при которой пар в воздухе становится насыщенным, называется точкой росы.

Свойства жидкостей

Для жидкостей характерны такие явления, как поверхностное натяжение, смачивание и капиллярность.

По своим физическим свойствам жидкости занимают промежуточное положение между реальными газами и твердыми телами. Жидкости сохраняют свой объем и не имеют определенной формы.

Рассмотрим жидкость в сосуде (рис. 18).

На молекулу 1 внутри жидкости со всех сторон действуют соседние молекулы так, что результирующая сила их действия на данную молекулу равна нулю. На молекулу 2 в поверхностном слое соседние молекулы жидкости действуют сильнее, чем молекулы пара над жидкостью. Результирующая сила не равна нулю и направлена вглубь жидкости. В результате жидкость на границе с воздухом принимает форму с минимальной поверхностью (сферическую).

Рисунок 18 Сила, которая действует по касательной к жидкости, перпендикулярная к линии, которая ограничивает эту поверхность, называется силой поверхностного натяжения :

, (7.3)

где – коэффициент поверхностного натяжения; ;

– длина поверхности.

Величина поверхностного натяжения зависит от вида жидкости (табл. А.2) и ее температуры.

Работа сил поверхностного натяжения при изменении площади поверхностного слоя жидкости

. (7.4)

Смачивание – это явление, которое происходит в результате взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела и приводит к искривлению поверхности жидкости на границе раздела с твердым телом (рис. 19, 20).

Рисунок 19 Рисунок 20

Поверхность жидкости, искривленная на границе с твердым телом, называется мениском ( – краевой угол).

Жидкость, которая растекается по твердому телу, называется смачивающей (например, вода по стеклу). При смачивании мениск вогнут, краевой угол острый (рис. 19).

Жидкость, которая не растекается, стягивается межмолекулярными силами в каплю, называется несмачивающей (например, вода на жирной поверхности). При несмачивании мениск выпуклый, краевой угол тупой (рис. 20).

Капиллярные явления - это явления поднятия или опускания жидкости в капиллярах - узких трубках.

Рисунок 21 Рисунок 22

При смачивании (рис. 21) жидкость в капиллярах поднимается относительно уровня жидкости в сосуде, а при несмачивании – опускается (рис. 22) на высоту :

, (7.5)

где – коэффициент поверхностного натяжения жидкости;

– плотность жидкости;

– радиус капиллярной трубки;

– ускорение свободного падения.

Свойства твердых тел

Кристаллические тела (кристаллы) – это твердые тела, частицы которых занимают определенные упорядоченные положения в пространстве – дальний порядок. В зависимости от вида частиц есть ионные, атомные, металлические и молекулярные кристаллы.

Твердые тела сохраняют свой объем и форму.

Плавление – это процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое. Обратный процесс называется кристаллизацией. Кристаллические тела плавятся и кристаллизуются при постоянной для каждого вещества температуре – температуре плавления (табл. А.7). Температура плавления зависит от давления.

Относительное изменение объема тел пропорционально изменению температуры:

,

откуда , (7.6)

где и – объемы тела при температурах и ;

– изменение температуры;

– температурный коэффициент объемного расширения, который зависит от вида вещества и внешних условий (табл. А.9).

Относительное удлинение твердых тел в одном направлении – линейное расширение:

, (7.7)

где – температурный коэффициент линейного расширения (табл. А.10).

Основными характеристиками механических свойств твердого тела есть деформация и напряжение.

Деформация тела – это изменение его формы или объема. Если после прекращения внешнего действия на тело его форма и объем восстанавливаются, деформация была упругой. Восстановление происходит под действием силы упругости. Закон Гука справедлив для малых упругих деформаций: механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению:

, (7.8)

где – механическое напряжение – величина, которая равна отношению модуля силы упругости к площади поперечного сечения;

– относительное удлинение;

– модуль Юнга, или модуль упругости (табл. А.13).

! Ключевые слова и термины

1 Агрегáтное состоя́ние. 16 Относи́тельная вла́жность.

2 Плавле́ние. 17 Тóчка росы́.

3 Кристаллиза́ция. 18 Пове́рхностный шáр.

4 Парообразова́ние. 19 Пове́рхностное натяже́ние.

5 Конденса́ция. 20 Сма́чивание.

6 Сублима́ция. 21 Капилля́рность.

7 Десублима́ция. 22 Мени́ск.

8 Испаре́ние. 23 Дáльний поря́док.

9 Кипе́ние. 24 Температýрный коэффицие́нт.

10 Прямо́й проце́сс. 25 Деформáция.

11 Обра́тный проце́сс. 26 Механи́ческое напряже́ние.

12 Насы́щенный па́р. 27 Относи́тельное удлине́ние.

13 Динами́ческое равнове́сие. 28 Мóдуль упру́гости.

14 Ненасы́щенный па́р. 29 Попере́чное сече́ние.

15 Абсолю́тная вла́жность. 30 Каса́тельная.

!! Обратите внимание!

1 Агрегатное состояние данного вещества зависит от структуры, характера движения и взаимодействия его молекул.

2 Состояние динамического равновесия пара и жидкости обусловлено одновременным существованием процессов испарения и конденсации.

3 Что называется чем

Парообразование, которое происходит со свободной поверхности жидкости, называется испарением.

4 Что характерно для чего

Явления смачивания, капиллярности, сила поверхностного натяжения характерны для жидкости.

5 Что это что

Смачивание – это явление, которое происходит в результате взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела.

6 Что справедливо для чего

Закон Гука справедлив для малых упругих деформаций.

? Контрольные вопросы

1 Какие существуют агрегатные состояния вещества?

2 От чего зависит агрегатное состояние вещества?

3 Что такое плавление?

4 Что такое кристаллизация?

5 Что такое парообразование?

6 Что такое конденсация?

7 Что называется испарением?

8 Что называется кипением?

9 Что такое абсолютная влажность воздуха?

10 Что такое относительная влажность воздуха?

11 Какие явления характерны для жидкостей?

12 Что называется силой поверхностного натяжения?

13 В чем заключается явление капиллярности?

14 От чего зависит высота поднятия жидкости в капиллярах?

15 Какие основные механические свойства твердых тел?

16 Что такое деформация?

17 Сформулируйте закон Гука.

18 При каких условиях выполняется закон Гука?

19 Что называется механическим напряжением?

Задачи по теме

«МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»

1 Примеры решения задач

Задача 2.1 Сколько молекул содержится в серной кислоты ?

Дано: Решение

-?	Число молекул , где – количество вещества; – число Авогадро.

Тогда .

Проверим размерность:

.

Подставим числовые значения и выполним вычисления:

.

Ответ: .

Задача 2.2 сероводорода занимают объем . Найти концентрацию.

Дано: Решение

-?	Концентрация . Поскольку число молекул , то

.

Проверим размерность: .

Подставим числовые значения и выполним вычисления:

.

Ответ: .