МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ И ТЕРМОДИНАМИКА
(МКТ и ТД)
I. МКТ
Физические величины – буквенное обозначение (единицы измерения)
Число частиц – N;
постоянная Авогадро – Nа;
масса одной частицы – m0 (кг);
масса вещества – m (кг);
плотность – с (кг/м3)
молекулярная масса – Mr (г/моль);
молярная масса – М (кг/моль)
концентрация – n (м-3);
количество вещества – н (моль);
объем – V (м3)
давление – р (Па);
средняя квадратичная скорость молекул – v (м/c)
средняя кинетическая энергия – Ек (Дж);
температура – t (0С);
абсолютная температура – Т (К)
постоянная Больцмана – k (Дж/К);
универсальная газовая постоянная – R (Дж/моль К)
Основные положения МКТ:
Все вещества состоят из молекул (атомов) Между молекулами существуют промежутки Молекулы (атомы) непрерывно и хаотично движутся Молекулы (атомы) взаимодействуют друг с другомОпытные подтверждения положений МКТ:
Диффузия – взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг друга Броуновское движение – хаотичное движение частицы, взвешенной в газе или жидкости.Идеальный газ – газ, взаимодействием между молекулами которого можно пренебречь. (В реальности это просто очень сильно разреженный газ)
Макроскопические параметры – физические величины характеризующие состояние вещества без учета его молекулярного строения ( V, T, p)
Тепловое равновесие – состояние вещества, при котором его макроскопические параметры остаются неизменными сколь угодно долго. При этом температура всех веществ, находящихся в состоянии теплового равновесия одинаковая. Температура – характеристика теплового равновесия и мера средней кинетической энергии вещества.
масса вещества m = N m0 плотность вещества с = 
молярная масса M = Mr 10-3 количество вещества н = 
= 
концентрация n = 
масса одной частицы m0 = M/Na
связь температурных шкал (Цельсия и Кельвина) T = t + 273 ∆T = ∆t
средняя квадратичная скорость теплового движения молекул v = 
= 
средняя кинетическая энергия теплового движения молекул E = 
kT
основное уравнение МКТ p = 
n m v2 = 
n E = nkT
pV = 
RT - уравнение состояния идеального газа (уравнение Клайперона-Менделеева)
Изопроцесс – процесс, происходящий с газом, при котором один из макроскопических параметров остается постоянным
Если в объеме V находится смесь газов, то общее давление равно сумме парциальных давлений этих газов.
Парциальное давление – давление, которое занимал бы газ, будь он единственным в этом объеме
р = р1 + р2 + … + рN = (N1 + N2 + … + NN)
уравнение Дальтона
II. ТЕРМОДИНАМИКА
Физические величины – буквенное обозначение (единицы измерения)
внутренняя энергия – U (Дж);
работа над газом – А (Дж);
работа газа - А` (Дж)
количество теплоты – Q (Дж);
молярная теплоемкость – С (Дж/моль)
коэффициент полезного действия – з (%)
давление насыщенного пара – р0 (Па);
относительная влажность – ц (%)
Внутренняя энергия – сумма кинетических энергий теплового движения молекул и потенциальных энергий их взаимодействия. Т. к. взаимодействие молекул в идеальном газе мы не учитываем, то внутренняя энергия идеального газа – сумма кинетических энергий движения его молекул (т. к. взаимодействие молекул в идеальном газе не учитывается)
U = 
RT = 
pV ∆U = 
R∆T (если газ двухатомный, то 5/2)
Изменить внутреннюю энергию можно 2-мя способами:
Совершением работы: - над телом – внутр. энергия увеличивается, т. е ∆U > 0- само тело – внутр. энергия уменьшается, т. е. ∆U < 0
Геометрический смысл работы – работа численно равно площади фигуры ограниченной графиком теплового процесса в координатах (р;V)
Если процессов несколько, то общая работа находится как сумма работ каждого процесса
работа газа А/ = p∆V = - A (А – работа над газом)
Теплопередачей:- Теплопроводность – передача тепла от нагретого участка тела к менее нагретому Конвекция – передача тепла струями газа или жидкости Излучение – передача тепла на расстояние, в том числе и в вакууме
- тело получает тепло - ∆U > 0
- тело отдает тепло - ∆U < 0
Тепловые процессы:
Нагревание (охлаждение) Q = cm∆T ; с – удельная теплоемкость (по таблице)Плавление Q> 0 (кристаллизация Q<0) Q = лm ; л – удельная теплота плавления (по таблице)
процесс плавления (кристаллизации) начинается при определенной температуре – температуре плавления (по таблице). Пока процесс полностью не завершится – температура вещества остается неизменной
Парообразование в процессе кипения Q> 0 (конденсация Q<0 ) Q = r m;
r – удельная теплота парообразования (по таблице)
процесс парообразования (конденсации) начинается при определенной температуре – температуре кипения (по таблице). Пока процесс полностью не завершится – температура вещества остается неизменной
Если процессов несколько, то общее количество теплоты находится как сумма количеств теплоты каждого процесса
Сгорание топлива Q = qm; q – удельная теплота сгорания топлива (по таблице)
Уравнение теплового баланса: в теплоизолированной системе сумма переданных (отданных) количеств теплоты равна нулю. Только надо учитывать знак количества теплоты
Q1 + Q2 + … + QN = 0
или общее количество теплоты отданное = общему количеству теплоты полученному
(знаки уже учтены)
Переход из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом.
ВАЖНО: температура во время фазового перехода постоянна, хотя внутренняя энергия меняется!
Аналогичный график и для кипения - конденсации
Алгоритм решения задач на тепловые процессы:
По условию задачи написать какие тепловые процессы происходят с веществом (веществами) Написать для каждого теплового процесса формулу Определить с поглощением или выделением теплоты идут данные процессы Если процессы идут в одном направлении (только выделение или только поглощение), то общее количество теплоты нгаходится как сумма всех количеств теплоты; если не в одном, то написать уравнение теплового баланса Решить полученные уравненияI закон (начало) ТД: Изменение внутренней энергии тела происходит за счет совершения работы и переданной теплоты. ∆U = А + Q = Q – А/
(необходимо учитывать знаки ∆U, Q, А: если внутренняя энергия увеличивается, то ∆U > 0; если уменьшается, то ∆U < 0; если газ получает тепло, то Q> 0, если отдает, то Q< 0; если над газом совершают работу, то А> 0, если газ совершает работу, то А < 0)
При изотермическом процессе: ∆Т = 0 ∆U = 0 Q = А/`
При изохорном процессе: ∆V = 0 А = 0 ∆U = Q CV = 3/2R
При изобарном процессе: ∆U = А + Q Cр = 5/2R
Адиабатный процесс: процесс в теплоизолированной системе, т. е Q = 0 ∆U = А
Тепловые двигатели – устройства, в которых тепловая энергия превращается в другие виды энергии (в основном в механическую)
Принцип действия всех тепловых двигателей:
коэффициент полезного действия (КПД) з = (Qн – Qх)/ Qн (в процентах)
Идеальная тепловая машина (Карно) – двигатель, цикл работы которого состоит из двух адиабатных и двух изотермических процессов
з = (Тн - Тх)/Тн (в процентах)
Обычный двигатель (двигатель внутреннего сгорания)
цикл состоит из 4-х тактов:
Впрыск топлива (опускание поршня) Сжатие и сгорание топлива (поднятие поршня) Расширение газа – рабочий ход (опускание поршня) Выхлоп (поднятие поршня)II закон (начало) ТД: невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии от холодного тела к горячему.
III. ВЗАИМНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ГАЗОВ, ЖИДКОСТЕЙ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Испарение – процесс, при котором с поверхности жидкости или твердого тела вылетают молекулы, у которых Ек > Ер.
Конденсация – обратный процесс
Скорость испарения зависит от температуры жидкости, от ее свойств, от площади поверхности и от внешних условий.
В замкнутой системе число испарившихся молекул станет равно число конденсировавших – устанавливается динамическое равновесие. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью называется насыщенным паром.
Давление насыщенного пара зависит только от концентрации и не зависит от объема.
Кипение – процесс испарения по всему объему жидкости. Он происходит при равенстве давления насыщенного пара в пузырьках воздуха внутри жидкости и внешнего давления. Поэтому температура кипения прямопропорциональна внешнему давлению.
Влажность воздуха – это количество водяного пара в воздухе
Абсолютная влажность – это парциальное давление водяного пара в воздухе (величина постоянная)
Относительная влажность – отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщенного пара в процентах ц = 
100%
Влажность измеряется психрометром по таблице (в таблице влажность определяется на пересечении столбца с показанием сухого термометра и строчки с разностью показаний сухого и влажного термометра)
р < р0, но при понижении температуры р0 уменьшается
Точка росы –температура, при которой водяной пар в воздухе становится насыщенным
(р = р0 и ц = 100% выпадает роса)
Твердые тела – кристаллы или аморфные тела.
Кристаллы – (монокристаллы и поликристаллы) обладают четким порядком расположения молекул (атомов); анизотропны (физ. свойства зависят от направления) и имеют температуру плавления
Аморфные тела – четкий порядок только в ближнем расположении, далее нарушение порядка; изотропны; при некоторых условиях обладают текучестью; не имеют температуры плавления
ДЕФОРМАЦИЯ
Начальная длина – l0
Конечная длина - l
Абсолютное удлинение (м)- ∆ l = l - l0
Относительное удлинение - Э = ∆l / l0
Механическое напряжение (Па=Н/м2) - у = F/S
Площадь поперечного сечения (м2) - S
Закон Гука: при малых деформациях механическое напряжение
прямопропорционально относительному удлинению у = Е Э
диаграмма растяжения:
упр – предел пропорциональности, при у > упр нарушается закон Гука
ууп – предел упругости, при у > ууп деформация становится пластичной
упч – предел прочности, при у > упр происходит разрушение
