Конспект лекций для самоподготовки (для студентов 1 курса колледжа) по теме "Характеристика состояния вещества"
консультация по физике (10 класс) на тему

Конспект лекций для студентов 1 курса колледжа по разделу «Основы молекулярной физики и термодинамики» (для самостоятельной подготовки к занятиям).

Характеристика газообразного состояния вещества.

Вопросы:

1.  Характеристика газообразного состояния вещества.
2.  Основные уравнения МКТ.
3.  Газовые законы и их графики.
4.  Газовые постоянные.

Ответы:

1. Особенностью газообразного состояния вещества (при не слишком высоких давлениях и не очень низких температурах) является то, что в каждый момент времени взаимодействующие молекулы газа составляют небольшую часть от их общего числа. Само взаимодействие носит характер столкновений, силами притяжения молекул можно пренебречь. В остальное время молекулы движутся как свободные частицы.

Длиной свободного пробега называют расстояние, которое частица проходит от одного столкновения до другого.

Клаузиус в 1857 году предложил модель реального газа.

Идеальный газ – такой газ, взаимодействием молекул которого можно пренебречь, а сами молекулы принять за материальные точки.

2. Для определения состояния газа используют величины, характеризующие микрообъекты (энергия и скорость одной молекулы, ее масса). Такие величины называют микропараметрами. Но для описания свойств газа удобнее пользоваться величинами, числовое значение которых можно измерить прибором (давление газа, его температура, объем). Такие величины (характеризующие газ в целом) называют макропараметрами.  Основные уравнения МКТ связывают микропараметры с макропараметрами.

 Основное уравнение МКТ  (уравнение Клаузиуса)

Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева – Клапейрона)

Связь средней кинетической энергии молекул и температуры

Объединенный газовый закон: для постоянной массы газа

   3. Изопроцесс – это процесс изменения состояния термодинамической системы при неизменном значении одного из параметров.

   4.  Газовые постоянные

Характеристика жидкого состояния вещества.

Вопросы:

1. Характеристика жидкого состояния вещества.
2. Молекулярное давление поверхностного слоя. Поверхностное натяжение.
3. Смачивание.
4. Давление искривленной поверхности жидкости.
5. Капилляры и капиллярные явления (самостоятельно).
6. Вязкость (самостоятельно).

Ответы:

1. Особенностью жидкого состояния вещества является наличие порядка в расположении молекул в небольшом объеме вещества. Молекулы находятся на малых расстояниях друг от друга, силами взаимодействия пренебречь нельзя. Каждая молекула в течение времени , называемом временем жизни, совершает колебания около положения равновесия. Затем она перескакивает в другое положение равновесия. Благодаря этому жидкость течет. Свойства жидкости: текучесть, упругость, хрупкость, малая сжимаемость.

2

Молекула 1 притягивается соседними молекулами неравномерно, поэтому она как бы «втягивается» в жидкость. При этом она оказывает на жидкость давление, называемое молекулярным давлением поверхностного слоя жидкости.

Любая система стремится к минимуму энергии. Наименьшая площадь поверхности - у шара. Поэтому естественной формой жидкости является шар.  

Силы поверхностного натяжения совершают работу по уменьшению площади свободной поверхности.

Коэффициент поверхностного натяжения  - это величина, характеризующая зависимость работы молекулярных сил при изменении площади свободной поверхности жидкости от ее рода и внешних условий. Его измеряют работой молекулярных сил по уменьшению площади свободной поверхности жидкости на единицу. (или: силой, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости).

3. Жидкость, смачивающая  поверхность: сила притяжения молекул жидкости друг к другу меньше, чем к молекулам поверхности. (Дорисовать картинку из учебника)

Жидкость, несмачивающая  поверхность: сила притяжения молекул жидкости друг к другу больше, чем к молекулам поверхности. (Дорисовать картинку из учебника).

   4.  Искривление поверхности ведет к появлению в  жидкости дополнительного капиллярного давления, так как молекулярный слой будет стремиться «выпрямиться». Это давления называют лапласовским.

Характеристика твердого состояния вещества.

Вопросы:

1. Характеристика твердого состояния вещества.
2. Кристаллические структуры.
3. Деформации и их виды.
4. Механическое напряжение и закон Гука. Запас прочности.
5. Тепловое расширение тел.
6. Использование и учет теплового расширения (самостоятельно).

Ответы:

1. Особенностью твердого состояния вещества является наличие порядка в расположении молекул во всем объеме вещества. Твердым с точки зрения физики является только кристаллическое тело.

Кристаллическая решетка – это периодически повторяющееся упорядоченное расположение атомов или молекул относительно друг друга. В решетке можно выделить повторяющийся элемент – элементарную ячейку. Расстояние от атома одной элементарной ячейки до соответствующего атома соседней элементарной ячейки называется периодом решетки. Различают монокристаллы (одиночные, правильной формы, с плоскими гранями и прямыми ребрами) и поликристаллы (не имеют правильной геометрической формы, являются сростками монокристаллов). Монокристаллам присуща анизотропия – зависимость свойств от направления.

Свойства твердых тел: твердость, упругость, Пластичность (если деформация тела сохраняется после снятия внешней нагрузки), хрупкость (если при небольших деформациях тело упруго деформируется, а при увеличении нагрузки разрушается).

2. Типы кристаллических структур (классификация по структурным элементам, находящимся в узлах): атомная (в узлах находятся атомы), молекулярная (молекулы), ионная (ионы обоих знаков), металлическая (в узлах – только положительно заряженные ионы).

В кристалле возможно нарушение порядка в расположении структурных элементов. Тогда говорят о возникновении дефекта. Если он возник только в одном месте, то его называют одиночным. Если же в нескольких близко расположенных узлах – протяженным. Виды дефектов: внедрение чужеродного атома, вакансия, дислокация.

Структурные элементы решетки удерживаются на своих местах связями нескольких типов: ионной, ковалентной полярной, ковалентной неполярной.

3. Изменение формы или объема тела под воздействием, каких либо сил называется деформацией.

Виды деформаций:

• Продольного растяжения или сжатия – увеличение или уменьшение длины стержня.
• Всестороннего растяжения или сжатия – увеличение или уменьшения  объема тела под действием сил, растягивающих (сжимающих) его по всем направлениям.
• Поперечного изгиба – деформация тела под действием сил, направленных перпендикулярно его оси.
• Продольного изгиба – деформация тела при продольном сжатии.
• Кручение – поворот параллельных слоев тела относительно друг друга под  действием  двух пар сил.
• Сдвига – сдвиг параллельных  слоев тела относительно друг друга под действием сил,  параллельных этим слоям.

Для количественного определения деформации используют абсолютную и относительную деформации.  Абсолютная деформация – числовое изменение какого либо размера тела под действием сил.

Относительная деформация – это число, показывающее, какую часть от первоначального размера тела составляет абсолютная деформация.

4. Тело можно разделить на несколько параллельных слоев. Силы, деформирующие тело, действуют на каждый слой.  Такие силы, вызывающие деформацию слоя, называют внутренними.

Величина, характеризующая действие внутренних сил в деформированном теле, называется механическим напряжение. Оно измеряется силой, действующей на единицу площади сечения деформированного тела. Единица измерения – Паскаль.

Связь между упругими деформациями и внутренними силами в материале впервые была установлена английским ученым Р. Гуком. Величина, характеризующая зависимость механического напряжение в материале от рода вещества и внешних условий называется модулем упругости . Его измеряют механическим напряжением, которое возникает в материале при относительной деформации, равной единице.

Закон Гука: Механическое напряжение в упруго деформированном теле прямо пропорционально относительной деформации этого тела.

Запас прочности – это величина, показывающая,  во сколько раз фактическая максимальная нагрузка в самом напряженном месте конструкции меньше, чем разрушающая нагрузка.

 5.  Любые тела при нагревании расширяются, а при охлаждении - сжимаются.

Изменение, какого либо размера твердого тела при изменениях температуры называется линейным расширением.

Величина  , характеризующая зависимость линейного расширения при нагревании от рода вещества и внешних условий называется коэффициентом линейного расширения. Он показывает, на какую часть длины тела, взятого при 0 °С, изменяется его длина при нагревании на 1°С.

Объемное расширение – это изменение всех размеров тела при изменении температуры. Величина  , характеризующая зависимость объемного расширения при нагревании от рода вещества и внешних условий называется коэффициентом объемного расширения. Он показывает, на какую часть объема тела, взятого при 0 °С, изменяется его объем при нагревании на 1°С.

Коэффициенты объемного и линейного расширения связаны соотношением

Объем тела при любой температуре, зная , можно найти по формуле

При нагревании однородного твердого тела произвольной формы расстояние между любыми 2 точками тела увеличивается: отверстие в металлическом листе при нагревании увеличивается так же, как  круг такого же радиуса, нарисованный на сплошном листе.

Сравнение коэффициентов объемного расширения показывает, что жидкости при нагревании расширяются во много раз больше, чем твердые тела. Поэтому при расчетах, связанных с нагреванием жидкости, расширением сосудов пренебрегают.