Абсолютный ноль температуры – точка прекращения движения молекул. Основы молекулярно-кинетической теории строения вещества
Все молекулы любого вещества непрерывно и беспорядочно (хаотически) движутся.
Движение молекул в разных телах происходит по-разному.
Молекулы газов беспорядочно движутся с большими скоростями (сотни м/с) по всему объему газа. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга, изменяя величину и направление скоростей.
Молекулы жидкости колеблются около равновесных положений (т.к. расположены почти вплотную друг к другу) и сравнительно редко перескакивают из одного равновесного положения в другое. Движение молекул в жидкостях является менее свободным, чем в газах, но более свободным, чем в твердых телах.
В твердых телах частицы колеблются около положения равновесия.
С ростом температуры скорость частиц увеличивается, поэтому хаотическое движение частиц принято называть тепловым.
БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
Доказательство теплового движения молекул.
Броуновское движение было открыто английским ботаником Робертом Броуном (1773-1858гг.)
Если распылить на поверхности жидкости мельчайшие крупинки какого-либо вещества,
то они будут непрерывно двигаться.
Эти броуновские частицы движутся под влиянием ударов молекул жидкости. Т.к. тепловое движение молекул - это непрерывное и беспорядочное движение, то и скорость движения броуновских частиц будет беспорядочно меняться по величине и направлению.
Броуновское движение вечное и никогда не прекращается.
ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ!
ДОМАШНЯЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
1. Возьмите три стакана. В первый налейте кипяток, во второй теплую и в третий холодную воду.
В каждый стакан бросить щепотку гранулированного чая. Что вы заметили?.
2. Возьмите пустую пластиковую бутылку, предварительно охладив ее, опустите горлышко в стакан с водой и обхватите бутылку ладонями, но не нажимайте. Наблюдайте в течение нескольких минут.
3. На горлышко той же, но вновь охлажденной бутылки положите смоченную в воде перевернутую пробку и таккже обхватите ее теплыми ладонями. Наблюдайте в течение нескольких минут.
4. Налейте в неглубокую тарелку воды на высоту 1 - 1,5 см, поставьте в нее перевернутый вверх дном и предварительно нагретый горячей водой стакан. Наблюдайте в течение нескольких минут.
Жду отчет с объяснениями увиденного. Кто первый?
ТЕМПЕРАТУРА
Величина, которая характеризует тепловое состояние тела или иначе мера «нагретости» тела.
Чем выше температура тела, тем большую в среднем энергию имеют его атомы и молекулы.
Приборы, служащие для измерения температуры называются термометрами.
Принцип измерения температуры.
Температура непосредственно не измеряется! Измеряется величина, зависящая от температуры!
В современных жидкостных термометрах - это объем спирта или ртути (в термоскопе Галилея – объем газа). Термометр измеряет собственную температуру! А, если мы хотим измерить с помощью термометра температуру какого-либо другого тела, надо подождать некоторое время, пока температуры тела и термометра уравняются, т.е. наступит тепловое равновесие между термометром и телом.
В этом состоит закон теплового равновесия:
у любой группы изолированных тел через какое-то время температуры становятся одинаковыми,
т.е. наступает состояние теплового равновесия
... 
ПРОВЕДИ ДОМАШНИЙ ОПЫТ
Возьмите три тазика с водой: один - с очень горячей, другой - с умеренно теплой, а третий - с очень холодной. Теперь ненадолго опустите левую руку в тазик с горячей водой, а правую - с холодной. Через пару минут извлеките руки из горячей и холодной воды и опустите их в тазик с теплой водой. Теперь спросите каждую руку, что она "скажет" вам о температуре воды?
ТЕРМОМЕТР - СДЕЛАЙ САМ
Возьми маленький стеклянный пузырек (в таких пузырьках в аптеках продают, например, зеленку), пробку (лучше резиновую) и тоненькую прозрачную трубочку (можно взять пустой прозрачный стерженек от шариковой ручки).
Проделай отверстие в пробке и закрой пузырек. Набери в трубочку капельку подкрашенной воды и вставь стержень в пробку. Хорошенько загерметизируй щель между пробкой и стержнем.
Термометр готов.
Теперь необходимо отградуировать его, т.е. сделать измерительную шкалу.
Понятно, что при нагревании воздуха в пузырьке он будет расширяться, и капелька жидкости будет подниматься по трубочке вверх. Твоя задача отметить на стерженьке или прикрепленной к нему картонке деления, соответствующие разным температурам.
Для градуировки можно взять еще один готовый термометр и опустить оба термометра в стакан с теплой водой. Показания термометров должны совпадать. Поэтому, если готовый термометр показывает температуру, например, 40 градусов, можете смело ставить отметинку 40 на стерженьке своего термометра в том месте, где находится капелька жидкости. Вода в стакане будет остывать, и ты сможешь таким образом разметить измерительную шкалу.
Можно сделать термометр, полностью заполнив его жидкостью.
А можно и иначе:
Проделай в крышке пластиковой бутылки отверстие и вставь тонкую пластиковую трубочку.
Бутылку частично заполни водой и закрепи на стене. У свободного конца трубочки разметь температурную шкалу. Отградуировать шкалу можно с помощью обычного комнатного термометра.
При изменении температуры в комнате вода будет расширяться или сжиматься, и уровень воды в трубочке тоже «поползет» по шкале.
А можно и посмотреть, как работает термометр!
Обхвати бутылку руками и погрей ее.
Что произошло с уровнем воды в трубочке?
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ
Шкала Цельсия - введена шведским физиком А. Цельсием в 1742 году. Обозначение: C. На шкале есть как положительные, так и отрицательные температуры. Опорные точки: 0C – температура таяния льда, 100C – температура кипения воды.
Шкала Фаренгейта - введена Фаренгейтом, стеклодувом из Голландии, в 1724 году. Обозначение: F. На шкале есть как положительные, так и отрицательные температуры. Опорные точки: 32F – температура таяния льда, 212F – температура кипения воды.
Шкала Реомюра - введена французским физиком Реомюром в 1726 году. Обозначение: R. На шкале есть как положительные, так и отрицательные температуры. Опорные точки: 0R – температура таяния льда, 80R – температура кипения воды.
Шкала Кельвина - введена английским физиком Томсоном (лордом Кельвином) в 1848 году. Обозначение: К. На шкале есть только положительные температуры. Опорные точки: 0K – абсолютный нуль, 273К – температура таяния льда. Т = t + 273
ТЕРМОСКОП
Впервые прибор для определения температуры был изобретен Галилеем в 1592 г. Небольшой стеклянный баллон был припаян к тонкой трубке с открытым концом.
Баллон нагревали руками и погружали конец трубки в сосуд с водой. Баллон охлаждался до температуры окружающего воздуха и уровень воды в трубке поднимался. Т.е. по изменению объема газа в сосуде можно было судить об изменении температуры. Здесь еще не было числовой шкалы, поэтому такой прибор назывался термоскопом. Измерительная шкала появилась только через 150 лет!
ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ
Самая высокая температура на Земле зарегистрированная в Ливии в 1922 году - +57,80С;
самая низкая температура, зарегистрированная на Земле, - –89,20С;
над головой у человека температура выше температуры окружающей среды на 1 – 1,50С; средняя температура животных: лошади - 380С, овцы - 400С, курицы - 410С,
температурав центре Земли - 200000С;
температура на поверхности Солнца - 6000 К, в центре - 20 млн. град.
А какова температура недр Земли?
Раньше высказывались различные гипотетические предположения и приводились расчеты, по которым температура на глубине 15 км получалась 100...400°C. Теперь Кольская сверхглубокая скважина,
которая прошла отметку 12 км, дала точный ответ на поставленный вопрос. Вначале (до 3 км) температура росла на 1° через каждые 100 м проходки, далее этот рост составил 2,5° на каждые новые 100 м. На глубине 10 км температура недр Земли оказалась равной 180°C!
Наука и жизнь
К концу 18 века число изобретенных температурных шкал достигало двух десятков.
Итальянские ученые-полярники, совершив экспедицию в Антарктиду, столкнулись с удивительной загадкой. Близ залива Инглей они открыли ледяное ущелье, где постоянно дует сверхскоростной и сверххолодный ветер. Поток воздуха температурой минус 90 градусов мчится со скоростью 200 км в час. Неудивительно, что это ущелье назвали «вратами ада» – никто не может находиться там без риска для жизни больше одной минуты: ветер несет частицы льда с такой силой, что мигом рвет одежду в клочья.
ПОЛОМАЕМ ГОЛОВУ?
КАВЕРЗНЫЕ ЗАДАЧИ
1. Как измерить температуру тела муравья с помощью обычного термометра?
2. Существуют термометры, в которых используют воду. Почему такие водяные термометры неудобны для измерения температур, близких к температуре замерзания воды?
Жду ответа (на уроке или по почте)!
А ЭТО ТЫ ЗНАЕШЬ?
На самом деле шведский астроном и физик Цельсий предложил шкалу, в которой точка кипения воды была обозначена числом 0, а точка таяния льда числом 100 ! "Зато зимой не будет отрицательных чисел!" -любил говорить Цельсий. Но потом шкалу "перевернули".
· Температура -40 градусов по Цельсию точно равна температуре -40 градусов по Фаренгейту. Это единственная температура, в которой две этих шкалы сходятся.
Одно время в физических лабораториях пользовались для измерения температуры так называемым весовым термометром. Он состоял из полого платинового шара, заполненного ртутью, в котором было капиллярное отверстие. Об изменении термпературы судили по количеству ртути, вытекавшей из отверстия.
Оказывается существует плоский термометр. Это "бумажка", которую накладывают на лоб больного. При высокой температуре "бумажка" становится красного цвета.
Наши ощущения, обычно надежные, могут подвести при определении температуры Например, известен опыт, когда одну руку опускают в горячую, а другую - в холодную воду. Если через некоторое время опустить обе руки в теплую воду, то рука, которая до этого была в горячей воде, почувствует холод, а рука, бывшая в холодной воде - жар!
Понятие температуры неприменимо к отдельной молекуле. О температуре можно говорить лишь в том случае, если имеется достаточно большая совокупность частиц.
Чаще всего физики измеряют температуру по шкале Кельвина: 0 градусов по шкале Цельсия = 273 градусам по шкале Кельвина!
Самая высокая температура.
Она получена в центре взрыва термоядерной бомбы – около 300...400 млн°C. Максимальная температура, достигнутая в ходе управляемой термоядерной реакции на испытательной термоядерной установке ТОКАМАК в Принстонской лаборатории физики плазмы, США, в июне 1986 г., составляет 200 млн°C.
Самая низкая температура.
Абсолютный нуль по шкале Кельвина (0 K) соответствует –273,15° по шкале Цельсия или –459,67° по шкале Фаренгейта. Самая низкая температура, 2·10–9 K (двухбиллионная часть градуса) выше абсолютного нуля, была достигнута в двухступенчатом криостате ядерного размагничивания в Лаборатории низких температур Хельсинкского технологического университета, Финляндия, группой учёных под руководством профессора Олли Лоунасмаа (род. в 1930 г.), о чём было объявлено в октябре 1989 г.
Самый миниатюрный термометр.
Д-р Фредерик Сакс, биофизик из Государственного университета штата Нью-Йорк, Буффало, США, сконструировал микротермометр для измерения температуры отдельных живых клеток. Диаметр наконечника термометра – 1 микрон, т.е. 1/50 часть диаметра человеческого волоса.
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Цели.
- Образовательные.
- Дать понятие температуры, как меры средней кинетической энергии; рассмотреть историю создания термометров, сравнить различные температурные шкалы; формировать умение применять полученные знания для решения задач и выполнения практических заданий, расширить кругозор учащихся в области тепловых явлений.
- Воспитательные.
- Развитие умения слушать собеседника, высказывать собственную точку зрения
- Развивающие.
- Развитие у учащихся произвольного внимания, мышления (умения анализировать, сравнивать, строить аналогии, делать умозаключения.), познавательного интереса (на основе физического эксперимента);
- формирование мировоззренческих понятий о познаваемости мира.
ХОД УРОКА
Здравствуйте, садитесь.
При изучении механики нас интересовало движение тел. Теперь мы рассмотрим явления, связанные с изменением свойств покоящихся тел. Мы будем изучать нагревание и охлаждение воздуха, таяние льда, плавление металлов, кипение воды и т. д. Подобные явления называют тепловыми явлениями .
Мы знаем, что при нагревании холодная вода сначала становится теплой, а затем горячей. Вынутая из пламени металлическая деталь постепенно охлаждается. Воздух, окружающий батареи с горячей водой, нагревается и т. д.
Словами "холодный", "теплый", "горячий" мы обозначаем тепловое состояние тел. Величиной, характеризующей тепловое состояние тел, является температура .
Всем известно, что температура горячей воды выше температуры холодной. Зимой температура воздуха на улице ниже, чем летом.
Все молекулы любого вещества непрерывно и беспорядочно (хаотически) движутся.
Беспорядочное хаотическое движение молекул называется тепловым движением.
Скажите, в чём отличие теплового движения от механического?
В нём участвуют много частиц с разными траекториями. Движение никогда не прекращается. (Пример: броуновское движение)
Демонстрация модели броуновского движения
От чего зависит тепловое движение?
- Опыт №1: Опустим кусок сахара в холодную воду, а другой в горячую. Какой растворится быстрее?
- Опыт №2: Опустим 2 куска сахара (один больше другого) в холодную воду. Какой растворится быстрее?
Вопрос о том, что такое температура, оказался очень сложным. Чем, например, горячая вода отличается от холодной? В течение долгого времени на этот вопрос не было ясного ответа. Сегодня мы знаем, что при любой температуре вода состоит из одних и тех же молекул. Тогда что именно изменяется в воде при увеличении ее температуры? Из опыта мы увидели, что в горячей воде сахар растворится значительно быстрее. Растворение происходит из-за диффузии. Таким образом, диффузия при более высокой температуре происходит быстрее, чем при низкой.
Но причиной диффузии является движение молекул. Значит, между скоростью движения молекул и температурой тела есть связь: в теле с большей температурой молекулы движутся быстрее.
Но температура зависит не только от средней скорости молекул. Так, например, кислород, средняя скорость движения молекул которого составляет 440 м/с, имеет температуру 20 °С, а азот при той же средней скорости молекул имеет температуру 16 °С. Меньшая температура азота обусловлена тем, что молекулы азота легче молекул кислорода . Таким образом, температура вещества определяется не только средней скоростью движения его молекул, но и их массой. Это же мы видим и в опыте №2.
Мы знаем величины, которые зависят как от скорости, так и от массы частицы. Это - импульс и кинетическая энергия. Учеными установлено, что именно кинетическая энергия молекул определяет температуру тела: температура является мерой средней кинетической энергии частиц тела; чем больше эта энергия, тем выше температура тела.
Итак, при нагревании тел средняя кинетическая энергия молекул увеличивается, и они начинают двигаться быстрее; при охлаждении энергия молекул уменьшается, и они начинают двигаться медленнее.
Температура- величина, которая характеризует тепловое состояние тела. Мера “нагретости” тела. Чем выше температура тела, тем большую в среднем энергию имеют его атомы и молекулы.
Можно ли только полагаться на свои ощущения, что бы судить о степени нагретости тела?
- Опыт №1: Дотронуться одной рукой до деревянного предмета, а другой до металлического.
Сравните ощущения
Хотя оба предмета находятся при одной температуре, одна рука ощутит холод, а другая тепло
- Опыт №2: возьмём три сосуда с горячей, тёплой и холодной водой. Опустить одну руку в сосуд с холодной, а другую в сосуд с горячей водой. Через некоторое время обе руки опустить в сосуд с тёплой водой
Сравните ощущения
Рука, которая была в горячей воде теперь ощущает холод, а рука, которая была в холодной воде теперь ощущает тепло, хотя обе руки находятся в одном сосуде
Мы доказали, что наши ощущения субъективны. Необходимы приборы, подтверждающие их.
Приборы, служащие для измерения температуры, называются термометрами . Действие такого термометра основано на тепловом расширении вещества. При нагревании столбик используемого в термометре вещества (например, ртути или спирта) увеличивается, при охлаждении уменьшается. Первый жидкостный термометр был изобретен в 1631 г. французским физиком Ж.Реем.
Температура тела будет изменяться, пока не придёт в тепловое равновесие со средой.
Закон теплового равновесия: у любой группы изолированных тел через какое-то время температуры становятся одинаковыми, т.е. наступает состояние теплового равновесия.
Следует помнить, что любой термометр всегда показывает свою собственную температуру. Для определения температуры среды термометр следует поместить в эту среду и подождать до тех пор, пока температура прибора не перестанет изменяться, приняв значение, равное температуре окружающей среды . При изменении температуры среды будет изменяться и температура термометра.
Несколько иначе действует медицинский термометр, предназначенный для измерения температуры тела человека. Он относится к так называемым максимальным термометрам , фиксирующим наибольшую температуру, до которой они были нагреты. Измерив свою собственную температуру, вы можете заметить, что, оказавшись в более холодной (по сравнению с человеческим телом) среде, медицинский термометр продолжает показывать прежнее значение. Чтобы вернуть столбик ртути в исходное состояние, этот термометр необходимо встряхнуть.
С лабораторным термометром, используемым для измерения температуры среды, этого делать не нужно.
Использующиеся в быту термометры позволяют выразить температуру вещества в градусах Цельсия (°С).
А. Цельсий (1701-1744) - шведский ученый, предложивший использовать стоградусную шкалу температур. В температурной шкале Цельсия за нуль (с середины XVIII в.) принимается температура тающего льда, а за 100 градусов - температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.
Об истории развития термометров послушаем сообщение (Презентация Сидоровой Е.)
Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей среды. Недостаток: различные жидкости расширяются по-разному, поэтому показания термометров различаются: Ртутный -50 0 С; глицериновый -47,6 0 С
Мы попробовали сделать жидкостный термометр в домашних условиях. Посмотрим, что из этого получилось. (Видеосюжет Брыкиной В. Приложение 1)
Мы узнали, что существуют различные шкалы температур. Помимо шкалы Цельсия широко распространена шкала Кельвина. Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином). Шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой.
Единица абсолютной температуры - кельвин (К).
Абсолютный ноль - наиболее низкая возможная температура, при которой ничего не может быть холоднее и теоретически невозможно извлечь из вещества тепловую энергию, температура, при которой прекращается тепловое движение молекул
Абсолютный ноль определен как 0 K, что приблизительно равно 273.15 °C
Один Кельвин равен одному градусу T=t+273
Вопросы из ЕГЭ
Какой из приведенных ниже вариантов измерения температуры горячей воды с помощью термометра дает более правильный результат?
1) Термометр опускают в воду и, вынув из воды через несколько минут, снимают показания
2) Термометр опускают в воду и ждут до тех пор, пока температура перестанет изменяться. После этого, не вынимая термометра из воды, снимают его показания
3) Термометр опускают в воду и, не вынимая его из воды, сразу же снимают показания
4) Термометр опускают в воду, затем быстро вынимают из воды и снимают показания
На рисунке показана часть шкалы термометра, висящего за окном. Температура воздуха на улице равна
- 18 0 С
- 14 0 С
- 21 0 С
- 22 0 С
Решите задачи № 915, 916 (“Сборник задач по физике 7-9” В.И.Лукашик, Е.В. Иванова)
- Задание на дом: Параграф 28
- №128 Д “Сборник задач по физике 7-9” В.И.Лукашик, Е.В. Иванова
Методическое обеспечение
- “Физика 8” С.В. Громов, Н.А. Родина
- “Сборник задач по физике 7-9” В.И.Лукашик, Е.В. Иванова
- Рисунки, находящиеся в открытом доступе Интернета
Основы молекулярно-кинетической теории строения вещества
Основы молекулярно-кинетической теории разработаны М.В. Ломоносовым, Л.Больцманом, Дж. Максвеллом и др. Эта теория основана на следующих положениях:
1.Все вещества состоят из мельчайших частиц – молекул. Молекулы у сложных веществ состоят из еще более мелких частиц – атомов. Различные комбинации атомов создают виды молекул. Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженной электронной оболочкой. Массу молекул и атомов измеряют в атомных единицах массы (а. е. м.). Диаметр атомов и молекул имеет порядок 10 - 10 см. Количество вещества, в котором содержится число частиц (атомов или молекул) равное числу атомов в 0,012 кг изотопа углерода С называется молем.
Молекулы сталкиваются друг с другом, изменяют скорость как по величине, так и по направлению. При этом происходит перераспределение их общей кинетической энергии. Состоящее из молекул тело рассматривается как система движущихся и взаимодействующих частиц. Такая система молекул обладает энергией, состоящей из потенциальной энергии взаимодействия частиц и из кинетической энергии движения частиц. Эту энергию и называют внутренней энергией тел . Количество внутренней энергии, передаваемой между телами при теплообмене, называется количеством теплоты (Джоуль, кал). Джоуль – СИ. 1 кал = 4,18 Дж. Атомы и молекулы находятся в непрерывном движении, которое называется тепловым. Основным свойством теплового движения является его бесперебойность (хаотичность). Для количественной характеристики интенсивности теплового движения вводится понятие температуры тела. Чем интенсивнее тепловое движение молекул в теле, тем выше его температура. При соприкосновении двух тел энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому и в конце концов устанавливается состояние теплового равновесия.
С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул или атомов. За единицу измерения температуры тепла принят градус. (Сотая часть разности между температурами кипения и замерзания чистой воды при атмосферном давлении). В физику введена абсолютная температурная шкала Кельвина. Градус Цельсия равен градусу Кельвина. При температуре – 273 С должно прекратиться поступательное движение молекул газа (абсолютный нуль), т. е. система (тело) обладает наименьшей возможной энергией.
Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества подтверждаются многочисленными опытами и явлениями (диффузия, броуновское движение, смешивание жидкостей, сжимаемость различных веществ, растворение в жидкостях твердых веществ и т. д.). Современные экспериментальные методы – рентгеноструктурный анализ, наблюдения с помощью электронного микроскопа и другие – обогатили наши представления о строении вещества. В газе между молекулами относительно большие расстояния, силы притяжения ничтожно малы. Молекулы газа стремятся всегда равномерно распределиться по всему занимаемому им объему. Газ оказывает давление на стенки сосуда, в котором он находится. Это давление обусловлено ударами движущихся молекул. При изучении кинетической теории газа рассматривают так называемый идеальный газ. Газ, в котором пренебрегаем силами межмолекулярного взаимодействия и объемом молекул газа. Считая, что при соударениях молекулы идеального газа представляют собой как абсолютно упругие шарики.
1. В 1827 г. английский ботаник Р. Броун, изучая с помощью микроскопа частички цветочной пыльцы, взвешенные в воде, заметил, что эти частички совершают беспорядочное движение; они как бы дрожат в воде.
Причину движения частиц пыльцы долго не могли объяснить. Сам Броун предположил вначале, что они движутся, потому что они живые. Движение частиц пытались объяснить неодинаковым нагреванием разных частей сосуда, происходящими химическими реакциями и т.д. Лишь значительно позже поняли истинную причину движения частиц, взвешенных в воде. Эта причина - движение молекул.
Молекулы воды, в которой находится частица пыльцы, движутся и ударяются о неё. При этом с разных сторон о частицу ударяется неодинаковое число молекул, что и приводит к её перемещению.
Пусть в момент времени \(t_1 \) под действием ударов молекул воды частица переместилась из т. А в т. В. В следующий момент времени большее число молекул ударяется о частицу с другой стороны, и направление её движения изменяется, она перемещается из т. В в т. С. Таким образом, движение частицы пыльцы является следствием движения и ударов о неё молекул воды, в которой пыльца находится (рис. 65). Подобное явление можно наблюдать, если поместить в воду частицы краски или сажи.
На рисунке 65 показана траектория движения частицы пыльцы. Видно, что нельзя говорить о каком-то определённом направлении её движения; оно всё время меняется.
Поскольку движение частицы - следствие движения молекул, то можно заключить, что молекулы движутся беспорядочно (хаотически) . Иными словами, нельзя выделить какое-то определённое направление, в котором движутся все молекулы.
Движение молекул никогда не прекращается. Можно сказать, что оно непрерывно . Непрерывное хаотическое движение атомов и молекул называют тепловым движением . Такое название определяется тем, что скорость движения молекул зависит от температуры тела.
Поскольку тела состоят из большого числа молекул и движение молекул беспорядочно, то нельзя точно сказать, сколько ударов будет испытывать та или иная молекула со стороны других. Поэтому говорят, что положение молекулы, её скорость в каждый момент времени случайны . Однако это не означает, что движение молекул не подчиняется определённым законам. В частности, хотя скорости молекул в некоторый момент времени различны, у большинства из них значения скорости близки к некоторому определённому значению. Обычно, говоря о скорости движения молекул, имеют в виду среднюю скорость \((v_{ср}) \) .
2. С точки зрения движения молекул можно объяснить такое явление, как диффузия.
Диффузией называется явление проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.
Мы ощущаем запах духов на некотором расстоянии от флакона. Это объясняется тем, что молекулы духов, так же как и молекулы воздуха, движутся. Между молекулами существуют промежутки. Молекулы духов проникают в промежутки между молекулами воздуха, а молекулы воздуха - в промежутки между молекулами духов.
Диффузию жидкостей можно наблюдать, если в мензурку налить раствор медного купороса, а сверху - воду так, чтобы между этими жидкостями была резкая граница. Через два-три дня можно заметить, что граница уже не будет такой резкой; через неделю она совсем размоется. Спустя месяц жидкость станет однородной и во всем сосуде будет окрашена одинаково (рис. 66).
В этом опыте молекулы медного купороса проникают в промежутки между молекулами воды, а молекулы воды - в промежутки между молекулами медного купороса. При этом следует иметь в виду, что плотность медного купороса больше, чем плотность воды.
Опыты показывают, что диффузия в газах происходит быстрее, чем в жидкостях. Это объясняется тем, что газы имеют меньшую плотность, чем жидкости, т.е. молекулы газов расположены на больших расстояниях друг от друга. Ещё медленнее происходит диффузия в твёрдых телах, поскольку молекулы твёрдых тел находятся ещё ближе друг к другу, чем молекулы жидкостей.
В природе, технике, быту можно обнаружить множество явлений, в которых проявляется диффузия: окрашивание, склеивание и др. Диффузия имеет большое значение в жизни человека. В частности, благодаря диффузии кислород в организм человека поступает не только через лёгкие, но и через кожу. По этой же причине питательные вещества проникают из кишечника в кровь.
Скорость диффузии зависит не только от агрегатного состояния вещества, но и от температуры.
Если приготовить два сосуда с водой и медным купоросом для проведения опыта по диффузии и один из них поставить в холодильник, а другой оставить в комнате, то можно обнаружить, что при более высокой температуре диффузия будет происходить быстрее
. Это происходит потому, что при повышении температуры быстрее движутся молекулы. Таким образом, скорость движения молекул
и температура тела связаны между собой.
Чем больше средняя скорость движения молекул тела, тем выше его температура.
3. Молекулярная физика в отличие от механики изучает системы (тела), состоящие из большого числа частиц. Эти тела могут находиться в различных состояниях .
Величины, характеризующие состояние системы (тела), называются параметрами состояния . К параметрам состояния относят давление, объём, температуру.
Возможно такое состояние системы, при котором параметры, характеризующие его, остаются неизменными сколь угодно долго при отсутствии внешних воздействий. Это состояние называется тепловым равновесием .
Так, объём, температура, давление жидкости в сосуде, находящейся в тепловом равновесии с воздухом в комнате, не изменяются, если для этого не будет каких-либо внешних причин.
4. Состояние теплового равновесия системы характеризует такой параметр, как температура . Особенностью его является то, что значение температуры во всех частях системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, одинаково. Если опустить в стакан с горячей водой серебряную ложку (или ложку из любого другого металла), то ложка будет нагреваться, а вода - остывать. Это будет происходить до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие, при котором ложка и вода будут иметь одинаковую температуру. В любом случае, если взять два различно нагретых тела и привести их в соприкосновение, то более нагретое тело будет остывать, а более холодное - нагреваться. Через некоторое время система, состоящая из этих двух тел, придёт в тепловое равновесие, и температура этих тел станет одинаковой.
Так, одинаковой станет температура ложки и воды, когда они придут в тепловое равновесие.
Температура - это физическая величина, которая характеризует тепловое состояние тела.
Так, температура горячей воды выше, чем холодной; зимой температура воздуха на улице ниже, чем летом.
Единицей температуры является градус Цельсия (°С) . Температуру измеряют термометром .
В основе устройства термометра и соответственно способа измерения температуры лежит зависимость свойств тел от температуры, в частности свойство тела расширяться при нагревании. В термометрах могут быть использованы разные тела: и жидкие (спирт, ртуть), и твёрдые (металлы) и газообразные. Их называют термометрическими телами . Термометрическое тело (жидкость или газ) помещают в трубку, снабжённую шкалой, её приводят в соприкосновение с телом, температуру которого хотят измерить.
При построении шкалы выбирают две основные (реперные, опорные) точки, которым приписывают определённые значения температуры, и интервал между ними делят на несколько частей. Значение каждой части соответствует единице температуры по данной шкале.
5. Существуют разные температурные шкалы. Одной из наиболее распространённых в практике шкал является шкала Цельсия. Основными точками этой шкалы служат температура таяния льда и температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.). Первой точке приписали значение 0 °С, а второй - 100 °С. Расстояние между этими точками разделили на 100 равных частей и получили шкалу Цельсия. За единицу температуры по этой шкале принят 1 °С. Помимо шкалы Цельсия широко используется температурная шкала, названная абсолютной (термодинамической) шкалой температур, или шкалой Кельвина. За ноль по этой шкале принята температура -273 °С (точнее -273,15 °С). Эта температура названа абсолютным нулём температур и обозначается 0 К. Единицей температуры является один кельвин (1 К); он равен 1 градусу Цельсия. Соответственно температура таяния льда но абсолютной шкале температур - 273 К (273,15 К), а температура кипения воды - 373 К (373,15 К).
Температуру по абсолютной шкале обозначают буквой \(T \) . Связь между температурой по абсолютной шкале \((T) \) и температурой по шкале Цельсия \(({t}^\circ) \) выражается формулой:
\[ T=t^\circ+273 \]
Часть 1
1. Броуновское движение частиц краски в воде является следствием
1) притяжения между атомами и молекулами
2) отталкивания между атомами и молекулами
3) хаотического и непрерывного движения молекул
4) перемещения слоёв воды из-за разности температуры нижних и верхних слоёв
2. В какой из приведённых ниже ситуаций речь идёт о броуновском движении?
1) беспорядочное движение пылинок в воздухе
2) распространение запахов
3) колебательное движение частиц в узлах кристаллической решётки
4) поступательное движение молекул газа
3. Что означают слова: «Молекулы движутся хаотически» ?
А. Отсутствует выделенное направление движения молекул.
Б. Движение молекул не подчиняется никаким законам.
Правильный ответ
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
4. Положение молекулярно-кинетической теории строения вещества о том, что частицы вещества участвуют в непрерывном хаотическом движении, относится
1) только к газам
2) только жидкостям
3) только к газам и жидкостям
4) к газам, жидкостям и твёрдым телам
5. Какое (-ие) положение (-я) молекулярно-кинетической теории строения вещества подтверждает явление диффузии?
А. Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении
Б. Между молекулами существуют промежутки
Правильный ответ
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
6. При одинаковой температуре диффузия в жидкостях происходит
1) быстрее, чем в твёрдых телах
2) быстрее, чем в газах
3) медленнее, чем в твёрдых телах
4) с той же скоростью, что и в газах
7. Укажите пару веществ, скорость диффузии которых наименьшая при прочих равных условиях
1) раствор медного купороса и вода
2) пары эфира и воздух
3) железная и алюминиевая пластины
4) вода и спирт
8. Вода кипит и превращается в пар при температуре 100 °С. Средняя скорость движения молекул пара
1) равна средней скорости движения молекул воды
2) больше средней скорости движения молекул воды
3) меньше средней скорости движения молекул воды
4) зависит от атмосферного давления
9. Тепловое движение молекул
1) прекращается при 0 °С
2) прекращается при 100 °С
3) непрерывно
4) имеет определённое направление
10. Воду нагревают от комнатной температуры до 80 °С. Что происходит со средней скоростью движения молекул воды?
1) уменьшается
2) увеличивается
3) не изменяется
4) сначала увеличивается, а начиная с некоторого значения температуры, остаётся неизменной
11. Один стакан с водой стоит на столе в тёплом помещении, другой - в холодильнике. Средняя скорость движения молекул воды в стакане, стоящем в холодильнике
1) равна средней скорости движения молекул воды в стакане, стоящем на столе
2) больше средней скорости движения молекул воды в стакане, стоящем на столе
3) меньше средней скорости движения молекул воды в стакане, стоящем на столе
4) равна нулю
12. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу
1) тепловое движение молекул происходит только при температуре большей 0 °С
2) диффузия в твёрдых телах невозможна
3) между молекулами одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания
4) молекула - это наименьшая частица вещества
5) скорость диффузии увеличивается с повышением температуры
13. В кабинет физики принесли ватку, смоченную духами, и сосуд, в который налили раствор медного купороса (раствор голубого цвета), а поверх осторожно налили воду (рис. 1). Было замечено, что запах духов распространился по объёму всего кабинета за несколько минут, тогда как граница между двумя жидкостями в сосуде исчезла только через две недели (рис. 2).
Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.
1) Процесс диффузии можно наблюдать в газах и жидкостях.
2) Скорость диффузии зависит от температуры вещества.
3) Скорость диффузии зависит от агрегатного состояния вещества.
4) Скорость диффузии зависит от рода жидкостей.
5) В твёрдых телах скорость диффузии наименьшая.
Ответы
Термин «температура» появился во времена, когда ученые-физики думали, что теплые тела состоят из большего количества специфической субстанции - теплорода, - чем такие же тела, но холодные. А температура трактовалась как величина, соответствующая количеству теплорода в теле. С тех пор температуру любых тел измеряют в градусах. Но на самом деле это мера кинетической энергии движущихся молекул, и, исходя из этого, ее следует измерять в Джоулях, в соответствии с Системой единиц Си.
Понятие «абсолютный ноль температуры» исходит из второго начала термодинамики. По нему процесс перехода тепла от холодного тела к горячему невозможен. Это понятие введено английским физиком У. Томсоном. Ему за достижения в физике было даровано дворянское звание «лорд» и титул «барон Кельвин». В 1848 г. У.Томсон (Кельвин) предложил использовать температурную шкалу, в которой за начальную точку принял абсолютный ноль температуры, соответствующий предельному холоду, а ценой деления взял градус Цельсия. Единицей Кельвина является 1/27316 доля температуры тройной точки воды (около 0 град. С), т.е. температуры, при которой чистая вода сразу находится в трех видах: лед, жидкая вода и пар. температуры - это минимально возможная низкая температура, при которой движение молекул останавливается, и из вещества уже невозможно извлечь тепловую энергию. С тех пор шкала абсолютных температур стала называться его именем.
Температура измеряется по разным шкалам
Наиболее употребляемая шкала температуры носит название «шкала Цельсия». Она построена на двух точках: на температуре фазового перехода воды из жидкости в пар и воды в лед. А. Цельсий в 1742 г. предложил расстояние между опорными точками разделить на 100 промежутков, а воды принять за ноль, при этом точку замерзания за 100 градусов. Но швед К. Линней предложил сделать наоборот. С тех пор вода замерзает при ноле градусов А. Цельсия. Хотя точно по Цельсию она должна кипеть. Абсолютный ноль по Цельсию соответствует минус 273,16 градусов Цельсия.
Есть еще несколько температурных шкал: Фаренгейта, Реомюра, Ранкина, Ньютона, Рёмера. Они имеют разные и цену деления. Например шкала Реомюра тоже построена на реперах кипения и замерзания воды, но она имеет 80 делений. Шкала Фаренгейта, появившаяся в 1724 г., используется в быту только в некоторых странах мира, в т. ч. США; одна - температура смеси водяной лед - нашатырь и другая - человеческого тела. Шкала делится на сто делений. Ноль Цельсия соответствует 32 Перевод градусов в фаренгейты можно сделать по формуле: F = 1,8 C + 32. Обратный перевод: С = (F - 32)/1,8, где: F - градусы Фаренгейта, С - градусы Цельсия. Если вам лень считать, сходите в онлайн-сервис по переводу Цельсия в Фаренгейты. В рамочке наберите число градусов Цельсия, нажмите «Рассчитать», выберите «Фаренгейт» и нажмите «Пуск». Результат появится сразу.
Названа в честь английского (точнее шотландского) физика Уильяма Дж. Ранкина, бывшего современником Кельвина и одним из создателей технической термодинамики. В его шкале важных точек три: начало - абсолютный ноль, точки замерзания воды 491,67 градус Ранкина и закипания воды 671,67 град. Число делений между замерзанием воды и ее закипанием и у Ранкина, и у Фаренгейта равно 180.
Большинством этих шкал пользуются исключительно физики. А 40% опрошенных в наши дни американских школьников выпускных классов сказали, что они не знают, что такое абсолютный ноль температуры.
