История физики: термодинамика и молекулярная физика. Реферат. История техники. 2009-01-12

Изменение энергии в фазовых переходах

Все вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях (фазах): газообразном, жидком и твердом. Возможен переход вещества из одного агрегатного состояния (фазы) в другое. Такие переходы называют фазовыми переходами.

Фазовый переход – это переход вещества из одной фазы в другую при изменении внешних условий (температуры, давления), сопровождающийся скачкообразным изменением его физических свойств.

Выделяют следующие фазовые переходы: плавление и кристаллизация, парообразование и конденсация.

Важно!Переход вещества из одной фазы в другую при постоянном давлении происходит при строго определенной температуре. Внутренняя энергия при фазовых переходах изменяется.

Для плавления требуется сообщить телу некоторое количество теплоты. При нагревании вещества до температуры плавления подводимая энергия идет на увеличение скорости движения частиц. Это значит, что при нагревании до температуры плавления растут температура вещества и его внутренняя энергия.

Подводимая к телу энергия в процессе плавления идет на работу по преодолению сил межмолекулярного притяжения. Это связано с увеличением средних расстояний между частицами вещества при переходе из твердого состояния в жидкое. Скорость движения частиц при этом не изменяется, поэтому остается постоянной и температура вещества.

Внутренняя энергия увеличивается за счет увеличения потенциальной энергии взаимодействия частиц, а кинетическая энергия частиц не меняется. Вещество в жидком состоянии обладает большей внутренней энергией, чем в твердом.

График зависимости температуры кристаллического тела от полученного количества теплоты выглядит следующим образом.

На этом графике участок АВ соответствует нагреванию кристаллического тела, участок ВС – плавлению, участок CD – нагреванию жидкости.

При понижении температуры вещества до температуры плавления происходит кристаллизация – переход вещества из жидкой фазы в твердую фазу. При кристаллизации выделяется количество теплоты, равное поглощаемому при плавлении. В процессе кристаллизации температура остается постоянной. Происходит восстановление межмолекулярных связей и кристаллической решетки.

Внутренняя энергия при кристаллизации уменьшается. Если тело отдает количество теплоты, то участок графика DC соответствует охлаждению жидкости, участок СВ – кристаллизации, участок ВА – охлаждению кристаллического тела.

Для осуществления процесса кипения к жидкости нужно подводить тепло. При нагревании до температуры кипения растет температура жидкости и ее внутренняя энергия за счет увеличения скорости молекул жидкости.

При кипении температура жидкости не изменяется, а внутренняя энергия растет за счет увеличения потенциальной энергии взаимодействия частиц (расстояния между частицами увеличиваются). Кинетическая энергия частиц остается постоянной. При конденсации внутренняя энергия молекул пара уменьшается, так как потенциальная энергия уменьшается (кинетическая энергия частиц не меняется).

График зависимости температуры жидкости от полученного или отданного количества теплоты выглядит следующим образом.

На графике участок CD соответствует нагреванию жидкости, участок DE – кипению, участок EF – нагреванию пара.

Если тело отдает количество теплоты, то участок FE соответствует охлаждению пара, участок ED – конденсации, участок DC – охлаждению жидкости.

Изопроцессы: изотермический, изохорный, изобарный, адиабатный процессы

Изопроцесс — это процесс, протекающий при постоянной массе газа и постоянном значении одного из параметров состояния системы.

Изотермический процесс — термодинамический процесс, проходящий при постоянной температуре и неизменной массе газа.

Изотермический процесс подчиняется закону Бойля – Мариотта: для данной массы газа при неизменной температуре произведение числовых значений давления и объема постоянно:

Важно!Процесс можно считать изотермическим, если он протекает медленно. Например, подъем воздушного пузырька со дна пруда к поверхности.

На графике изотермический процесс изображается кривой, которую называют изотерма.

Разным температурам соответствуют разные изотермы. При одинаковых объемах газ с более высокой температурой производит большее давление. Значит, чем выше температура, тем выше расположена изотерма в осях ​( (p,V) )​.

В координатных осях ​( p(T) )​ и ​( V(T) )​ график изотермического процесса выглядит так:

Изобарный процесс — термодинамический процесс, проходящий при неизменной массе газа и постоянном давлении.

Изобарный процесс подчиняется закону Гей-Люссака: при неизменном давлении объем данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре:

На графике зависимости объема от температуры этот процесс изображается прямой, которую называют изобара. Изобара всегда выходит из начала координат в осях ​( (V, T) )​.

Так как абсолютный нуль недостижим, то из начала координат изобару проводят пунктиром.

Разным давлениям соответствуют разные изобары. При одинаковой температуре чем меньше объем газа, тем большее давление он производит. Это значит, что, чем выше давление, тем ниже расположена изобара в осях ​( (V, T) )​.

В координатных осях ​( p(T) )​ и ​( p(V) )​ график изобарного процесса выглядит так:

Важно!Процесс можно считать изобарным, если не меняется внешнее давление.

Изохорный процесс – это термодинамический процесс, проходящий при неизменной массе газа и постоянном объеме.

Изохорный процесс подчиняется закону Шарля: при неизменном объеме давление данной массы газа прямо пропорционально его абсолютной температуре:

На графике зависимости давления от температуры этот процесс изображается прямой, которую называют изохора. Изохора всегда выходит из начала координат в осях ​( (p, T) )​. Так как абсолютный нуль недостижим, то из начала координат изохору проводят пунктиром.

Разным объемам соответствуют разные изохоры. При одинаковой температуре чем меньше объем газа, тем большее давление он производит. Поэтому при одинаковой температуре чем больше объем, тем ниже расположена изохора (в осях ​( p,V )​).

В координатных осях ​( V(T) )​ и ​( p(V) )​ график изобарного процесса выглядит так:

Важно!Процесс можно считать изохорным, если он происходит в закрытом сосуде.

Адиабатный процесс – термодинамический процесс, проходящий без теплообмена с окружающей средой.

Адиабатный процесс возможен при хорошей теплоизоляции системы. К адиабатным можно отнести быстро протекающие процессы сжатия или расширения газа. При быстром сжатии газа затрачивается работа, приводящая к увеличению внутренней энергии и повышению температуры.

Тело, температура которого повышена, должно некоторое количество теплоты передать окружающей среде, но процесс теплопередачи требует некоторого времени, поэтому при быстром сжатии (или расширении) теплота не успевает распространиться из данного объема (​( Q )​ = 0), и процесс можно рассматривать как адиабатный.

Зависимость давления от объема газа при адиабатном процессе на графике изображается кривой, называемой адиабата. При адиабатном сжатии давление газа с уменьшением объема растет быстрее из-за повышения температуры. Различие в изображении адиабаты и изотермы дает рисунок, на котором адиабата обозначена цифрой 2, а изотерма – цифрой 1.

Примером адиабатного процесса в природе является образование облаков.

При решении задач на «Уравнение Менделеева – Клапейрона» и газовые законы выделяют следующие группы задач:

• Переход идеального газ из одного состояния в другое без изменения массы.
• Состояние газа не меняется, а масса изменяется.
• Изменяется и масса и состояние газа.

Алгоритм решения задач первой группы:

• установить, какой газ участвует в том или ином процессе;
• определить параметры p, V и T, характеризующие каждое состояние газа;
• записать уравнение объединенного газового закона Клапейрона для данных состояний; если один из трех параметров остается неизменным, уравнение Клапейрона автоматически переходит в одно из трех уравнений газовых законов;
• записать математически все вспомогательные условия;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.

Алгоритм решения задач второй группы:

• установить, какие газы участвуют в рассматриваемых процессах;
• определить параметры p, V и T, характеризующие каждое состояние газа;
• для каждого состояния каждого газа (если их несколько) составить уравнение Менделеева – Клапейрона. Если дана смесь газов, то это уравнение записывается для каждого компонента. Связь между значениями давлений отдельных газов и результирующим давлением смеси устанавливается законом Дальтона;
• записать математически дополнительные условия задачи;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.

Алгоритм решения задач третьей группы:

• внимательно проанализировать условие задачи и исходные данные;
• установить, какие параметры газа изменяются, а какие остаются постоянными;
• обратить внимание на параметры, заданные неявно;
• записать для каждого состояния газа уравнение Менделеева – Клапейрона;
• записать математически дополнительные условия задачи;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.

История физики: термодинамика и молекулярная физика

Горяев М.А.

Учение
о теплоте зародилось в 18 веке. До этого времени понятие температуры и теплоты
практически не различались. Работами ученых 18 века было начато количественное
исследование тепловых явлений. В разработку шкал для измерения температуры
основной вклад внесли немецко-голландский физик Габриэль Даниэль Фаренгейт
(1686-1736), французский ученый Рене Антуан Фершо де Реомюр (1683-1757) и
шведский ученый Андерс Цельсий (1701-1744).

Количественные
исследования смешивания воды разных температур, проведенные российским физиком
Георгом Вильгельмом Рихманом (1711-1753), изучение шотландским ученым Джозефом
Блэком (1728-1799) процессов плавления и испарения и другие работы в области
тепловых явлений привели к разделению понятий теплоты и температуры.

Были
введены единицы измерения количества тепла (калория), понятия теплоемкости,
теплот плавления и парообразования. Для объяснения природы теплоты
использовались две теории: по одной теплота связывалась с движением частиц, а
по другой рассматривалась специальная материя – теплород. Следует отметить
работы в этом направлении Ломоносова, который был ярым противником теории
теплорода.

Ломоносов
Михаил Васильевич (19.11.1711-15.04.1765) – русский ученый-энциклопедист.
Родился в с. Денисовка Архангельской губернии в семье крестьянина. В 1731-35
учился в Славяно-греко-латинской академии в Москве, в 1735-36 – в университете
при Петербургской АН, в 1736-41 – за границей в Марбурге и Фрейберге. С 1742 –
адьюнкт, с 1745 – академик Петербургской АН.

Работы
в области физики, химии, астрономии, горного дела, металлургии и др.
Экспериментально доказал (1756) закон сохранения вещества, который был
окончательно подтвержден А.Лавуазье в 1774. Представлял природу как единое
целое, где все взаимосвязано и не исчезает бесследно (закон сохранения материи
и движения Ломоносова).

Был основоположником внедрения физических методов в
химию, разработал конструкции различных приборов (около 100). Был непримиримым
противником невесомых (флюидов), является одним из основоположников
молекулярно-кинетической теории теплоты. Нагревание связывал с возрастанием
поступательного и вращательного движения, что изложил в работе “Размышления о
причине теплоты и холода” (1747-48). Вместе с Г.В.

Рихманом проводил
исследования по электричеству, используя для этого изобретенный Рихманом
“электрический указатель” – прообраз электрометра. Разработал теорию
атмосферного электричества. Сконструировал телескоп-рефлектор (ночезрительная труба),
с помощью которой в 1761 наблюдал прохождение Венеры по диску Солнца и открыл
на ней атмосферу.

Велик
вклад Ломоносова в развитие науки, культуры и образования, он заложил основы
естествознания в России. В 1755 по его инициативе и проекту был открыт Московский
университет, носящий теперь его имя. АН СССР учредила Золотую медаль им.
М.В.Ломоносова.

Ломоносов
заложил основы молекулярно-кинетической теории, правда, представляя молекулы в
виде вращающихся шариков, т.к. упругих столкновений между ними быть по его
представлениям не могло. Но преимущество в 18 веке в соответствии с
распространенной общей научной методологией того времени, широко использовавшей
представления о различных флюидах, отдавалось теории теплорода, как более
наглядной и допускающей простые аналогии, а несостоятельность ее была показана
позднее.

В
19 веке развивалось учение о теплоте, и были сформулированы основные положения
термодинамики и молекулярно-кинетической теории. В конце 18 – начале 19 века
проводилось много исследований теплового расширения тел. Особое внимание
обращалось на его равномерность и был установлен ряд аномалий для твердых и
жидких тел: анизотропия расширения кристаллов, максимум плотности воды при 4 С,
сжатие иодистого серебра при нагреве от -10 до 70 С и др.

Для теплового
расширения воздуха Вольтой в 1793 г. была установлена равномерность расширения,
а в 1802 г. французский физик и химик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850) сформулировал
на основе собственных экспериментов и исследований своего соотечественника Жака
Шарля (1746-1823) закон о том, что все газы расширяются равномерно и одинаково,
и рассчитал коэффициент расширения. В том же 1802 г. Дальтон сформулировал свой
закон о парциальных давлениях.

Дальтон
Джон (06.09.1766–27.07.1844) – английский химик и физик, член Лондонского
королевского общества (1822), Парижской АН. Родился в Иглсфилде в бедной семье.
Образование получил самостоятельно. Был учителем математики в Манчестере, с
1799 читал частные лекции.

Физические
исследования в области молекулярной физики: адиабатическое сжатие и расширение,
насыщенный и перегретый пар, зависимость растворения газов от их парциального
давления.

Один
из основоположников атомистических представлений в химии, открыл закон кратных
отношений, ввел понятие атомного веса и составил первую таблицу атомных весов
элементов. В 1794 г. провел физиологические исследования, открыл слепоту к
отдельным цветам (дальтонизм).

Многочисленные
работы привели к заключению о различии теплоемкостей воздуха при постоянном
объеме и постоянном давлении. На это различие обратил внимание Лаплас и в 1816
г. он объяснил несоответствие экспериментального значения скорости звука в
воздухе получаемому из теории Ньютона изменением температуры при чередующихся
сжатиях и разрежениях воздуха.

Лаплас
Пьер Симон (28.03.1749-05.03.1827) – французский астроном, физик и математик,
член Парижской (1785) и Петербургской АН (1802). Родился в Бомон-ан-Оже. Учился
в школе бенедектинцев. С 1771 – профессор Военной школы в Париже, с 1790 –
председатель Палаты мер и весов.

Основные
работы в области небесной механики подытожены в пятитомнике “Трактат о
небесной механике” (1798-1825). Сделал почти все, чего не могли сделать
его предшественники для объяснения движения тел Солнечной системы на основе
закона всемирного тяготения.

Физические
исследования относятся к молекулярной физике, теплоте, акустике, электричеству,
оптике. В 1821 установил закон изменения плотности воздуха с высотой
(барометрическая формула). В 1806-07 разработал теорию капиллярности, вывел
формулу для скорости звука в газах с поправкой на адиабатичность.

В
математике известен “оператором Лапласа”, “преобразованием Лапласа”,
“интегралом Лапласа”, “теоремой Лапласа”, является одним из создателей теории
вероятностей. Как председатель Палаты мер и весов активно внедрял в жизнь
метрическую систему мер.

Активно участвовал в реорганизации высшего образования
во Франции, в частности в создании Нормальной и Политехнической школ.
Участвовал в политической жизни, при всяком перевороте поддерживая победителей.
Активный член Якобинского клуба, при Наполеоне был министром внутренних дел,
членом сената, получил титул графа. В 1814 проголосовал за низложение
Наполеона, при реставрации Бурбонов получил пэрство и титул маркиза.

Лаплас
ввел в формулу Ньютона поправку, соответствующую отношению теплоемкостей при
постоянном давлении и объеме, что устранило несоответствие и послужило основой
для экспериментального метода определения этого отношения для всех газов.

Одновременно
в основном усилиями химиков развивалась атомистика. Один из создателей ее основ
Дальтон в 1803 г. сформулировал закон кратных отношений и в 1808 г. он
опубликовал труд “Новая система химической философии”, в котором
изложил атомистическую теорию.

По этой теории соединения состоят из атомов (по
Демокриту) элементов, которые различаются по атомному весу. Шведский химик Иенс
Якоб Берцелиус (1779-1848) внес большой вклад в атомистическую теорию и в 1826
г. опубликовал таблицу атомных весов, которые в основном совпадают с принятыми
в настоящее время. Он также предложил химические символы элементов по первым
буквам их латинского названия.

На
основе атомных весов с учетом химических свойств элементов Менделеев сделал
самое гениальное открытие в химии 19 века – периодический закон и составил
периодическую таблицу химических элементов.

Менделеев
Дмитрий Иванович (08.02.1834—2.02.1907) – русский ученый, член-корреспондент
Петербургской АН (1876), член многих иностранных академий наук и обществ, в его
честь назван 101 химический элемент – менделевий. Родился в Тобольске в семье
директора гимназии.

Окончил Главный педагогический институт в Петербурге
(1855). В 1857-90 преподавал в Петербургском университете (с 1865 – профессор).
В 1890 покинул университет из-за конфликта с министром просвещения. С 1892 –
ученый-хранитель Депо образцовых гирь и весов, которое по его инициативе в 1893
реорганизовано в Главную палату мер и весов, ее управляющий в 1893-1907.

Основные
работы в области химии, а также физики, метрологии, метеорологии и др. Открыл в
1869 один из фундаментальных законов природы – периодический закон химических
элементов и на его основе создал периодическую таблицу. Исправил значения
атомных весов многих элементов, предсказал существование и свойства новых, еще
не открытых элементов (галлий, германий, скандий) и вычислил приблизительно их
атомные веса.

Последующие открытия блестяще подтвердили эти предсказания и
периодический закон. Предсказал существование критической температуры (1860),
обобщив уравнение Клайперона, вывел в 1874 общее уравнение состояния идеального
газа (уравнение Клайперона-Менделеева).

В 1887 осуществил беспилотный полет
воздушного шара для наблюдения солнечного затмения и изучения верхних слоев
атмосферы. Разработал физическую теорию весов, конструкцию коромысла и
арретира, точные приемы взвешивания. В 1888 выдвинул идею подземной газификации
угля.

АН
СССР учредила премию и золотую медаль Менделеева за лучшие работы по химии.

В
1808 г. Гей-Люссак экспериментально открыл закон объемных отношений, по
которому образующие соединение газы занимают объемы в отношении кратных целых
чисел. Интерпретация этого закона в ряде случаев противоречила данным Дальтона,
что вызвало резкие выступления последнего. Но в 1811 г. итальянский химик
Амедео Авагадро (1776-1856) сформулировал свой закон о том, что при одинаковых
внешних условиях (температура и давление) в равных объемах газов содержится
равное число частиц.

Успехи
учения об атомно-молекулярном строении вещества, в особенности, газов,
безусловно, оказало влияние на становление термодинамики и молекулярной физики
и способствовало развитию механической теории теплоты.

Во
второй половине 18 века господствовала теория теплорода, но уже в начале 19
века она стала уступать свои позиции механической теории теплоты. Этому в
немалой степени способствовали начатые еще в 1765 г. Уаттом методические
экспериментальные изучения паровой машины, которые затем были продолжены
широким кругом исследователей.

Уатт
Джеймс (19.01.1736 – 19.08.1819) – шотландский изобретатель, член Эдинбургского
(1784) и Лондонского (1785) королевских обществ, Парижской АН (1814). Родился в
Гриноке. С 1756 г. работал механиком в университете в Глазго.

Исследовал
свойства водяного пара. При детальном изучении паровой машины Ньюкомена ввел
много усовершенствований: конденсатор, центробежный регулятор ввода пара,
золотник, паровую рубашку вокруг цилиндра, механизм передачи движения от поршня
к балансиру и др. В 1784 г. создал универсальный паровой двигатель с
непрерывным вращением с высокой эффективностью, получивший широкое
распространение и сыгравший большую роль в промышленной революции 19 века.

Его
именем названа единица мощности – ватт.

Именно
в итоге работ по решению практической проблемы увеличения эффективности паровой
машины Карно сформулировал основные положения термодинамики об эквивалентности
работы и теплоты (1 начало) и о необходимости холодильника в тепловой машине.

Карно
Никола Леонард Сади (01.04.1796 – 24.08.1832) – французский физик и инженер.
Родился в Париже в семье выдающегося военачальника, политического деятеля и
ученого Л.Карно. Окончил Политехническую школу (1814). В 1814-19 и 1826-27 – на
военной службе в качестве инженера.

Является
одним из создателей термодинамики. В 1824 в сочинении “Размышления о движущей
силе огня и о машинах, способных развить эту силу”, исходя из невозможности
создания вечного двигателя, впервые показал, что полезную работу можно получить
только при переходе тепла от нагретого тела к более холодному (2 начало
термодинамики).

Только разность температур нагревателя и холодильника
обусловливает отдачу тепловой машины, а природа рабочего тела не играет никакой
роли (теорема Карно). Ввел понятия кругового и обратимого процессов, показал
преимущества применения в паровых машинах пара высокого давления и его
многократного расширения, сформулировал принцип работы газовых тепловых машин.

Но
идеи Карно поначалу остались почти незамеченными, что объясняется, прежде
всего, их новизной. И лишь в 1834 г. французский физик и инженер Бенуа Поль
Эмиль Клайперон (1799-1864) обратил внимание на эти работы, заменил
первоначальный цикл Карно циклом из двух изотерм и двух адиабат и ввел
уравнение состояния газа, объединившее законы Бойля и Гей-Люссака.

Окончательно
же идею об эквивалентности работы и теплоты в 1842-43 г.г. сформулировали немецкий
врач Юлиус Роберт Майер (1814-1878) и Джоуль, которые также численно определили
механический эквивалент теплоты.

Джоуль
Джеймс Прескотт (24.12.1818–11.10.1889) – английский физик, член Лондонского
королевского общества (1850). Родился в Солфорде в семье владельца
пивоваренного завода. Получил домашнее образование. Первые уроки по физике ему
давал Дальтон, под влиянием которого были начаты экспериментальные
исследования.

Работы
в области электромагнетизма, теплоты, кинетической теории газов. Установил в
1841 зависимость выделяемого тепла от величины проходящего тока и сопротивления
проводника (закон Джоуля-Ленца). Исследовал тепловые явления при сжатии и
расширении газов, показал, что внутренняя энергия идеального газа не зависит от
его объема.

Совместно с У.Томсоном в 1853-54 открыл явление охлаждения газа при
его адиабатическом протекании через пористую перегородку (эффект
Джоуля-Томсона). Построил термодинамическую температурную шкалу, теоретически
определил теплоемкость ряда газов. Вычислил скорость движения молекул газа и
установил ее зависимость от температуры, давление считал результатом ударов
частиц газа о стенки сосуда. Открыл явление магнитного насыщения (1840) и
магнитострикции (1842).

Его
именем названа единица энергии – джоуль.

В
1847 г. Гельмгольц вводит понятие энергии, которая не уничтожается, а лишь
переходит из одной формы в другую, т.е. сформулировал закон сохранения энергии
во всех физических явлениях.

Гельмгольц
Герман Людвиг Фердинанд (31.08.1821 – 08.09.1894) – немецкий естествоиспытатель,
член Берлинской (1871), Петербургской (1868) и других академий наук и научных
обществ. Медаль Копли (1873). Родился в Потсдаме в семье преподавателя
гимназии.

Учился в Военно-медицинском институте и университете в Берлине. В
1842 г. получил степень доктора по физиологии. В 1849-55 – профессор физиологии
Кёнигсбергского, в 1858-71 – Гейдельбергского университетов, в 1871-88 –
профессор физики Берлинского университета и с 1888 – президент
Физико-технического института (Берлин-Шарлоттенбург).

Физические
исследования в областях электродинамики, оптики, теплоты, акустики,
гидродинамики. Разработал термодинамическую теорию химических процессов, введя
понятия свободной и связанной энергии. Показал колебательный характер
электрических процессов в контуре из индуктивности и конденсатора, развил
теорию электродинамических процессов в проводящих неправильных телах, теорию
аномальной дисперсии света.

Существенные
успехи в физиологической акустике и физиологии зрения, разработал
количественные методы физиологических исследований, впервые измерил скорость
распространения нервного возбуждения.

Заложил
основы теории вихревого движения в гидродинамике и теории разрывных движений в
аэродинамике. Разработанный Гельмгольцем принцип механического подобия объяснил
ряд метеорологических явлений и механизм образования морских волн.

Взгляды
Гельмгольца стали основой энергетической школы, для которой в отличие от
механистической концепции мира с понятиями материя и сила энергия –
единственная физическая реальность, а материя – лишь кажущийся ее носитель.

Основателем
механической теории теплоты был Клаузиус, начавший в 1850 г. исследования
принципа эквивалентности теплоты и работы и закона сохранения энергии.

Клаузиус
Рудольф Юлиус Эммануэль (02.01.1822–24.08.1888) – немецкий физик,
член-корреспондент Берлинской АН (1876), член Петербургской (1878) и других
академий наук и научных обществ. Родился в Кеслине в семье пастора. Окончил
Берлинский университет, степень доктора (1847).

Работы
в области молекулярной физики, термодинамики, теоретической механики.
Математической физики. В 1850 независимо от У.Ранкина получил общее соотношение
между теплотой и работой (1 начало термодинамики) и разработал идеальный
термодинамический цикл паровой машины (цикл Ранкина-Клаузиуса).

Дал
математическое выражение 2 начала как в случае обратимых круговых процессов, так
и необратимых, показал, что изменение энтропии определяет направление
протекания процесса. Ввел в кинетическую теорию газов статистические
представления, понятие о сфере действия молекул, первый теоретически вычислил
давление газа на стенки сосуда.

Теоретически
обосновал закон Джоуля-Ленца, развил теорию термоэлектричества, ввел
представление об электролитической диссоциации. Разработал теорию поляризации и
независимо от О.Моссотти вывел соотношение между диэлектрической проницаемостью
и поляризуемостью диэлектрика (формула Клаузиуса-Моссотти).

Клаузиус
ввел понятие внутренняя энергия и придал 1 началу точную математическую форму,
а также переформулировал 2 начало термодинамики: невозможен самопроизвольный
переход тепла от более холодного к более нагретому телу. В 1865 г. он ввел
новую величину – энтропию, сыгравшую фундаментальную роль в термодинамике. Эта
величина постоянна в идеальных обратимых процессах и возрастает для реальных
процессов.

Реализация
связи между механическими процессами и тепловыми явлениями была осуществлена в
кинетической теории газов. Гельмгольц в 1847 г. первым выдвинул гипотезу о том,
что внутренняя причина взаимопревращения механической работы и теплоты лежит в
сведении тепловых явлений к явлениям механического движения.

Этот путь был
найден в 1856 г. немецким физиком Августом Карлом Кренингом (1822-1879), а
годом позже Клаузиусом, которые построили кинетическую теорию. Было получено
уравнение состояния с учетом средней кинетической энергии молекул и введена
связь ее с температурой.

Кинетической теории удалось объяснить многие явления:
диффузию, растворение, теплопроводность и др. Учет взаимодействия между
молекулами и конечности их размеров позволил голландскому физику Иоганнесу
Дидерику Ван дер Ваальсу (1837-1923) в 1873 г. ввести поправки в уравнение
идеального газа и описать поведение реальных газов.

Формулировка
2 начала термодинамики не соответствовала традиционным механическим
представлениям, где все процессы обратимы. Кинетическая теория делает это
несоответствие противоречием. Эти трудности были преодолены Максвеллом и Больцманом,
которые ввели понятие вероятности физических явлений и поставили на место
динамических законов в механике статистические законы в термодинамике.

Максвелл
Джеймс Клерк (13.06.1831–05.11.1879) – английский физик, член Эдинбургского
(1855) и Лондонского (1861) королевских обществ. Родился в Эдинбурге в семье
юриста. Учился в Эдинбургском (1847-50) и Кембриджском (1850-54) университетах.
По окончании последнего преподавал в Тринити колледж, в 1856-60 – профессор
Абердинского университета, в 1860-65 – Лондонского королевского колледжа, с
1871 – первый профессор экспериментальной физики в Кембридже. Под его
руководством создана Кавендишская лаборатория в Кембридже.

Работы
в области электродинамики, молекулярной и статистической физики, оптики,
механики, теории упругости. Установил статистический закон распределения
молекул газа по скоростям (распределение Максвелла), развил теорию переноса,
применив ее к процессам диффузии, теплопроводности и внутреннего трения.

Создал
теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла), введя понятие тока
смещения и само определение электромагнитного поля. Развил идею
электромагнитной природы света и раскрыл связь между оптическими и
электромагнитными явлениями. Установил соотношения между основными
теплофизическими параметрами, развивал теорию цветного зрения. Сконструировал
ряд приборов.

Впервые
(1879) опубликовал рукописи работ Г.Кавендиша, был известным популяризатором
физических знаний.

Его
именем названа единица магнитного потока – максвелл.

Больцман
Людвиг (20.02.1844–05.09.1906) – австрийский физик, член Австрийской (1895),
Петербургской (1899) и других академий наук. Родился в Вене в семье служащего.
Окончил Венский университет (1866). Профессор университетов в Граце (1869-73 и
1876-89), Вене (1873-76 и 1894-1900 и с 1903), Мюнхене (1889-94), Лейпциге
(1900-02).

Работы
в области кинетической теории газов, термодинамики и теории излучения. Вывел
закон распределения молекул газа по скоростям (статистика Больцмана). Применив
статистические методы, вывел кинетическое уравнение газов, являющееся основой
физической кинетики.

Впервые
применил принципы термодинамики к излучению и теоретически получил закон
теплового излучения, который был экспериментально установлен Й.Стефаном. Из
термодинамических соображений подтвердил существование по гипотезе Д.Максвелла
давления света.

Непрерывные
нападки со стороны противников кинетической теории газов вызвали у Больцмана
манию преследования, что, возможно, привело к самоубийству.

Второе
начало термодинамики уже рассматривается не как достоверный закон природы, а
как вероятный. Здесь впервые классическая физика сталкивается с дуализмом
явлений природы.

Следует
сказать, что термодинамика только в самых своих истоках опиралась на
представления механической теории теплоты. По мере развития она превратилась в
самостоятельный раздел физики, методология и мощный аппарат которого стал
применяться в различных областях физики и химии.

Этому в немалой степени
способствовали достаточно общие представления о термодинамических потенциалах,
основной вклад в развитие которых внес американский физик Джозайя Уиллард Гиббс
(1839-1903). В частности, введением понятий свободная энергия и химический
потенциал он по существу положил начало новой дисциплины – физической химии и
одного из основных ее направлений – термодинамики химических реакций.

Модели строения газов, жидкостей и твердых тел

Все вещества могут существовать в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Четвертым агрегатным состоянием вещества считают плазму. Агрегатное состояние зависит от физических условий, в которых находится вещество. Существование у вещества нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в тепловом движении его молекул (атомов) и в их взаимодействии при разных условиях.

В газах силы притяжения между молекулами очень малы. Частицы газа находятся на больших расстояниях друг от друга: расстояния между частицами гораздо больше размеров самих частиц. Частицы газа движутся беспорядочно. Кинетическая энергия молекул газа гораздо больше потенциальной энергии их взаимодействия.

Молекулы жидкости сильно взаимодействуют друг с другом и расположены очень близко друг к другу. Однако такое расположение частиц не является строго упорядоченным по всему объему. Говорят, что в жидкостях наблюдается ближний порядок – упорядоченное относительное расположение соседних частиц жидкости.

Потенциальная энергия взаимодействия молекул жидкости сравнима с их кинетической энергией. Молекулы жидкости совершают хаотические колебания около положений равновесия. Эти колебания происходят внутри свободного объема, предоставляемого молекулам ее соседями.

Через некоторое время положение равновесия смещается, и частица жидкости совершает скачок. Свойства жидкостей одинаковы по всем направлениям. Основные свойства жидкостей: жидкости имеют определенный объем, но не сохраняют форму, текучи и мало сжимаемы.

В твердых телах силы взаимного притяжения частиц очень велики. Частицы твердых тел не могут уйти со своих мест на большое расстояние. Потенциальная энергия взаимодействия молекул твердого тела больше их кинетической энергии. Движение частиц представляет собой колебания относительно их положений равновесия – узлов кристаллической решетки.

Твердые тела делятся на кристаллические и аморфные. Кристаллические твердые тела имеют упорядоченное, периодически повторяющееся в пространстве расположение частиц – кристаллическую решетку. Одиночные кристаллы, имеющие форму правильных многогранников, называются монокристаллами.

Для таких тел характерна анизотропия – зависимость физических свойств от направления. Большинство твердых тел представляют собой сросшиеся монокристаллы – поликристаллы. Поликристаллы изотропны – их физические свойства одинаковы по всем направлениям.

В кристаллических твердых телах имеется дальний порядок в расположении частиц: упорядоченное расположение частиц повторяется по всему объему кристалла. В аморфных телах атомы колеблются около хаотически расположенных точек. Свойства аморфных тел: они изотропны, не имеют постоянной температуры плавления, обладают текучестью.

Насыщенные и ненасыщенные пары

При испарении жидкости в закрытом сосуде через некоторое время количество жидкости перестает уменьшаться, хотя молекулы продолжают переходить в пар. В этом случае наряду с процессом парообразования происходит процесс превращения пара в жидкость – конденсация.

Это означает, что жидкость и ее пар находятся в состоянии динамического равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара. В состоянии динамического равновесия скорости процессов испарения и конденсации одинаковы.

При повышении температуры давление насыщенного пара и его плотность возрастают, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. Температура, при которой исчезают физические различия между жидкостью и ее паром, называется критической ​( T_{кр.} )​.

При температуре, равной критической температуре ( T_{кр.} ) для данного вещества, плотности пара и жидкости становятся одинаковыми. При ( T geq T_{кр.} ) исчезают физические различия между жидкостью и ее насыщенным паром.

Свойства насыщенного пара

Давление насыщенного пара данной жидкости при постоянной температуре – постоянная величина, и она не зависит от объема пространства над испаряющейся жидкостью. Значит, при постоянной температуре плотность насыщенного пара постоянна.

Число молекул, вылетающих с единицы площади поверхности жидкости за одну секунду, зависит от температуры жидкости. Число молекул, возвращающихся из пара в жидкость, зависит от концентрации молекул пара и от средней скорости их теплового движения, которая определяется температурой пара.

Отсюда следует, что для данного вещества концентрация молекул пара при равновесии жидкости и ее пара определяется их температурой. Установление динамического равновесия между процессами испарения и конденсации при повышении температуры происходит при более высоких концентрациях молекул пара.

Так как давление газа (пара) определяется его концентрацией и температурой, то можно сделать вывод: давление насыщенного пара ( p_{нас.} ) данного вещества зависит только от его температуры и не зависит от объема.

Если изотермически сжимать ненасыщенный пар ​( (T < T_{кр.}) )​, то его давление будет возрастать, пока не станет равным давлению насыщенного пара. При дальнейшем уменьшении объема на дне сосуда образуется жидкость и устанавливается динамическое равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром.

Давление насыщенного пара не зависит от объема при данной температуре. Если объем изменяется, то конденсация будет преобладать над испарением или наоборот, пока не установится динамическое равновесие.

Давление ​( p_{нас.} )​ насыщенного пара очень быстро возрастает с ростом температуры ​( T )​. Зависимость ( p_{нас.}(T) ) нельзя получить из законов идеального газа.

Давление газа при постоянной концентрации молекул растет прямо пропорционально температуре. В насыщенном паре при повышении температуры возрастает не только средняя кинетическая энергия движения молекул, но и их концентрация. Поэтому давление насыщенного пара при повышении температуры возрастает быстрее, чем давление идеального газа при постоянной концентрации молекул.

На рисунке показана зависимость давления насыщенного пара от температуры. На участке АВ (в сосуде пар и жидкость) давление увеличивается за счет роста температуры и, соответственно, скорости частиц. На участке ВС (в сосуде пар и жидкость) давление увеличивается как за счет роста температуры, так и за счет увеличения концентрации молекул пара. Участок СD (в сосуде только пар) соответствует состоянию, когда давление растет за счет увеличения скоростей молекул пара.

Зависимость между массой, объемом, давлением и температурой для насыщенного пара не такая, как для идеального газа, так как если пар в каком-либо процессе остается насыщенным, то его масса меняется. При изотермическом сжатии насыщенный пар частично конденсируется, так что его давление остается постоянным.

Ненасыщенный пар можно теоретически описывать с помощью уравнения состояния идеального газа при обычных для реальных газов ограничениях: давление пара должно быть не слишком велико (практически ​( p )​ ≤ (106–107) Па), а его температура выше некоторого определенного для каждого вещества значения. К насыщенному пару также можно приближенно применять законы идеального газа.

Экспериментальные доказательства атомистической теории. взаимодействие частиц вещества

Атомистическая гипотеза была выдвинута Демокритом около 2500 лет назад. Такие ученые как Декарт, Ломоносов, Ньютон считали, что материя состоит из мельчайших неделимых частиц. Однако в их работах не было приведено доказательства их существования. Количественное обоснование теории было дано в работах Дальтона, Гей-Люссака, Авогадро.

МКТ подтверждена многочисленными опытами и наблюдениями.

Первое положение МКТ — все тела состоят из частиц (атомов, молекул, ионов и др.), разделенных промежутками.

Его подтверждают явления испарения жидкостей и твердых тел, делимости веществ, диффузии, броуновского движения, растворения веществ, окрашивания воды крупинкой краски, сжимаемости веществ. Экспериментальным подтверждением существования отдельных, разделенных промежутками частиц могут служить проницаемость, сжимаемость, растворимость веществ.

Косвенными доказательствами являются фотографии молекул и групп атомов, полученные с помощью электронного микроскопа, измерения масс и размеров молекул – например, образование пленки олеиновой кислоты на поверхности воды. Полагая, что эта пленка имеет толщину в одну молекулу, получаем диаметр молекулы ​( d )​.

где ​( V )​ – объем капли олеиновой кислоты, ​( S )​ – площадь пленки на поверхности воды.

Существование молекул доказывает закон кратных соотношений (закон Дальтона): при образовании из двух элементов различных веществ массы одного из элементов в разных соединениях находятся в кратных отношениях. Например:

Существование промежутков доказывает тот факт, что при смешивании различных жидкостей объем смеси меньше суммы объемов отдельных жидкостей; диффузия; деформация.

Массы атомов и молекул определяют по формуле:

где ​( M )​ – молярная масса, ​( N_A )​ – постоянная Авогадро.

Постоянная Авогадро – число атомов, молекул (структурных элементов) в одном моле любого вещества:

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде массой 0,012 кг. Моль – основная единица Международной системы (СИ).

Важно!В одном моле любого вещества содержится одинаковое число частиц – 6·1023 частиц.

Так как массы молекул очень малы, удобно использовать в расчетах не абсолютные значения масс, а относительные. По международному соглашению массы всех атомов и молекул сравнивают с ( frac{1}{12} ) массы атома углерода (углеродная шкала атомных масс).

Относительной молекулярной (или атомной) массой вещества ​( M_r )​ называют отношение массы молекулы (или атома) ​( m_0 )​ данного вещества к ​( frac{1}{12} )​ массы атома углерода ​( m_{0C} )​:

Относительные атомные массы всех химических элементов точно определены. Складывая относительные атомные массы, можно вычислить относительную молекулярную массу.

Чем больше атомов и молекул содержится в макроскопическом теле, тем больше вещества содержится в нем. Число молекул в макроскопических телах огромно, поэтому удобно указывать не абсолютное число атомов или молекул, а относительное. Принято сравнивать число молекул или атомов в данном теле с числом атомов, содержащихся в углероде массой 12 г.

Относительное число атомов или молекул в теле характеризует особая физическая величина: количество вещества.

Обозначение – ​( nu )​, единица измерения в СИ – моль.

Количеством вещества( nu ) называют отношение числа молекул ​( N )​ в данном теле к числу атомов в 0,012 кг углерода:

Молярной массой вещества ​( M )​ называют массу вещества, взятого в количестве 1 моля:

Важно!В СИ единица измерения молярной массы – кг/моль.

Второе положение МКТ — движение частиц.

Это положение доказывают диффузия, броуновское движение, существование давления газа на стенки сосуда.

В 1860 году Максвелл пришел к выводу о том, что молекулы газа движутся с различными скоростями. Он вывел закон распределения молекул газа по скоростям. Значительное число молекул движется со скоростью, названной наиболее вероятной. Она зависит от температуры – чем выше температура, тем больше эта скорость.

На графике по оси абсцисс отложены значения модуля скорости частиц, по оси ординат – относительное число молекул, скорости которых лежат в интервале от ​( v )​ до ​( v Delta v )​ (это отношение обозначено ​( F )​).

Экспериментально скорость движения молекул была определена в опыте Штерна в 1920 году.

Экспериментальная установка представляла собой два цилиндра разных радиусов, обладающих общей осью вращения, которые приводились во вращение с большой скоростью. На оси внутреннего цилиндра располагалась платиновая проволока, покрытая серебром. При пропускании по ней тока проволока нагревалась, и атомы серебра испарялись с нее. На внутреннем цилиндре была сделана прорезь. Установка помещалась в вакуум.

Если цилиндры были неподвижны, то атомы серебра осаждались на внешнем цилиндре напротив щели. При вращении цилиндров полоска смещалась относительно прорези и была неоднородна по толщине. Это доказывало, что скорость атомов серебра разная и что число частиц, движущихся с различными скоростями, неодинаково. Толщина слоя определяется числом частиц, движущихся с определенной скоростью.

Третье положение МКТ — частицы вещества взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания.

Эти силы зависят от расстояния: с увеличением расстояния преобладают силы притяжения, при уменьшении – силы отталкивания. Взаимодействие частиц доказывает деформация, существование различных агрегатных состояний вещества, сохранение формы и объема твердого тела, смачивание и капиллярность (существование сил поверхностного натяжения жидкости), опыт с двумя свинцовыми цилиндрами, которые, будучи притерты друг к другу свежими срезами, выдерживают значительную нагрузку.

Силы межмолекулярного взаимодействия имеют электромагнитную природу, хотя в целом молекула электрически нейтральна (суммы положительных и отрицательных зарядов составляющих ее частиц равны). Электрическое поле молекулы на расстоянии, большем 2–3 ее диаметров, можно считать равным нулю.

Принято считать силы притяжения отрицательными, а силы отталкивания положительными. При сближении молекул возникает взаимодействие электрических зарядов ядер и электронных оболочек молекул: разноименные заряды притягиваются, одноименные отталкиваются; между молекулами возникают силы притяжения.

Расстояния между центрами молекул при этом порядка 10-9 м. Когда молекулы «соприкоснутся» своими электронными оболочками, дальнейшее сближение станет невозможным, и возникнут большие силы отталкивания. Расстояния между центрами молекул при этом порядка 10-10 м.

При растяжении тела увеличиваются расстояния между частицами и возникают силы притяжения, а при сжатии расстояние между частицами становится меньше и начинают действовать силы отталкивания. В обоих случаях возникает сила упругости, стремящаяся вернуть тело в исходное состояние.

Зависимость силы взаимодействия между молекулами от расстояния показана на рисунке. ​( F )​ – проекция силы взаимодействия, которая отрицательна в случае притяжения и положительна при отталкивании частиц, ​( r )​ – расстояние между частицами.

При сближении сила взаимодействия сначала растет по модулю, затем убывает (область притяжения частиц). При переходе через ​( r = r_0 )​ сила взаимодействия изменяет знак и очень быстро увеличивается по модулю при уменьшении расстояния (область отталкивания частиц).

Расстояние ​( r_0 )​ соответствует устойчивому равновесию двух частиц. При отклонении от него в любую сторону возникает сила, возвращающая молекулы в состояние равновесия. Этому расстоянию соответствует минимальная потенциальная энергия.