Будова речовини. Ідеальний газ

Вступ

Ми щоденно користуємося десятками, іноді сотнями фізичних тіл, які виготовлені з різних речовин. Ми легко розрізняємо алюмінієвий і мідний дроти, предмети, виготовлені з пластмаси, дерева, бачимо різницю між водою і олією.

Якщо розрубати мідний дріт на дві частини, одержимо дві менших частинки мідного дроту. Виникає питання:

– Чи можна безконечно ділити речовину на менші частини?
– Чим відрізняється мідь від алюмінію, заліза, тобто чим різняться різні речовини?

Близько 2500 тис. років тому вчений Демокрит висунув гіпотезу про існування найменших частинок речовини – атомів (від грецького «атомос» – «неподільний»).
Припущення Демокрита було підтверджене у XVIII-XIX ст.
Атоми виявилися дуже маленькими частинками, розміром близько 0,0000000001 (однієї десятимільярдної частини метра), тому їх неможливо розглянути навіть у найсучасніші оптичні мікроскопи.
У XX ст. були створені електронні мікроскопи, які дали можливість одержати зображення атомів, збільшені у десятки мільйонів разів.

Атоми є найменшими частинками речовини, але разом з тим, мають складну будову. Вони складаються з найменших частинок матерії: протонів, нейтронів і електронів. Протони і нейтрони утворюють ядро атома, навколо якого з великою швидкістю обертаються електрони. Майже вся маса атома зосереджена у ядрі.

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії будови речовини.

Розміри атомів і молекул. Рух атомів і молекул

Основні положення МКТ

Молекулярна фізика – це розділ фізики, який вивчає будову, фізичні властивості та агрегатні стани речовини на основі їх мікроскопічної (молекулярної) будови.

Молекулярно-кінетична теорія (МКТ) – теорія, яка пояснює будову та властивості речовини на основі закономірностей руху і взаємодії частинок, з яких складаються тіла.

1. Усі речовини складаються з частинок – атомів, молекул, йонів, тобто мають дискретну будову; між частинками є проміжки.

2. Частинки речовини перебувають у невпинному безладному (хаотичному) русі; такий рух називають тепловим.

3. Частинки взаємодіють одна з одною (притягуються і відштовхуються).

Атом – найменша частинка, яка є носієм властивостей хімічного елемента.

Кожному хімічному елементу відповідає певний атом, який позначають символом елемента (атом Гідрогену Н, атом Карбону С, атом Урану U).

Атом має складну структуру та являє собою ядро, оточене хмарою електронів. Кількість електронів в атомі дорівнює кількості протонів у його ядрі. Заряд електрона за модулем дорівнює заряду протона, тому атом є електрично нейтральним.

Молекула – найменша частинка речовини, яка має хімічні властивості цієї речовини та складається з атомів.

Якщо атом або молекула втратили один або кілька електронів, вони стають позитивним йоном; якщо ж до атома (молекули) приєднались один або кілька електронів, утворюється негативний йон.

Проблемне питання

• Наскільки малими є атоми та молекули?

Розміри більшості молекул і діаметри всіх атомів становлять порядку 10^–10м. Зрозуміло, що й маси атомів і молекул теж малі (порядку 10^–26 кг). Вимірювати їх у таких одиницях, як кілограм, дуже незручно, тому було впроваджено позасистемну одиницю.

Маса атомів і молекул. Кількість речовини.

Атомна одиниця маси дорівнює 1/12 маси атома Карбону

Відносна молекулярна (відносна атомна) маса – це маса молекули (атома), подана в атомних одиницях маси.

Відносна молекулярна маса показує, у скільки разів маса  молекули більша, ніж 1/12 маси атома Карбону

Наприклад, молекула води  утворена двома атомами Гідрогену  й одним атомом Оксигену , тому відносна молекулярна маса води .

Маса молекули води .

2. Характеристика частинок

Проблемне питання

• Яка кількість молекул міститься у склянці води?

• На скільки зручно рахувати таку величезну кількість молекул?

Один моль – це кількість речовини, яка містить стільки частинок речовини (атомів, молекул, йонів), скільки атомів Карбону міститься у вуглецю масою 12 г.

Стала Авогадро:

Кількість речовини – це фізична величина, яка дорівнює кількості молів частинок речовини.

 – число частинок речовини.

Одиниця кількості речовини в СІ – моль.

Перевір себе!

Ідеальний газ. Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу.

Ідеальний газ – це фізична модель газу, молекули якого приймають за матеріальні точки, що не взаємодіють одна з одною на відстані та пружно взаємодіють у моменти зіткнення.

Основне завдання МКТ: 

Встановити зв’язок між макроскопічними і мікроскопічними параметрами речовини й, виходячи з цього, знайти рівняння стану даної речовини.

Макроскопічні параметри – це фізичні величини, які характеризують властивості та поведінку макроскопічних тіл без урахування їх молекулярної будови. (об’єм, тиск, температура).

Основне рівняння МКТ ідеального газу:

p=1/3m₀nv²

p – тиск ідеального газу

m₀ – маса однієї молекули газу

n – концентрація молекул n=N/V

v² – середнє значення квадрата швидкості молекул

Коефіцієнт 1/3 зумовлений тривимірністю простору – тим, що під час хаотичного руху молекул всі три напрями рівноправні.

Абсолютна шкала температур

Температура – фізична величина, яка характеризує стан теплової рівноваги макроскопічної системи.

Стан теплової рівноваги – це такий стан макроскопічної системи, коли всі макроскопічні параметри системи залишаються незмінними як завгодно довго.

Як можна виміряти температуру?

Термометри – прилади для вимірювання температури через перетворення тепла в покази або в сигнали.

У 1848 р. англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін) (1824–1907) запропонував абсолютну шкалу температур (зараз її називають шкалою Кельвіна).

Абсолютна температура – це температура T, виміряна за шкалою кельвіна.

Одиниця абсолютної температури – кельвін – основна одиниця СІ:

(T)=1 К

Шкала Кельвіна побудована таким чином, що:

• зміна температури за шкалою Кельвіна дорівнює зміні температури за шкалою Цельсія: ∆t=∆T, тобто ціна поділки шкали Кельвіна дорівнює ціні поділки шкали Цельсія: 1 °С=1 К; 
• температури, виміряні за шкалами Кельвіна і Цельсія, пов’язані співвідношеннями:

T=t+273              t=T-273

Абсолютний нуль температури – це абсолютна нижня межа температури, за якої рух молекул і атомів має припинитися.

Тиск p газу повністю визначається його абсолютною температурою T і концентрацією n молекул газу:

p=nkT

Рівняння стану ідеального газу

1. Рівняння стану ідеального газу

Універсальна газова стала  – це добуток числа Авоґадро  на сталу Больцмана .

R=NAk

Рівняння стану ідеального газу (рівняння Менделєєва – Клапейрона):

Назване на честь російського хіміка й фізика Дмитра Івановича Менделєєва (1834–1907) і французького фізика Бенуа Поля Еміля Клапейрона (1799–1864).

Для даного газу деякої маси відношення добутку тиску на об’єм до температури газу є незмінним.

Ізопроцеси

Ізопроцес – це процес, у ході якого один із макроскопічних параметрів (тиск, об’єм, температура) даного газу деякої маси залишається незмінним.

1. Ізотермічний процес. 

Ізотермічний процес – процес змінювання стану даного газу деякої маси, що відбувається за незмінної температури.

Закон Бойля – Маріотта:

Для даного газу деякої маси добуток тиску газу на його об’єм є незмінним, якщо температура газу не змінюється.

Цей закон незалежно один від одного відкрили ірландський фізик і хімік Роберт Бойль (1627–1691) у 1662 р. і французький фізик Едм Маріотт (1620–1684) у 1676р.

Ізотерми – це графіки ізотермічних процесів

2. Ізобарний процес.

Ізобарний процес – процес змінювання стану даного газу деякої маси, що відбувається за незмінного тиску.

Закон Ґей-Люссака:

Для даного газу деякої маси відношення об’єму газу до температури є незмінним, якщо тиск газу не змінюється.

Цей закон експериментально встановив у 1802 р. французький фізик Жозеф Луї Ґей­Люссак (1778–1850).

Ізобари – це графіки ізобарних процесів.

3. Ізохорний процес. 

Ізохорний процес – процес змінювання стану даного газу деякої маси, що відбувається за незмінного об’єму.

Закон Шарля:

Для даного газу деякої маси відношення тиску газу до його температури є незмінним, якщо об’єм газу не змінюється.

Цей закон установив у 1787 р. французький учений Александр Сезар Шарль (1746–1823).

Ізохори – це графіки ізохорних процесів.

Лабораторна робота №5

Дослідне підтвердження закону Бойля-Маріотта

Мета роботи: дослідити, як змінюється об’єм повної маси газу (при сталій температурі) із зміною тиску, і встановити співвідношення між ними.

Прилади і обладнання :

Скляний циліндр висотою 40 см з водою (або мензурка)

Скляна трубка довжиною 40-50 см, закрита з одного кінця

Вимірна лінійка з міліметровими поділками

Барометр БР – 52 (один на групу)

Штатив універсальний

Загальні теоретичні положення

Для опису властивостей газів користуються трьома макропараметрами, які однозначно визначають стан газу та знаходяться простим вимірюванням за допомогою приладів, це тиск – p , абсолютна температура – T і об’єм газу – V . Значення таких величин визначається спільною дією великої кількістю молекул, тому їх називають макроскопічними (від грецького ‘макрос’ – великий ). Тиск вимірюють барометром, температуру – термометром, а об’єм – лінійкою або мензуркою.

Процес у газі, який відбувається при постійній температурі (T = const ), називають ізотермічним, а його графік – ізотермою. Залежність між тиском p газу і його об’ємом V при постійній температурі дослідним шляхом вперше встановили Р. Бойль і Є. Маріотт.

Закон Бойля-Маріотта визначає те, що якщо маса газу у системі не змінюється (замкнена система), то добуток тиску газу на його об’єм є постійна величина для будь-якого стану газу при ізотермічному процесі.

Це означає, що при зменшенні об’єму газу тиск зростає, а при його збільшенні тиск спадає. При ізотермічному стисканні газу його частинкам надається менший об’єм і, тому, вони частіше стикаються зі стінками посудини, що призводить до збільшення тиску газу. При ізотермічному розширенні газу все відбувається навпаки.

Закон Бойля-Маріотта можна перевірити за допомогою обладнання.

Опустити відкритим кінцем вниз трубку у скляний циліндр висотою 40 см з водою  і закріпити її у штативі. Повітря в трубці буде під тиском, який дорівнює атмосферному H плюс гідростатичний тиск стовпчика води висотою h . (Для спрощення розрахунку атмосферний тиск і тиск стовпчика води доцільно вимірювати в мм рт. ст.).

Густина води в 13,6 рази менша за густину ртуті, тому стовпчик висотою h мм створює такий самий тиск, як стовпчик ртуті висотою

Повітря в трубці буде під тиском:

де Н – атмосферний тиск, виражений в мм рт. ст.;

h – різниця рівнів води, виміряна в мм, у циліндрі і в трубці

Порядок виконання роботи

Виміряйте барометром атмосферний тиск Н в мм рт. ст..

(Під таким тиском знаходиться повітря в трубці до її занурення у воду).

Опустіть у воду трубку відкритим кінцем вниз на максимальну глибину. Виміряйте довжину стовпчика L повітря в трубці і різницю рівнів води в ній і в циліндрі – h . Щоб зручніше було визначити довжину стовпчика L повітря в трубці, один раз виміряйте лінійкою довжину трубки, яку занурюєте в воду, та віднімайте від цього значення довжину стовпчика води, що в ній знаходиться у нижній її частині.

Повторіть вимірювання L і h для двох менших глибин занурення трубки;

Обчисліть за формулою:

p=H+h/13.6

для всіх трьох дослідів, порівняйте їх між собою, зробіть висновок;

Результати вимірювань і обчислень запишіть у таблицю 1.

Поміркуй!