Wydarzenia w świecie fizycznym są nierozerwalnie związane ze zmianami temperatury. Każdy człowiek zapoznaje się z nim we wczesnym dzieciństwie, kiedy zdaje sobie sprawę, że lód jest zimny, a wrząca woda płonie. Jednocześnie dochodzi do zrozumienia, że procesy zmiany temperatury nie zachodzą natychmiast. Później w szkole uczeń dowiaduje się, że jest to związane z ruchem termicznym. A cała sekcja fizyki poświęcona jest procesom związanym z temperaturą.
Co to jest temperatura?
Jest to koncepcja naukowa wprowadzona w celu zastąpienia codziennych terminów. W życiu codziennym stale pojawiają się słowa takie jak gorąco, zimno lub ciepło. Wszystkie mówią o stopniu nagrzania ciała. Tak to określa się w fizyce, tylko z tym, że jest to wielkość skalarna. W końcu temperatura nie ma kierunku, a jedynie wartość liczbową.
W Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI) temperatura jest mierzona w stopniach Celsjusza (ºС). Jednak w wielu wzorach opisujących zjawiska cieplne wymagane jest przeliczenie ich na kelwiny (K). DoIstnieje na to prosty wzór: T \u003d t + 273. W nim T jest temperaturą w kelwinach, a t jest w stopniach Celsjusza. Pojęcie temperatury zera absolutnego jest związane ze skalą Kelvina.
Istnieje kilka innych skal temperatury. Na przykład w Europie i Ameryce używany jest stopień Fahrenheita (F). Dlatego muszą umieć pisać w stopniach Celsjusza. Aby to zrobić, odejmij 32 od odczytów w F, a następnie podziel je przez 1, 8.
Eksperyment domowy
W jego wyjaśnieniu musisz znać takie pojęcia, jak temperatura, ruch termiczny. A ukończenie tego doświadczenia jest łatwe.
To zajmie trzy pojemniki. Powinny być na tyle duże, aby ręce bez problemu zmieściły się w nich. Napełnij je wodą o różnej temperaturze. W pierwszym musi być bardzo zimno. W drugim - ogrzewany. Do trzeciego wlej gorącą wodę, w której będzie można trzymać rękę.
Teraz samo doświadczenie. Zanurz lewą rękę w pojemniku z zimną wodą, prawą - najgorętszą. Poczekaj kilka minut. Wyjmij je i natychmiast zanurz w naczyniu z ciepłą wodą.
Wynik będzie nieoczekiwany. Lewa ręka poczuje, że woda jest ciepła, podczas gdy prawa ręka poczuje zimną wodę. Wynika to z faktu, że równowaga termiczna jest najpierw ustalana z tymi cieczami, w których ręce są początkowo zanurzone. A potem ta równowaga zostaje gwałtownie zakłócona.
Główne założenia teorii kinetyki molekularnej
Opisuje wszystkie zjawiska termiczne. A te stwierdzenia są dość proste. Dlatego w rozmowie o ruchu termicznym te zapisy powinny być znanewymagane.
Po pierwsze: substancje są tworzone przez najmniejsze cząsteczki znajdujące się w pewnej odległości od siebie. Co więcej, cząstki te mogą być zarówno cząsteczkami, jak i atomami. A odległość między nimi jest wielokrotnie większa niż wielkość cząstek.
Po drugie: we wszystkich substancjach występuje ruch termiczny cząsteczek, który nigdy się nie zatrzymuje. Cząstki poruszają się losowo (chaotycznie).
Po trzecie: cząstki oddziałują ze sobą. To działanie jest spowodowane siłami przyciągania i odpychania. Ich wartość zależy od odległości między cząstkami.
Potwierdzenie pierwszego przepisu ICB
Dowodem na to, że ciała składają się z cząstek z przerwami między nimi, jest ich rozszerzalność cieplna. Tak więc, gdy ciało jest ogrzewane, jego rozmiar wzrasta. Dzieje się tak dzięki usuwaniu cząsteczek od siebie.
Kolejnym potwierdzeniem tego, co zostało powiedziane, jest dyfuzja. Oznacza to przenikanie cząsteczek jednej substancji między cząsteczkami innej. Co więcej, ten ruch jest wzajemny. Dyfuzja postępuje tym szybciej, im dalej od siebie znajdują się cząsteczki. Dlatego w gazach wzajemne przenikanie nastąpi znacznie szybciej niż w cieczach. A w ciałach stałych dyfuzja zajmuje lata.
Nawiasem mówiąc, ostatni proces wyjaśnia również ruch termiczny. Wszakże wzajemne przenikanie substancji w siebie odbywa się bez ingerencji z zewnątrz. Ale można to przyspieszyć ogrzewając ciało.
Potwierdzenie drugiej pozycji MKT
Jasny dowód, że istniejeruch termiczny to ruch Browna cząstek. Rozważany jest dla cząstek zawieszonych, to znaczy tych, które są znacznie większe niż cząsteczki substancji. Cząsteczki te mogą być cząsteczkami kurzu lub ziarnami. I mają być umieszczone w wodzie lub gazie.
Powodem losowego ruchu zawieszonej cząsteczki jest to, że cząsteczki działają na nią ze wszystkich stron. Ich działanie jest niekonsekwentne. Skala wpływów w każdym momencie jest inna. Dlatego wynikowa siła jest skierowana w jednym lub drugim kierunku.
Jeśli mówimy o szybkości ruchu termicznego cząsteczek, to jest na to specjalna nazwa - średnia kwadratowa. Można go obliczyć za pomocą wzoru:
v=√[(3kT)/m0].
W nim, T to temperatura w kelwinach, m0 to masa jednej cząsteczki, k to stała Boltzmanna (k=1, 3810 -23 J/K).
Potwierdzenie trzeciego przepisu ICB
Cząstki przyciągają i odpychają. W wyjaśnianiu wielu procesów związanych z ruchem termicznym wiedza ta okazuje się istotna.
W końcu siły interakcji zależą od zagregowanego stanu materii. Tak więc gazy praktycznie ich nie mają, ponieważ cząstki są usuwane tak daleko, że ich działanie nie jest widoczne. W cieczach i ciałach stałych są wyczuwalne i zapewniają zachowanie objętości substancji. W tych ostatnich również gwarantują zachowanie kształtu.
Dowodem na istnienie sił przyciągania i odpychania jest pojawienie się sił sprężystych podczas deformacji ciał. Tak więc wraz z wydłużeniem siły przyciągania między cząsteczkami wzrastają, a wraz zkompresja - odpychanie. Ale w obu przypadkach przywracają ciału jego pierwotny kształt.
Średnia energia ruchu termicznego
Można to zapisać z podstawowego równania MKT:
(pV)/N=(2E)/3.
W tym wzorze p to ciśnienie, V to objętość, N to liczba cząsteczek, E to średnia energia kinetyczna.
Z drugiej strony to równanie można zapisać w następujący sposób:
(pV)/N=kT.
Jeśli je połączysz, uzyskasz następującą równość:
(2E)/3=kT.
Z tego wynika następujący wzór na średnią energię kinetyczną cząsteczek:
E=(3kT)/2.
Widać stąd jasno, że energia jest proporcjonalna do temperatury substancji. Oznacza to, że gdy ta ostatnia wzrasta, cząstki poruszają się szybciej. Jest to istota ruchu termicznego, który istnieje tak długo, jak długo panuje temperatura inna niż zero bezwzględne.
