2-й семестр

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

1. Свойства газов, жидкостей, твердых тел

· Основные положения МКТ

· Количество вещества

· Газовые законы

· Уравнение состояния идеального газа

· Насыщенный пар. Влажность воздуха

· Поверхностное натяжение. Смачивание

· Строение и свойства твердых тел

· Кристаллические и аморфные тела

Тематическое планирование

Урок 1/72

Тема. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Цель урока: ознакомить учащихся с основными положениями молекулярно-кинетической теории и их подтверждениями на основе опытов

Тип урока: изучение нового материала

План урока

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Основные положения молекулярно-кинетической теории и ее подтверждение на основе опытов

Вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Молекулярная физика - раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе их молекулярного строения.

Молекулярно-кинетическая теория зародилась в XIX-ом веке с целью объяснить строение и свойства вещества на основе представлений о том, что вещество состоит из мельчайших частиц - молекул, которые непрерывно движутся и взаимодействуют друг с другом. Особых успехов эта теория достигла во время объяснения свойств газов.

Ø Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ.

В основе МКТ лежат три основных положения:

1) все вещества образованы из мельчайших частиц - молекул, которые сами состоят из атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительного электрического заряда и превращаться в положительные или отрицательные ионы;

2) атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении;

3) частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу.

Самым ярким экспериментальным подтверждением представлений о молекулярно-кинетическую теорию (беспорядочное движение атомов и молекул) является броуновское движение. Это тепловое движение мельчайших микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе. Оно было открыто английским ботаником Р. Броуном в 1827 г. Броуновские частицы движутся под влиянием беспорядочных ударов молекул. Через хаотическое тепловое движение молекул эти удары никогда не уравновешивают друг друга. В результате скорость броуновской частицы беспорядочно меняется по модулю и направлению, а ее траектория образует сложную зигзагообразную кривую.

Теория броуновского движения была создана А. Эйнштейном в 1905 г. Экспериментально теория Эйнштейна была подтверждена в опытах французского физика Ж. Перрена, проведенных в 1908-1911 гг. Постоянный хаотическое движение молекул вещества проявляется также в другом явлении, которое легко наблюдать,- диффузии. Диффузией называется явление проникновения двух или нескольких соприкасающихся веществ друг в друга. Быстрее всего процесс протекает в газе, если он неоднороден по составу. Диффузия приводит к образованию однородной смеси, независимо от плотности компонентов. Диффузия и броуновское движение - родственные явления. Взаимопроникновения соприкасающихся веществ друг в друга и беспорядочное движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходят вследствие хаотического теплового движения молекул. Убедиться в существовании молекул и оценить их размер можно достаточно просто. Поместим маленькую капельку масла на поверхность воды. Масляное пятно будет растекаться по поверхности воды, но площадь масляной пленки не может превышать определенного значения. Можно предположить, что максимальная площадь пленки соответствует масляном слоя толщиной в одну молекулу. Например, капля оливкового масла объемом 1 мм3 растекается площадью не более 1 м2. Отсюда следует, что размер молекулы масла порядка 10-9 м. Много опытов свидетельствуют о наличии сил межмолекулярного взаимодействия. Силы, действующие между двумя молекулами зависят от расстояния между ними. Молекулы являются сложными пространственными структурами, которые содержат как положительные, так и отрицательные заряды. Если расстояние между молекулами достаточно большая, то преобладают силы межмолекулярного привлечения. На малых расстояниях преобладают силы отталкивания. Зависимости результирующей силы F и потенциальной энергии взаимодействия между молекулами от расстояния между их центрами качественно изображены на рисунке.

На определенном расстоянии r = r0 сила взаимодействия сводится к нулю. Это расстояние условно можно принять за диаметр молекулы.

2. Основная задача МКТ

Параметры газа, связанные с индивидуальными характеристиками составляющих его молекул, называются микроскопическими параметрами (массы молекул, их скорости, концентрация). Параметры, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называются макроскопическими параметрами (объем, давление, температура).

Ø Соотношение между макроскопическими параметрами - объемом и давлением - называется уравнением состояния.

Основная задача молекулярно-кинетической теории: установить связь между макроскопическими и микроскопическими параметрами вещества и, исходя из этого, найти уравнение состояния данного вещества. Например, зная массу молекул, их средние скорости и концентрацию, можно найти объем, давление и температуру данной массы газа, а также определить давление газа, если известны его объем и температура.

3. Масса и размеры молекул

Массы отдельных молекул и атомов очень малы. Например, в 1 г воды содержится 3,7·1022 молекул. Следовательно, масса одной молекулы воды (Н2O) равна:

Массы такого же порядка имеют молекулы других веществ (кроме огромных молекул органических веществ). Например, белки имеют массы, в сотни тысяч раз больше массы отдельных атомов. Но все равно их массы в макроскопических масштабах (граммах и килограммах) чрезвычайно малы.

Приблизительную оценку размеров молекул можно получить из опытов, проведенных немецким физиком В. Рентгеном и английским физиком Д. Рэлея. Если капнуть на поверхность воды капельку масла, то капля расплывется, образуя тонкую пленку толщиной всего лишь в одну молекулу. Толщину этого слоя нетрудно определить и тем самым оценить размеры молекулы масла. Объем V (0,001 см3) слоя масла равен произведению площади его поверхности S (6000 см2) на толщину слоя d, то есть V = Sd. Следовательно, размер молекулы масла равна:

На данный момент существует ряд методов, позволяющих определить размеры молекул и атомов. Например, линейные размеры молекул кислорода составляют 3·10-10 м, воды - примерно 2,6·10-10 м. Таким образом, характерной длиной в мире молекул является размер 10-10 м. Полезно не только запомнить этот параметр (10-10 м), но и образно представить его себе. Это поможет нам войти в мир молекул. Легко проверить: если молекулу воды увеличить до размеров яблока, то яблоко станет размером с земной шар.

Вопрос к ученикам во время изложения нового материала

1. В чем заключается суть броуновского движения?

2. В чем заключается явление диффузии?

3. Перечислите известные вам доказательства существования молекул.

4. Приведите примеры фактов, которые показывают делимость веществ.

5. Какие опыты доказывают, что между молекулами твердых и жидких тел действуют силы притяжения и отталкивания?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА

1. Тренируемся решать задачи

1) Как вы считаете, можно бы было наблюдать броуновское движение, если бы молекулы прилипали во время столкновения к броуновской частицы?

2) Почему ваше тело не осуществляет броуновского движения?

3) Две стеклянные пластинки трудно оторвать друг от друга, если между ними есть немного воды. Если же стекло пластинок сухое, то они отделяются друг от друга легко. Почему?

4) Почему броуновское движение никогда не завершается?

5) Почему водород и гелий могут испаряться даже из герметично закрытых емкостей.

2. Контрольные вопросы

1) Объясните выражение: «Молекула - мельчайшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства».

2) есть хаотическое движение пылинок в воздухе броуновским движением?

3) Молекулы твердых тел движутся постоянно и хаотично. Почему же твердые тела не распадаются?

Что мы узнали на уроке

• Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ.

• Диффузией называется явление проникновения двух или нескольких веществ, что соприкасаются друг к другу.

• Величины, характеризующие состояние макроскопических тел в целом, называют макроскопическими параметрами.

• Величины, характеризующие свойства отдельных молекул веществ, называют микроскопическими параметрами.

• Основная задача молекулярно-кинетической теории: установить связь между макроскопическими и микроскопическими параметрами вещества и, исходя из этого, найти уравнение состояния данного вещества.

Домашнее задание

1. Конспект.

2. Решите задачи:

р1): 1. На каком физическом явлении основан процесс засолки овощей, рыбы, мяса? консервирование фруктов и овощей?

2. В каком случае процесс происходит быстрее - если рассол холодный или горячий?

3. Почему сладкий сироп приобретает со временем вкуса фруктов?

р2): 1. Если не работает вентиляция, мельчайшую пыль древесины в столярном цехе часами «висит» в воздухе даже после выключения деревообрабатывающих станков. Почему?

2. Запах березового веника в жаркой бане распространяется быстрее, чем в прохладной комнате. Почему?

3. Во время ремонта дороги запах разогретого асфальта чувствуется издалека, а запах остывшего асфальта почти не чувствуется. Почему?

Г3): 1. Около 99-55 гг. до н. э. Тит Лукреций Кар писал:

«Дабы ты лучше постиг, что тела основные мятутся

В вечном движеньи всегда, припомни, что дна никакого

Нет у Вселенной нигде, и телам изначальным остаться

Негде на месте, раз нет ни конца, ни пределу пространству,

Если безмерно оно и простерто во всех направленьях,

Как я подробно уже доказал на основеразумной».

Попробуйте объяснить этот стих через призму МКТ.

2. Почему дым от костра, поднимаясь вверх, становится невидимым даже в безветренную погоду?

3. Почему полировки трущихся поверхностей, может привести не к уменьшению трения, а, наоборот, к увеличению?