Файл: Fizika - V. F. Dmitriyeva.pdf

Сделать презентацию

Скачать файл (10,99Мб)

Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 22.11.2019

Просмотров: 18938

Скачиваний: 11

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

§ 43. Поняття про вакуум. Міжзоряний газ

Поняття про вакуум

Стан газу, при якому середня довжина вільного пробігу мо-

пс кул (X) порівнянна з розмірами І посудини, в якій міститься газ, на-

їм мають

вакуумом

. Розрізняють такі ступені вакууму: надвисокий

((А,)» /, тиск 133-10

-2

Па і менший); високий Ц А ) > / , тиск 133-10~

Па);

середній {(X) /, тиск (і-ИЗЗ)-І(Г

Па); низький ((X) < І , тиск

(ІЗЗНОІ)-ІО

Па).

Міжзоряний газ

У газових туманностях тиск газу в десятки тисяч разів менший,

ніж у надвакуумі. В 1 м

повітря при нормальному атмосферному тиску міс-

і нться порядку 10

молекул, а в газових туманностях - порядку ІО

~ 10

Абсолютного вакууму не існує,

"Пустота" міжзоряного простору відносна. Цей простір наповнений не

пльки полями тяжіння, електромагнітними, а й найдрібнішими пилинка-

ми, молекулами і атомами газу -

міжзоряним газом.

Цей газ було вияв™

лено по лініях поглинання у спектрах зір. Радіоастрономія дає можливість
виявити цей невидимий для ока газ за радіохвилями, які він випромінює.

І Іайвиїций вакуум, досягнутий в лабораторних умовах, - це розрідже-

ний газ, що має тиск 10~

мм рт. ст. 10~

Па).

§ 44. Основне рівняння

молекулярно-кінетичної теорії газів

Тиск виникає внаслідок ударів молекул об стінки посудин.

Розглянемо поводження однієї довільно взятої молекули

ідеального га-

іу, що є в посудині, яка має форму куба (рис. 4.10). Нехай У

- її швид-

кість, напрямлена перпендикулярно до стінки посудини, а ш

- маса. Під

час пружного удару молекула надасть стінці імпульс

після удару її

імпульс дорівнюватиме -

Отже, імпульс молекули зміниться на

ш, У

-(-тр

) = 2т-і)

За другим законом Ньютона,

ГА =2тр

(4.13)

165

Якщо в кубі, довжина ребра якого до-

рівнює

, є

молекул, то внаслідок безла-

дного руху молекул і рівноймовірності

всіх напрямів можна вважати, що

пі

молекул рухається вздовж осі х,

пі

уздовж осі

у, п і

3 молекул - уздовж ОСІ

Щоб знайти середню силу тиску газу, тре-
ба обчислити суму імпульсів усіх молекул
об стінку за певний час. Від удару до на-
ступного удару об ту саму грань молекула
проходить шлях., який в середньому дорі-
внює

. Час, який минув між цими уда-

рами, дорівнює

{

21 і У

. Визначимо тепер середню силу, з якою на одну

із стінок посудини діє одна молекула. У рівняння (4.13) підставимо час і

між двома ударами

=(211V;)

, звідки

Рис» 4.10

Р ^ Ю ® - , або

Молекули газу рухаються з різними швидкостями

і9

...,

іп

);

отже, вони надають стінці посудини й різних імпульсів. Візьмемо який-
небудь один напрям руху молекул (наприклад, уздовж осі х). Між двома
протилежними гранями куба в цьому напрямі рухається п і 3 усіх моле-
кул, і сумарна сила ударів об одну грань

і " і

ЩУг

ШлУ

тл>„

В ідеальному газі

, тому

І т (

з і '

(4.14)

Помноживши і поділивши праву частину рівності (4.14) на п , дістанемо

' з " /

? 2 2 ^

УЇ+УЇ+- + УІ

Вираз, який стоїть у дужках, є квадратом середньої квадратичної

ШВИДКОСТІ

руху молекул

^ І ' к в )

• Отже,

166

де

р 8.

У нашому випадку 5 =

, отже,

Е Р

тп

{

1ь)

" " /

" З/

= ( 4 Л 5 )

де // / /

=п/у = п

Тоді

Р=~п

т(у1

.16)

І І,е

основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії.

Воно визначає макроскопічну величину - тиск газу через коицен-

• рацію

молекул, масу

окремих молекул і середню квадратичну

швидкість {

кв

) їхнього руху.

Якщо через (Е) = т ( і >

2 к в

\ п о з н а ч и т и середню кінетичну енергію

поступального руху деякої "середньої" молекули, то рівняння (4.16) мож-
на записати у вигляді

Р~\п

{Е).

.17)

Тиск газу дорівнює 2/3 середньої кінетичної енергії поступального

руху всіх молекул, які містяться в одиничному об'ємі газу.

§ 45. Температура та її вимірювання

Теплова рівновага

Поняття температури - одне з найважливіших у молекуляр-

ній

фізиці. Навіть без спеціальних приладів людина розрізняє тепло і

холод, більш нагріті і менш нагріті тіла.

Ступінь нагрітості тіл харак-

теризують температурою.

Таке означення поняття температури має

'інше якісний характер. Щоб дати кількісне означення температури,

і реба ввести поняття теплової рівноваги. Пояснимо його на прикладі.

Якщо покласти нагрітий метал на лід, то лід почне танути, а метал -

охолоджуватись доти, доки температури тіл не стануть однаковими.

167

При контакті два тіла обмінюються теплотою (відбувається теплооб-
мін), внаслідок чого енергія металу зменшується, а енергія льоду (при
таненні) - збільшується.

Тепер візьхмемо кілька тіл (систему тіл): нагріте залізо (тіло

А),

воду

при кімнатній температурі (тіло

Б)

і лід (тіло

В).

Введемо умовний за-

пис, який показує, як у процесі теплообміну між цими тілами зміню-
ється енергія тіл:

А --> Б -•» В.

Напрям стрілок показує, від якого тіла й до якого передається енергія

в процесі теплообміну. Енергія при цьому завжди передається від тіла з
вищою температурою до тіла з нижчою температурою. Нарешті, настає
стан системи тіл, при якому теплообміну між тілами системи не буде. Та-
кий стан називають

тепловою рівновагою.

Тіла в тепловій рівновазі мають однакові температури.

Якщо система тіл перебуває в стані теплової рівноваги, то об'єм, тем-

пература її частин та інші характеристики стану не змінюються з часом.
Властивість температури визначати напрям теплового обміну між тілами -
найважливіша в термодинаміці.

Вимірювання температури

Із зміною температури змінюються розміри тіл, їх об'єми,

електричний опір та інші властивості. Взагалі, більшість усіх фізичних і
хімічних явищ залежить від температури. Отже, температуру можна ви-
значити за зміною якої-небудь зручної для вимірювання фізичної власти-
вості певної речовини.

Щоб

однозначно визначати температуру, треба взяти

термомет-

ричне тіло і температурний параметр.

За термометричне тіло для певних інтервалів температур можна взяти

газ (наприклад, водень) або рідину (ртуть, спирт). Температурним пара-
метром у них є об'єм, можуть бути електричний опір деяких напівпровід-
ників і провідників, інтенсивність випромінювання тощо.

Температурний параметр має змінюватись з температурою без-

перервно і монотонно, тобто він не повинен мати однакових значень
при різних температурах.

Найчастіше для вимірювання температур використовують властивість

рідини змінювати об'єм від нагрівання (або охолодження). Прилад, за
допомогою якого вимірюють температуру, називається

термометром.

Звичайний рідинний термометр (рис. 4.11) складається з невеликого

скляного резервуара, до якого приєднано скляну трубку з вузьким внут-

168

Рис. 4.11

рипнім каналом. Резервуар і частину трубки наповнено ртуттю.

Температуру середовища, в яке занурено термометр, визнана-

іон» за положенням верхнього рівня ртуті в трубці. Поділки на

шкалі домовились наносити в такий спосіб. Цифру 0 ставлять на

тому місці шкали, де встановлюється рівень стовпчика рідини,

коли термометр опущено в сніг (лід), який тане, цифру 100 - в

і ому місці, де встановлюється рівень стовпчика рідини, коли
ісрмометр занурений у пару води, яка кипить при нормальному

шеку (ш

П а | . Відстань між цими позначками ділять на 100

однакових частин, які називають

градусами.

Такий спосіб поді-

ну шкали запровадив А. Цельсій. Градус за шкалою Цельсія по-

іиачають °С.

Ртутні термометри застосовують для вимірювання темпера-

і урн в межах від ~30 до + 800 °С. Поряд з рідинними ртутними і

спиртовими термометрами застосовують електричні (термоеле-

менти або термометри опору), газові термометри тощо. Пока- ^

ІІІІІНЯ

термометрів, у яких використано різні термометричні тіла,

як правило, трохи відрізняються один від одного. Щоб досягти
більшої точності, вводять також ряд інших сталих температур-

них точок, наприклад температури затверднення різних чистих
речовин (олова, свинцю, золота, міді). Але точне визначення температури
не повинно залежати від речовини, яка заповнює термометр. З цією ме-

юю вводять термодинамічну шкалу температур.

§ 46. Газові закони

Ізотермічний процес. Закон Бойля - Маріотта

Усяку зміну стану тіча називають термодинамічним процесом.

У будь-якому термодинамічному процесі

змінюються параметри,

які

визначають стан тіла.

Немає жодного процесу, під час якого змінювався б тільки один пара-

метр. Зміна одного параметра веде до зміни решти.

Процес, в якому один

І параметрів сталий, а два інші змінюються, називають ізопроцесом.