Молекулалық-кинетикалық теория негіздері физикадан

Молекулалық-кинетикалық теория нег i здер i

Сабақ тақырыбы : Молекулалық - кинетикалық теорияның нег i зг i ұғымдары

Мақсаты: Білімділік: а) Молекулалық - кинетикалық теория туралы түсінік беру

ә) д) Молекулалық-кинетикалық теория мысалдар арқылы түсіндіру.

Дамытушылық: Тәжірібесі арқылы оқушылардың ғылыми көзқарасын қалыптастыру .

Тәрбиелік: Тәжірибелер мен мысалдар негізінде пәнге қызығушылыққа тәрбиелеу.

Сабақтың әдісі: Сын тұрғысынан ойлау бағдарламасының стратегияларының элементтерін пайдалану.

Сабақтың түрі: Жаңа сабақты меңгерту сабағы.

Сабақтың көрнекіліктері: Интерактивті тақта, слайд, плакат

Сабақтың құрылымы:

Сабақты ұйымдастыру кезеңі.

Үй тапсырмасын сұрау.

Жаңа сабақты түсіндіру.

Бекіту.

Қорытынды .

Білімдерін бағалау.

Үйге тапсырма.

ЖОСПАР :

Молекулалық-кинетикалық теорияның негiзгi ұғымдары

Молекуллар массасы мен өлшемi. Салыстырмалы молярлық және молекулалық масса. Авогадро саны

Молекулалар арасындағы өзара әсерлесу күштерi. Сұйық, газ тәрiздес және қатты денелердiң құрылымы

молекулалық-кинетикалық теориясының негiзгi теңдеуi

Газдың

Газдың макропараметрлерi. Tемпература және оны өлшеу

Температура - идеал газ молекуласының орташа кинетикалық энергиясының өлшемi

Газ молекуласының жылдамдығы. Штерн тәжiрибесi

Больцман тұрақтысы. Клайперон-Менделеевтiң күй теңдеуi

Газдағы изопроцесстер және олардың графиктерi

§ 1. 1 Молекулалық-кинетикалық теорияның негiзгi ұғымдары

Дене құрылымының молекулалық кинетикалық теориясы деп барлық денелер жеке бейберекет қозғалыстағы бөлшектерден тұрады деген көзқарас негiзiнде макроскоптық денелердiң қасиеттерi мен жылу процестерiне түсiнiк беретiн iлiмдi айтады.

Молекулалық-кинетикалық теория (МКТ) негiзi мынадай үш қасиеттен тұрады:

барлық денелер бөлшектерден – атомдардан, молекулалардан, оң және терiс зарядталған иондардан – тұрады;

бұл бөлшектер барлық уақытта үздiксiз және бейберекет қозғалыста болады;

бөлшектер арасында өзара әсерлесу күштерi – тартылу және тебiлу күштерi бар. Ол күштер электрлiк сипатқа ие. Бөлшектердiң өзара гравитациялық әсерлесуi өте аз.

Бұл тұжырымдардың ақиқаттылығы көптеген физикалық бақылаулар мен тәжiрибелер жүргiзу арқылы дәлелденген. МКТ-ның негiзгi көзқарастарына ең нақты дәлел бола алатын мысалдар:

броундық қозғалыс құбылысы (Броун);

молекулалық диффузия құбылысы;

қазiргi заманғы приборлар көмегiмен алынған жеке атомдар мен молекулалар кескiнi. 1-шi суретте вольфрам инесiнiң ұшында атомдардың орналасуы (ақ дақтар), ал 2-шi суретте кремний пластинасы бетiнiң микрофотографиясы келтiрiлген, мұндағы дөңдер – кремнийдiң жеке атомдары.

1.1-сурет

1. 2 -сурет

§ 1.2 Молекуллар массасы мен өлшемi. Салыстырмалы молярлық және молекулалық масса. Авогадро саны.

Әртүрлi денелер молекуласының масса бiрлiгi ретiнде 12 С көмiртегi изотобы атомының m oc массасының 1/12 бөлiгi алынады. Ол атомдық масса бiрлiгi (а.м.б.) деп аталады және мынаған тең:

1 а.м.б. =1,66·10 -27 кг . (1.1)

Заттың салыстырмалы молекулалық массасы М R деп заттың бiр молекула m 0 массасының көмiртегi атомы m oc массасының 1/12 бөлiгiне қатынасын айтады:

Зат мөлшерi деп берiлген жүйенiң бөлшектерiнiң, құрылымдық элементерiнiң, санына пропорционал ν шаманы айтады. Оны моль арқылы жазу қабылданған. Массасы 0,012 кг 12 С көмiртегiнде қанша атом болса, сонша молекуладан (атомнан) тұратын зат мөлшерi бiр моль деп аталады. Бұл сан Авогадро тұрақтысы деп аталады және N A арқылы белгiленедi:

N A ≈ 6·10 23 моль -1 . (1.3)

Сәйкесiнше, кез келген заттың 1 молiнде атомдар саны мен молекулалар саны бiрдей болады. Егер денедегi зат мөлшерi ν мольден тұрса, онда денедегi молекулалар N саны мынаған тең:

N = ν · N A . (1.4)

Заттың молярлық массасы М деп бiр моль мөлшерiнде алынған зат массасын айтады. Ол бiр молекула массасының m 0 Авогадро санына N A көбейтiндiсiне тең:

М = m 0 · N A кг/моль . (1.5)

Молярлық және молекулалық массалар арасында мынадай қарапайым байланыс бар:

М = 10 -3 ·М r кг/моль . (1.6)

Кез келген зат мөлшерiнiң m массасы бiр молекуланың массасын денедегi молекулалар санына көбейткенге тең:

m = m 0 · N кг . (1.7)

(1.5) және (1.7) формулаларын пайдаланып (1.4) өрнегiнен мынаны алу қиын емес:

ν = m / М және N = ν·N A =

N A A ·m / M . (1.8)

Бөлшектердiң массасымен өлшемдерiн қосымша тәжiрибелiк деректердi пайдалана отырып есептеуге болады. Жеке жағдайда, молекулалардың сызықты өлшемдер i н бағалауға болады.

Молекуланың өлшемiн былайша анықтауға болады. Бiр молекуланың алатын V 0 көлемi зат V көлемiнiң, ондағы молекулалар N санына қатынасына тең:

, мұнда ρ=m/V – заттың тығыздығы. Молекуланың формасы радиусы r шар тәрiздес болсын. Сондықтан . Осыдан:

Мысалы, су молекуласының радиусы мына шамаға тең:

§ 1.3 Молекулалар арасындағы өзара әсерлесу күштер i. Сұйық, газ тәр i здес және қатты денелерд i ң құрылымы

Молекулалар қозғалыс кез i нде б i р-б i р i мен өзара тартылыс және теб i л i с әсер i нде болады. 1.3 суретте молекулалық өзара әсерлесу күштер i н i ң таралуы молекулалар арасындығы r арақашықтықтан тәуелд i л i г i келт i р i лген. Тартылу және теб i лу күштер i r - дан тәуелд i л i г i әртүрл i, сондықтан олардың қорытқы күш i нөлден өзгеше. Белг i л i б i р r = r 0 арақашықтықта теб i лу күш i арасында тепе-теңд i к орнайды. Молекулалардың диаметр i мен салыстырылатын бұл арақашықтық тепе-теңд i к жағдайына сәйкес келед i. r < r 0 болғанда теб i лу күш i тартылу күш i нен басым болады. Сондықтан молекулалар б i р-б i р i не ене алмайды. Олардың арасындағы арақашықтық r > r 0 өскен сайын, молекулалардың тартылуы теб i лу i н жеңе баст a йды. Олардың ыршып кету i не жол бермейд i. r >> r 0 кез i нде, молекуларалық күштерд i ң әсер i болмайды.

1.4 суретте молекулалардың E p потенциалдық энергиясының r арақашықтықтан тәуелдiлiгi көрсетiлген. Орнықты тепе-теңдiк ( r=r 0 ) жағдайында өзара әсерлесетiн екi молекуладан тұратын жүйенiң потенциалдық энергиясы E p0 минимумына жетедi. E p0 шамасын потенциалдық шұңқырдың тереңдiгi деп аталады. E k -ны E p0 -мен салыстыру заттың үш агрегаттық күйлерiн ажыратуға мүмкiндiк бередi: газ, сұйық, қатты күйi. Атап айтқанда: егер E k >> E p0 , онда зат газ күйiнде, E k < E p0 кезiнде – қатты дене , ал E k ≈ E p0 – зат сұйық күйiнде болады. 1.4-сурет

1.4-сурет

§ 1.4 Газдың молекулалық-кинетикалық теориясының нег i зг i теңдеу i

Идеал газ деп молекулалардың өзара әсерлесуi ескерусiз аз шама болғанда айтады. Молекулалардың өзара әсерлесуi олардың соқтығысуы кезiнде серпiмдi ұрылуы түрiнде байқалады.

Газ молекулалары барлық уақытта ретсiз жылулық қозғалыста болады, оның мөлшерлiк сипаттамасын молекуланың сызықты жылдамдығының орташа квадраты, дәлiрек айтқанда, кинетикалық энергиясының орта мәнi бередi. Жеке молекулалардың жылдамдықтары бiр-бiрiнен өзгеше болуы мүмкiн, бiрақ бұл жылдамдықтардың модулiнiң орташа мәнi белгiлi бiршама. Жеке молекулалардың жылдамдықтарын v 1 , v 2 , v 3 , . . . , v N арқылы белгiлеймiз. Сонда, жылдамдықтардың квадратының орташа мәнi келесi формуламен анықталады:

мұнда, N – газдағы молекулалардың жалпы саны. Екiншi жағынан . Қозғалыстың бейберекеттiгi әсерiнен молекулалардың барлық бағыттарда орынауыстыруы тең мүмкiндiкте. Сондықтан, жылдамдықтың проекциясының квадраттарының орташа мәндерi өзара тең: . Бұны ескере отырып, алатынымыз

Ендi идеал газдың ыдыс қабырғасына әсер ететiн күшiн табайық. Қоршаған ортаның қандайда бiр бетке әсерiнiң физикалық сипаттамасы – күш емес қысым болып есептеледi. Қысым деп бiрлiк ауданға нормаль бойымен әсер ететiн күштi айтады. Қысым p әрпiмен белгiленiп, анықтамасы бойынша мынаған тең: p=F n /S , мұнда S – бет элементiнiң ауданы, ал F n – бет элементiне перпендикуляр әсер ететiн күш шамасы (1.5 - сурет).

Идеал газ жағдайында F n нормаль күштiң шамасы келесi өрнекпен анықталады:

мұнда, n – газ молекуласының концентрациясы (бiрлiк көлемдегi молекулалар саны: n=N/V ), m 0 - молекула массасы.

Бұл қатынастың қорытындысы .

Газдың барлық молекулаларда v x жылдамдық мәнi бiрдей бола бермейдi, олай болса қабырғаға әсер ететiн күштiң уақыт бойынша орта мәнi v 2 x -қа емес, жылдамдықтарының орташа квадратына пропорционал: . (1.10)-шi формуланы ескере отырып, алаты - нымыз: Анықтамасы бойынша p = F n /S . Бұдан шығаты - ны

Егер арқылы молекуланың iлгерлемелi қозғалысының орташа кинетикалық энергиясын белгiлесек: , онда (1.12) тең - деуiн басқаша түрде жазуға болады

(1.12) немесе (1.13) қатынастар газдардың молекулалық-кинетикалық теориясының негiзгi теңдеулерi болып табылады. Олар, тiкелей өлшенетiн, макроскоптық шама – қысымды қозғалыстағы молекулаларды сипаттайтын микропараметрлармен байланыстырады.

§ 1.5 Газдың макропараметрлерi. Tемпература және оны өлшеу

Денен i ң молекулалық-кинетикалық құрылымы ескер i лмегенде макроскоптық дене күй i н сипаттайтын шамаларды макроскоптық параметрлер деп атайды.

Бұндай шамалар қатарына көлем V , қысым P , температура T және басқалар. Көлем мен қысым механикалық сипатталатын шамалар. Температура денен i ң қызу дәрежес i н беред i, оның i шк i энергетикалық күй i н анықтайды.

Егер қандайда б i р оқшауланған жүйен i құрайтын денелер температурасы бастапқы уақытта әртүрл i болса, онда уақыттың келес i мезеттер i нде олар б i рт i ндеп теңесе бастайды да ақырында б i рдей болады, денелер арасында жылулық…