Текст книги "Молекулярная физика и теплота"

Вера Максимова
Молекулярная физика и теплота

Молекулярная физика

Развитие представлений о строении тел

Из чего состоят окружающие нас предметы, всегда волновал передовые умы человечества. Свои представления из чего состоят предметы, имелись в Древнем Китае, Древней Индии и других центрах мировой цивилизации. Но особенно больших успехов достигли философы Древней Греции. Венцом учения о строении предметов – вещества, являются воззрения Демокрита (ок.460 г. до н. э. – ок. 370 г. до н. э.) рисунок 1. Он считал, что все, что нас окружает, состоит из атомов, а между ними находится пустота. Каждый предмет состоит из атомов своего сорта или вида. Атом в переводе с греческого языка означает неделимый. После античного расцвета науки и культуры наступает почти полуторатысячелетний застой. Только в эпоху Возрождения наука получает мощный толчок в лице таких гигантов мысли, как Леонардо да Винчи (1452–1619 г.) рисунок 2, Николая Коперника (1473–1543 г.) рисунок 3, Галилео Галилей (1564–1642 г.), Джордано Бруно (1548–1600 г.) рисунок 4, Николая Кузанского (1401–1464 г.), Тихо Браге (1546–1601 г.) и многих других. Но не все было так просто, главное безопасно в то время. Тихо Браге, датский астроном, экспериментально установив орбиты ряда планет, фактически пришел к выводу о гелиоцентрической системе, то есть планеты вращаются вокруг Солнца. Этот вывод противоречил принятой христианской церковью догме о геоцентрической системе устройства мира. Геоцентрическую систему разработал древнегреческий ученый Птолемей (100–160 г.). Суть, которой в том, что Земля является центром мироздания и все вращается вокруг нее, в том числе Солнце и другие звезды. Свой вывод Тихо Браге не мог опубликовать при жизни. Только после его смерти астрономические расчеты стали достоянием научной общественности. Польский астроном Николай Коперник уточнил, дополнил расчеты Тихо Браге и разработал геоцентрическую систему в соответствии с которой Планеты, в том числе и Земля, вращаются вокруг Солнца. За это католическая церковь в лице святой инквизиции осудила выводы ученого и его труды были запрещены к распространению за подрыв к христианкой вере. «Святой» инквизиции совсем не надо были какие-то доводы ученых толи логические, толи экспериментальные. Если выводы ученых противоречили постулатам церкви, то это объявлялось ересью, а носитель ереси должен быть наказан, зачастую сожжением на костре на городской площади. Чтобы иные умники не порочили церковные устои. Ересь – это все то, что противоречит положениям католической церкви.

Рисунок 1. Демокрит (ок.460 г. до н. э. – ок. 370 г. до н. э.)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b9/Democritus2.jpg

Рисунок 2. Леонардо да Винчи (1452–1619 г.),

Рисунок 3. Николай Коперник (1473–1543 г.)

Галилео Галилей доказал, что планета Земля вращается вокруг своей оси при движении по орбите вокруг Солнца. Смена дня и ночи на Земле обусловлена вращением ее вокруг своей оси. Это тоже противоречило догматам церкви. За это инквизиция приговорила Галилея к пожизненному заточению в тюрьме.

Джордано Бруно, странствующий итальянский монах-ученый доказывал, что во Вселенной существуют системы подобные Солнечной. Что там есть планеты, на которых возможна тоже жизнь. Эта теория множества миров противоречила церковному учению, что жизнь Всевышний создал только на Земле. Джордано Бруно был приговорен инквизицией к сожжению за распространение ереси.

Леонарда де Винчи тайком от церкви препарировал человеческие труппы, чтобы изучить анатомию.

Только к 18 веку наука вышла из под контроля церкви. Наука получила новый импульс к развитию. Ученые вспомнили, и стали открыто говорить и развивать атомистические воззрения Демокрита о структуре окружающих предметов. В 19 – 20 веках под напором неопровержимых доказательств католическая церковь частично сняла обвинения с ряда ученых, но не осудила внеправовые действия инквизиции.

Основные положения молекулярно-кинетической теории вещества, в основном, газов были сформулированы великим русским ученым М.В.

Рисунок 4. Джордано Бруно (1548–1600 г.). Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52557

Великим русским ученым Ломоносовым (1711–1765 г.) рисунок 5, впервые сформулированы основы молекулярно-кинетической теории. В современной форме основы молекулярно-кинетической теории (МКТ) формулируются так.

1. Все вещества состоят из частиц (молекул, атомов), разделенных промежутками.

Доказательства:

– фотографии атомов и молекул, сделанные с помощью электронного микроскопа;

– возможность механического дробления вещества, растворение вещества в воде, диффузия, сжатие и расширение газов.

2. Частицы всех веществ беспорядочно и хаотично движутся.

Доказательства:

– диффузия – явление взаимного проникновения частиц одного вещества между частицами другого вещества вследствие их теплового движения.

– броуновское движение мелких, инородных, взвешенных в жидкости частиц под действием не скомпенсированных ударов молекул.

3. Частицы всех веществ взаимодействуют между собой: одновременно действуют взаимного притяжения и отталкивания (природа сил носит электромагнитный характер).

Рисунок 5. Ломоносов М.В.1711–1765 г. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/23/Mikhail_Lomonosov_%281757%29.jpg/548px-Mikhail_Lomonosov_%281757%29.jpg

Доказательства:

– сохранение формы твердыми телами, для их разрыва необходимо усилие;

– жидкие и твердые тела трудно сжимаемы;

– капли жидкости, помещенные в непосредственной близости друг от друга, сливаются;

– явления смачивания и несмачивания.

Одно из первых доказательств существования молекул было открытие Броуновского движения. Английский ученый Роберт Броун (1778–1819 г.) проделал такой опыт. Рассматривая каплю молока под микроскопом он заметил, что капельки жира в молоке постоянно беспорядочно движутся. Из этого Броун сделал вывод, что молекулы молока при своем хаотичном беспрерывном движении соударяются с капельками жира. Поэтому капельки жира испытывают силовое воздействие со всех сторон и результирующая сила в данный момент толкает молекулу жира в соответствующую сторону. В другой момент конфигурация сил изменяется и движение происходит в другом направлении.

Если в стакан с водой насыпать несколько древесных опилок, то мы заметим, что они начинают хаотическое движение на поверхности воды. Объясняется это тоже соударением молекул воды об опилки.

Такое хаотическое движение мелких предметов на поверхности жидкости называется Броуновским движением. С повышением температуры жидкости интенсивность хаотического движения возрастает.

Существование Броуновского движения пусть косвенно, но подтвердило существование молекул и что они находятся в непрерывном тепловом движении.

Все вещества подразделяются на простые состоящие из атомов и сложные состоящие из молекул.

Масса и размеры молекул

Массы молекул и атомов очень малы. Например, масса одной молекулы водорода равна примерно 3,34×10^-27 кг, кислорода – 5,32×10^-26кг. Масса одного атома углерода m_0C=1,995×10^-26 кг.

Молекулярная физика – раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе их молекулярного строения.

Все окружающие нас тела могут существовать в нескольких агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и в состоянии плазмы. Плазменное состояние вещества мы рассмотрим при изучении электрических явлений (Физика для начинающих. III часть. Электричество и магнетизм). Агрегатное состояние вещества (кроме плазмы) определяется мерой взаимодействия между его молекулами или атомами.

В твердом теле кристаллическом или аморфном молекулы или атомы занимают определенные положения. Около этих положений происходит их колебания. Чем выше температура вещества, тем больше амплитуда и частота колебания молекул или атомов. При некоторой температуре амплитуда колебаний молекул (атомов) становится критической то есть расстояния возрастают и взаимодействия между ними настолько уменьшаются, что получается жидкое состояние.

Колебательное движение молекул (атомов) в теле составляют кинетическую энергию, а взаимодействие между ними – потенциальную. В сумме кинетическая и потенциальная энергии всех молекул тела составляют внутреннюю энергию тела.

При повышении температуры твердого тела (имеется подвод тепла к телу) возрастает интенсивность или скорость колебаний молекул (атомов), поэтому внутренняя энергия тела увеличивается. Для газообразного состояния тела возрастает скорость и длина свободного пробега молекул или атомов. Длиной свободного пробега называется расстояние проходимое молекулой между столкновениями с другими молекулами.

Пусть некоторый газ находится в замкнутом сосуде. Молекулы (атомы) газа находясь в непрерывном движении, могут сталкиваться со стенками сосуда. Чем большая масса газа заключена в сосуд, тем больше молекул (атомов) сталкиваются со стенками сосуда. С повышением температуры газа скорость их возрастает и соответственно импульс передающийся стенке при столкновении увеличивается. Столкновения молекул (атомов) со стенками сосуда образуют давление.

Термодинамика

Термодинамика – это раздел физики, изучающий тепловые свойства тел или систем тел, передачу и распространения тепла. В данном случае мы рассмотрим термодинамику газа.

Система тел в этом случае называется термодинамической.

В термодинамике газа объектом исследования является идеальный газ. Идеальный газ – это модель газа, в котором молекулы находятся на расстоянии, при котором взаимодействие между ними отсутствует или пренебрежимо мало. Взаимодействие между молекулами происходит только при соударении.

Одними из основных характеристик термодинамики являются масса, давление (обозначается Р), объем (обозначается V), температура (обозначается T). Температура может быть выражена в шкале градусов Цельсии, предложенная шведским ученым Андерсом Цельсия (1701–1744 г). В этой шкале за ноль градусов принята температура таяния льда или замерзания воды. А за 100 градусов выбрана температура кипения воды. Интервал 0-100 градусов разделен равномерно на сто частей, одна сотая этого интервала принята за 1 градус Цельсии или в другой равноценной форме записи – 1 °C. Температурная шкала распространяется от ста градусов и более. Температура меньше нуля градусов имеет знак минус.

Развитие физике показало, что существует минимальная отрицательная температура ниже которой не может существовать вещество. Эта температура оказалась равной минус 273 °C или в другой записи (-273 °C) Английский физик Томсон (1856–1940 г.) предложил эту температуру принять за ноль градусов абсолютной шкалы. Абсолютная температурная шкала называется шкалой Кельвина и обозначается – К. Для перехода температуры по шкале Цельсия в Кельвины надо к численному значению температуры Цельсия прибавить 273. При переводе температуры от шкалы Кельвина к шкале Цельсия надо от численного значения температуры Кельвина вычесть 273. Необходимо отметить, что один градус Цельсия равен одному градусу Кельвина.

Газовые законы

Газовые законы справедливы для идеального газа.

Закон Бойля Мариотта

Этот закон был вначале открыт англичанином Бойлем (1627–1691 г. рисунок 6) в 1679 г., а затем независимо от него французом Мариоттом (1620–1684 г. рисунок 7). Суть его в том, что для идеального газа при изотермических условиях, то есть при постоянной температуре существует однозначное обратно пропорциональное соответствие между его давлением и объемом. То есть если давление газа увеличилось в два раза, то его объем уменьшился тоже в два раза. На рисунке 8 представлена две изотермы (линия характеризующая постоянную температуру при изменении давления и объема) соответствующие двум разным температурам. Изотерма характеризует зависимость между давлением и объемом в законе Бойля-Мариотта координатах P-V (давление – объем). Пусть из начального состояния газа характеризующегося параметрами P₀, V₀, T₀, положение 1 на графике рисунка 8 .газ изотермически переходит в состояние с параметрами P₁, V₁, T₀. При этом переходе давление падает от P₀ до значения P₁, а объем увеличивается от V₀ до V₁. Причем во сколько раз уменьшилось давление, во столько раз увеличился объем газа.

Рисунок 6. Роберт Бойль, 1627–1691 г. https://yandex.ru/images/search?rpt=simage&noreask=1&source=qa&text=Роберт+Бойль&stype=image&lr=11464&parent-reqid=1633432213738964-13612276082424179071-vla1-3501-vla-l7-balancer-8080-BAL-9063

Проведем эксперимент (рисунок 9). Пусть под поршнем находится газ некоторого объема V₀. Поршень может свободно перемещаться без трения в цилиндре. На поршне находится груз с некоторой силой тяжести Р₀. В начальный момент давление газа (P_Г0) уравновешивается силой тяжести груза на поршне, то есть Р₀.= P_Г0. Температура газа – Т₀.

Рисунок 7. Эдмон Мариотт (1620–1684 г.). https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/Edme_Mariotte.png

Для поддержания постоянной температуры газа сделаем теплоизоляцию, достаточную, чтобы температура газа не изменялась. То есть процесс будет изотермический. Заменим груз меньшей силой тяжести Р₁. Тогда газ увеличит свой объем (V₁) и поднимет груз на некоторую высоту h. Газ будет расширятся до тех пор пока давление газа P_Г1 не станет равным силе тяжести груза на поршне Р₁. Для поднятия груза необходимо приложить силу равную силе тяжести груза. Если есть сила, которая приводит к перемещению тела, значит, она совершает работу. Таким образом, при изотермическом процессе газ может совершать работу. Существенным замечанием является то, что процесс должен быть изотермическим. А для этого надо достаточно медленно изменять объем газа, чтобы его температура не изменилась.

По-видимому, каждый накачивал ручным насосом камеру велосипеда или футбольного мяча. Если вы быстро будете двигать возвратно – поступательно поршень насоса, то заметите, как его корпус будет разогреваться, А разогревается он от того, что при быстром сжатии воздуха происходит повышение его температуры. То есть мы получим не изотермический процесс и закон Бойля – Мариотта не будет выполняться. А именно, между давлением и объемом уже не будет обратно пропорциональной зависимости. Она будет носить более сложный характер.

Рисунок 8. Изотермический процесс.

Рисунок 9.

Закон Гей-Люсака

При изобарических условиях, то есть при постоянном давлении идеального газа между температурой и объемом газа наблюдается прямо пропорциональная зависимость. Это означает, во сколько раз изменилась температура газа, во столько раз изменяется его объем. На рисунке 10 представлен графически изобарический процесс в координатах V – Т (объем – температура). Начальное состояние газа 1 задано параметрами P₀, V₀, T₀. Изобарически перейдем в состояние 2 с параметрами P₀, V₁, T₁. При этом объем газа увеличился и во столько же раз увеличилась температура. Этот закон был открыт французским ученым Гей-Люсаком (1778–1850 г), рисунок 11.

Рисунок 10. Изобарический процесс

Рисунок 11. Гей-Люсак (1778–1850 г.). https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2f/Gaylussac.jpg/500px-Gaylussac.jpg

Проведем эксперимент. Пусть под поршнем находится газ некоторого объема V₀ (рисунок 12). Поршень может свободно перемещаться без трения в цилиндре. На поршне находится груз с некоторой силой тяжести P₀. В начальный момент давление газа уравновешивается силой тяжести груза находящегося на поршне: P₀ = P_Г0. Пусть первоначальная высота цилиндра будет h₀ (читается ашнулевое). Будем подводить тепло к газу. Газ будет нагреваться от начальной температуры Т₀ до Т₁. Так как груз на поршне один и тот же, то давление под поршнем будет постоянным P_Г0. То есть процесс будет изобарический. Газ начнет нагреваться и это приведет к увеличению его объема (V₁). Увеличение объема газа приводит к тому, что будет возрастать высота цилиндра с газом и станет h₁. Как мы уже знаем из механики для того что переместить тело с одной высоты на большую необходимо приложить силу равную силе тяжести перемещаемого тела (имеется ввиду, что перемещение происходит равномерно). А если есть сила и перемещение – значит, сила выполняет работу. Это означает, что газ совершает работу.

Рисунок 12.

Закон Шарля

Для идеального газа при изохорическом процессе, то есть при постоянном объеме между давлением и температурой существует прямо пропорциональная зависимость. Закон сформулирован французским ученым Шарлем (1746–1825 г) в 1787 г.

Рисунок 13.Шарль (1746–1825 г.). https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/98/Jacques_Alexandre_César_Charles.jpg/548px-Jacques_Alexandre_César_Charles.jpg

Рисунок 14. Изохорический процесс.

Повторим предыдущий эксперимент, но поршень застопорим так, чтобы он не смог перемещаться. То есть объем газа не будет изменяться. Подводимое тепло приведет к повышению температуры газа и его давления при постоянном объеме. Если нет изменения объема или как в нашем эксперименте высоты, то газ работы не совершает. Поэтому при изохорическом процессе газ работы не совершает. На рисунке в координатах Р-Т графически изображен изохорический процесс.

Из исходного состояния 0 (график 14 на рисунке) с параметрами P₀, V₀, T₀ газ изохорически переходит в состояние 1 с параметрами P₁, V₀, T_1.Во сколько раз увеличилось давление, во столько раз возросла температура.

Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики есть закон сохранения энергии для замкнутых систем.

Количество теплоты (энергии) передаваемое системе расходуется на совершение работы против внешних сил и на увеличение внутренней энергии системы.

Из этой формулировки первого начала термодинамики следует, что совершаемая работа против внешних сил (или полезная работа) не может быть больше подводимой к системе энергии. Для реальных механизмов существуют силы трения и рассеяние теплоты в пространство, как бы мы не теплоизолировали систему. Часть подводимой к системе энергии или теплоты расходуется на работу сил трения, что приводит к разогреву конструкции механизмов. Это есть безвозвратно используемая энергия. То есть эта часть подводимой энергии расходуется не на совершение полезной работы, а впустую. В этой связи энергия, затраченная на совершение полезной работы всегда меньше подводимой энергии.

Из первого начала термодинамики следует, что не может работать «вечный двигатель» (по латыни – перпетуум мобиле), так как всегда часть подводимой энергии тратится на работу сил трения.

Вечный двигатель – это такая машина, которая, будучи однажды запущена в ход, способна работать неопределенно долго и совершать полезную работу, не потребляя энергии извне. Как уже было сказано, что в реальных машинах (конструкциях) всегда есть силы трения между соединяющимися деталями и на совершение ими работы будет затрачиваться часть энергии. Поэтому реальная машина или механизм все равно остановится. На рисунке 15 изображена схема предполагаемого вечного двигателя. Автор решил использовать для выработки энергии закон Архимеда. Закон состоит в том, что тела, плотность которых меньше плотности воды, стремятся всплыть на поверхность. Поэтому автор расположил на цепи полые баки и правую половину поместил под воду. Он полагал, что вода будет их выталкивать на поверхность, а цепь с колёсами, таким образом, бесконечно вращаться.

Здесь не учтено следующее: выталкивающая сила – это разница между давлениями воды, действующими на нижнюю и верхнюю части погруженного в воду предмета. Об этом мы говорили в I части «Механика».

Рисунок… 15. Проект конструкции «вечного двигателя». https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1e/Perpetuum2.png

В конструкции, приведённой на рисунке, эта разница будет стремиться вытолкнуть те баки, которые находятся под водой в правой части рисунка. Но на самый нижний бак, который затыкает собой отверстие, будет действовать лишь сила давления на его правую поверхность. И она будет уравновешивать или превосходить силу, действующую на остальные баки.

Второе начало термодинамики

При быстром возвратно – поступательно движении поршня насоса (при накачивании, например, велосипедной камеры) тепло образуемое при сжатии газа не успевает уйти в окружающее пространство. Это приводит к повышению температуры сжатого воздуха в цилиндре насоса. Такой процесс, когда образуемое при сжатии газа тепло не успевает уйти в окружающее пространство, называется адиабатический.

Уход тепла в окружающее пространство или разогрев его называется теплообменом. Тепло может переходить от более нагретого тела к менее нагретому. Процесс передачи тепла идет до тех пор, пока температуры этих тел не станут одинаковыми. В этом состоит суть второго начала термодинамики