Методические рекомендации по решению задач по физике

Методические рекомендации по решению задач
Молекулярная физика. Тепловые явления.





Содержание:

1. Как надо решать задачи по физике...2
2.Основы молекулярно-кинетической энергии...3
3.Температура. Энергия теплового движения молекул..7
4.Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы...10
5.Взаимные превращения жидкостей и газов16
6.Твёрдые тела...20
7.Основы термодинамики....23

































1.Как надо решать задачи по физике.
Чтобы правильно и осмысленно решать задачи по физике, необходимо следовать алгоритму:
Алгоритм «Решение задач по физике»
Внимательно прочитайте условие задачи.
Установите о каком (их) физических явлениях идёт речь в задаче.
Вспомните основные количественные и качественные закономерности, объясняющие это(и) явление.
Определите, что требуется найти в задаче.
Установите, какие физические величины даны в задаче. Не забудьте о табличных величинах.
Примечание: Иногда использование табличных величин зашифровано текстовой информацией:
-определить массу молекулы азота
-найти кол-ва вещества в массе алюминия
Переведите, если этого необходимо, физические величины в систему СИ (стандартные единицы измерения)
Определите какую(ие) количественную(ые) зависимость(и) надо использовать в решение. Для этого лучше всего определить количественные зависимости, куда входит искомая физическая величина, а также данные физических величин по условию задачи.
Использовать преобразования в физических формулах, получите окончательную расчётную формулу.
Примечание: при проверке правильности полученной формулы используйте размерность физической величины.
Например: Если мы должны найти силу F, то в результате сокращения размерности должны получить H(Ньютон), если получить, что-то другое, значит, формула получена не верно.
Выполните вычисления по полученной формуле.
Запишите ответ задачи.
Примечание: Иногда, для успешного решения задачи требуется выполнить чертёж. Помните о том, что правильно выполнит чертёж, помогает в решение задач, это 50% вашего успеха.

2. Основы молекулярно-кинетической энергии.
2.1 Основные понятия и закономерности.
В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат три утверждения: вещество состоит из частиц; эти частицы беспорядочно движутся; частицы взаимодействуют друг с другом.
Относительно молекулярной (или атомной) массой вещества Мr называют отношение массы молекулы(или атома) m13 EMBED Equation.3 1415данного вещества к 13 EMBED Equation.3 1415массы атома углерода m13 EMBED Equation.3 1415:
Мr=13 EMBED Equation.3 1415
В Международной системе единиц количество вещества выражают в молях. Один моль- это количество вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов, сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг.
Значит, в 1 моле любого вещества содержится одно и то же число атомов или молекул. Это число атомов обозначают N13 EMBED Equation.3 1415 и называют постоянной Авогадро в честь итальянского учёного (ХIХ в.)
Броуновское движение-это тепловое движение взвешенных в жидкости (или газе) частиц.
Идеальный газ – это газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало.
p13 EMBED Equation.3 1415

Это основное уравнение молекулярно-кинетической теории.
p13 EMBED Equation.3 1415 p13 EMBED Equation.3 1415
2.2. Решение задач
зад.№1 Какое количество вещества содержится в алюминиевой отливке массой 5,4 кг?

13 EMBED Equation.3 1415 -?
m (Al)=5,4 кг. 13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415моль
13 EMBED Equation.3 1415(Al)=2713 EMBED Equation.3 1415
ответ:200 моль.


Зад.№2 Какой объем занимает 100 моль ртути?


V-?
13 EMBED Equation.3 1415(Hg)=100 моль V=13 EMBED Equation.3 1415 V=13 EMBED Equation.3 1415=
13 EMBED Equation.3 1415(Hg)=13.613 EMBED Equation.3 14151013 EMBED Equation.3 1415Подставим m=13 EMBED Equation.3 1415 =1,5 *1013 EMBED Equation.3 1415м13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415(Hg)=20113 EMBED Equation.3 1415в фор-лу(1) V=13 EMBED Equation.3 1415
ответ;1,5*1013 EMBED Equation.3 1415или 1,5 л.


Зад.№3 Чему равно число молекул в 10 г. кислорода?
N-? СИ 13 EMBED Equation.3 1415(1)
m (O13 EMBED Equation.3 1415)=10 г. 0,01кг. 13 EMBED Equation.3 1415(2) =>13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415 (O13 EMBED Equation.3 1415) =32*1013 EMBED Equation.3 1415 выразим N; 13 EMBED Equation.3 1415
Na=6.02*1013 EMBED Equation.3 1415моль13 EMBED Equation.3 1415 N=13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 14151,88*1013 EMBED Equation.3 1415
Ответ: 13 EMBED Equation.3 14151,88*1013 EMBED Equation.3 1415
Зад.№4 На изделие, поверхность которого 50 см13 EMBED Equation.3 1415, нанесен слой меди толщиной 2 мкм. Сколько атомов меди содержится в покрытии?

N-? СИ
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415 N= , но масса цинка не изве-
S=50 cм13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415 стна. Найдём массу цинка через
13 EMBED Equation.3 1415 объём и плотность.13 EMBED Equation.3 1415,
Na=6.02*1013 EMBED Equation.3 1415моль13 EMBED Equation.3 1415 объём найдём, зная площадь по-
13 EMBED Equation.3 1415 верхности и толщину слоя
V=Sh=>m=Sh13 EMBED Equation.3 1415
Подставим в начальную формулу
N=13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415 Ответ: 13 EMBED Equation.3 1415

Зад.№5 Определите сколько молекул воды в объёме 2л.

N-?
V=2л. 2*1013 EMBED Equation.3 1415N=13 EMBED Equation.3 1415, масса воды неизвестна.
Na=6.02*1013 EMBED Equation.3 1415 Найдём массу воды через объём и
13 EMBED Equation.3 1415 плотность. m=13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415 N=13 EMBED Equation.3 1415
Ответ:13 EMBED Equation.3 1415
Зад.№6 Находившаяся в стакане воде массой 0,5 кг. полностью испарилась за 30 суток. Сколько в среднем молекул воды вылетало с её поверхности за 1с ?

N-?
m(H13 EMBED Equation.3 1415)=0.5 кг. N13 EMBED Equation.3 1415=13 EMBED Equation.3 1415 Чтобы найти число молекул,
t=30 суток испаряющихся за 1сек. N13 EMBED Equation.3 1415, необходимо всё
t13 EMBED Equation.3 1415=1с число молекул разделить на время, за которое
13 EMBED Equation.3 1415=18*1013 EMBED Equation.3 1415. они испарились.
Na=6.02*1013 EMBED Equation.3 1415 N=13 EMBED Equation.3 1415 Найти время в секундах. В сутках
24 часа, в каждом часе 3600с.
=30*24*3600=2,592*1013 EMBED Equation.3 1415с.
Подставим(2)13 EMBED Equation.3 1415(1) и учтем время в секундах.

N13 EMBED Equation.3 1415
Ответ:13 EMBED Equation.3 1415
Зад.№7 В озеро, имеющее среднюю глубину 10м и площадь поверхности 20 км13 EMBED Equation.3 1415, бросили кристаллик поваренной соли массой 0,01г. Сколько молекул этой соли оказалось бы в наперстке воды объемом 2 см13 EMBED Equation.3 1415, зачерпнутой из озера, если полагать, что соль, растворившись, равномерно распределилась во всем объеме воды?




N13 EMBED Equation.3 1415-? Чтобы найти N13 EMBED Equation.3 1415. Необходимо найти
h=10м 2*1013 EMBED Equation.3 1415 объем озера V, кол-во частиц соли N
S=20 км13 EMBED Equation.3 1415 1013 EMBED Equation.3 1415 V=hS(1); N=13 EMBED Equation.3 1415
m=0.01 г. N13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
V13 EMBED Equation.3 1415=2 см13 EMBED Equation.3 1415 2*1013 EMBED Equation.3 1415 Подставим (1) и (2) в (3)
Na=6.02*1013 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Ответ:6,02*1013 EMBED Equation.3 1415

Зад.№8 Каково давление кислорода, если средняя квадратичная скорость его молекул 60013 EMBED Equation.3 1415, а его плотность 1,5413 EMBED Equation.3 1415 ?

13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415 Отразим на произведение m13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415

Следовательно, 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Ответ:1,848*1013 EMBED Equation.3 1415

Зад.№9 Какова средняя квадратичная скорость движения молекул газа, если имея массу 8 кг, он занимает объем 10 м13 EMBED Equation.3 1415 при давление 250 Кпа ?
V-? СИ 13 EMBED Equation.3 1415 Рассмотрим n -концентрация
m=8кг. n=13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415 Следовательно,
V=10 м13 EMBED Equation.3 1415 2,5*1013 EMBED Equation.3 1415Па 13 EMBED Equation.3 1415 Выразим V из этого уравнения
13 EMBED Equation.3 1415 поэтапно:
Умножим первую и правую части на 3V
3РV=mV13 EMBED Equation.3 1415
2. Разделим первую и вторую часть на m
V13 EMBED Equation.3 1415
Возьмем квадратичный корень из первой и второй части.
V=13 EMBED Equation.3 1415
V=13 EMBED Equation.3 1415
Ответ: 306 м/с

Зад.№10 Найти концентрацию молекул кислорода, если давление его 0,3 Па, а средняя квадратичная скорость молекул равна 90013 EMBED Equation.3 1415


n-? CU 13 EMBED Equation.3 1415(1)
13 EMBED Equation.3 1415 3*1013 EMBED Equation.3 1415 Выразим n из уравнения (1)
V=90013 EMBED Equation.3 1415 n=13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415 Мы не знаем массу m13 EMBED Equation.3 1415-массу молекулы
Na=6,02*1013 EMBED Equation.3 1415 кислорода. Для этого воспользуемся
малярной массой кислорода
13 EMBED Equation.3 1415
n=13 EMBED Equation.3 1415
Ответ:13 EMBED Equation.3 1415



Зад.№11 Найти среднюю кинетическую энергию молекулы одноатомного газа при давление 30 Кпа. Концентрация молекул газа при указанном давление 5*1013 EMBED Equation.3 1415.


Е13 EMBED Equation.3 1415-? Р=13 EMBED Equation.3 1415 E13 EMBED Equation.3 1415
P=30 КПа Cu E13 EMBED Equation.3 1415
N=5*1013 EMBED Equation.3 1415 3*1013 EMBED Equation.3 1415Па

Ответ:9*1013 EMBED Equation.3 1415



3.Температура. Энергия теплового движения молекул.
3.1. Основные понятия и закономерности.
Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета молекулярного строения тел(V,p,t) называют макроскопическими параметрами.
Тепловым равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными.
Температура характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.
Предельную температуру, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объеме или объем идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении, называют нулем температуры.
Постоянная Больцмана связывает температуру 0 в энергетических единицах с температурой Т в Кельвинах.
Один Кельвин и один градус шкал Цельсия совпадают. Поэтому любое значение абсолютной температуры Т будет на 273 градуса выше соответствующей температуры t по Цельсию.
T=t+273
13 EMBED Equation.3 1415
Средняя кинетическая энергия хаотичного поступательного движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре.

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415
3.2. Решение задач.
Зад.№1 Определить кинетическую энергию молекулы одноатомного газа и концентрацию молекул при температуре 3713 EMBED Equation.3 1415с и давлении 1,2 Мпа.


Е13 EMBED Equation.3 1415-? N-? Cu Е13 EMBED Equation.3 1415
T=3713 EMBED Equation.3 1415с Т=t+273К
P=1,2 Мпа. 1,2*1013 EMBED Equation.3 1415 Т=3713 EMBED Equation.3 1415с+273К=310К
К=1,38*1013 EMBED Equation.3 1415 Выразим из (2) уравнения n=>n=13 EMBED Equation.3 1415
Итак: Е13 EMBED Equation.3 1415 и n=13 EMBED Equation.3 1415
Вычислим:
Е13 EMBED Equation.3 1415
n=13 EMBED Equation.3 1415
Ответ;13 EMBED Equation.3 1415

Зад.№2 Найти температуру водорода и среднюю квадратичную скорость его молекул при давлении 150 КПа и концентрации молекул 1,5*1013 EMBED Equation.3 1415

Т-? V-? Cu
P=150 КПа P=nКТ (1)
N=1,5*1013 EMBED Equation.3 1415 Выразим Т из Уравнения (1)
К=1,38*1013 EMBED Equation.3 1415 1.5*1013 EMBED Equation.3 1415Па Т=13 EMBED Equation.3 1415
Na=6.02*1013 EMBED Equation.3 1415 Т=13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415 724К

V=13 EMBED Equation.3 1415(2) Масса молекулы водорода неизвестна. Найдем его, используя молярную массу водорода.
13 EMBED Equation.3 1415 Подставим выражение (3) в
уравнение (2)
V=13 EMBED Equation.3 1415
V=13 EMBED Equation.3 1415
Ответ:13 EMBED Equation.3 1415

Зад.№3 При какой температуре средняя квадратичная скорость молекул равна 70013 EMBED Equation.3 1415?

Т-?
V=70013 EMBED Equation.3 1415 V=13 EMBED Equation.3 1415(1)
К=1,38*1013 EMBED Equation.3 1415 Выразим из уравнения(1)поэтапно
Na=6.02*1013 EMBED Equation.3 1415 1.Возведем в квадрат обе части
13 EMBED Equation.3 1415 V13 EMBED Equation.3 1415
2.Умножим обе части на m13 EMBED Equation.3 1415
V13 EMBED Equation.3 1415
3.разделим обе части на 3К
Т=13 EMBED Equation.3 1415
Итак, Т=13 EMBED Equation.3 1415, но мы не знаем m13 EMBED Equation.3 1415-массу одной молекулы кислорода. Найдем её, зная молекулярную массу кислорода:
13 EMBED Equation.3 1415
Подставим (3) в (2), получим: 13 EMBED Equation.3 1415
Т=13 EMBED Equation.3 1415
Ответ:13 EMBED Equation.3 1415



Зад.№4 Средняя квадратичная скорость молекул газа, находящихся при температуре 11013 EMBED Equation.3 1415с, равна 60013 EMBED Equation.3 1415. Определите массу молекулы.

m13 EMBED Equation.3 1415-? Т=t+273К
t=11013 EMBED Equation.3 1415с Т=11013 EMBED Equation.3 1415с+273К=383К
V=600 13 EMBED Equation.3 1415 V=13 EMBED Equation.3 1415
К=1,38*1013 EMBED Equation.3 1415 Выразим m13 EMBED Equation.3 1415 из этого уравнения.
Возведем левую и правую части в

квадрат V13 EMBED Equation.3 1415
2.Умножим обе части на m13 EMBED Equation.3 1415 V13 EMBED Equation.3 1415
Разделим обе части на V13 EMBED Equation.3 1415 m13 EMBED Equation.3 1415
Вычислим:
m13 EMBED Equation.3 1415
Ответ:13 EMBED Equation.3 1415

4.Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы.
4.1. Основные понятия и закономерности.
Еще философы древности догадывались о том, что теплота - это вид внутреннего движения. Но только в 18 веке начала развиваться молекулярно-кинетическая теория (МКТ). Цель МКТ - объяснение свойств макроскопических тел и тепловых процессов, протекающих в них, на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных, беспорядочно движущихся частиц. В основе МКТ строения вещества лежат три утверждения:
- вещество состоит из частиц;
- эти частицы беспорядочно движутся;
- частицы взаимодействуют друг с другом.
Качественное объяснение основных свойств газов на основе МКТ не является особенно сложным. Однако теория, устанавливающая количественные связи между измеряемыми на опыте величинами и свойствами самих молекул, их числом и скоростью, весьма сложна. Вместо реального газа, между молекулами которого действуют сложные силы взаимодействия, мы будем рассматривать его физическую модель. Эта модель называется идеальным газом.
Идеальный газ - это газ, взаимодействие, между молекулами которого пренебрежимо мало и молекулы не занимают объема.
Для описания процессов в газах и других макроскопических телах нет необходимости всё время обращаться к МКТ. Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета молекулярного строения тел называют макроскопическими параметрами. Это объем, давление и температура. Уравнение, связывающее все три макроскопических параметра вместе, называют уравнением состояния идеального газа. Оно имеет еще одно название - уравнение Менделеева - Клапейрона. Получим его:


13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415
Можно заметить, что это уравнение получено для газа любой массы. Для газа неизменной массы эту зависимость можно представить в следующем виде:

13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415
Это уравнение получило название - уравнение Клапейрона. Как можно заметить уравнение Клапейрона является частным случаем уравнения состояния идеального газа.
C помощью уравнения состояния идеального газа можно исследовать процессы, в которых масса газа и один из трех макроскопических параметров остаются неизменными. Количественные зависимости между двумя параметрами при фиксированном значении третьего параметра называют газовыми законами. Процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров, называют изопроцессами.

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС - процесс изменения состояния термодинамической системы (газ) макроскопических тел при постоянной температуре называют изотермическим.
В частом случае этого явления, когда масса газа не изменяется, получается газовый закон, носящий имя закона Бойля-Мариотта. Для газа данной массы произведение давления газа на его объём постоянно, если температура газа не меняется. Математическая запись закона выглядит так:
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
Зависимость макроскопических параметров в различных осях выглядит следующим образом:









Легко заметить, что изотерме располагающейся выше в осях P,V соответствует большая абсолютная температура.
ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕСС - процесс изменения состояния термодинамической системы (газ) при постоянном давлении называют изобарным.
В частом случае этого явления, когда масса газа не изменяется, получается газовый закон, носящий имя закона Гей-Люссака. Для газа данной массы отношение объёма к температуре постоянно, если давление газа не меняется. Математическая запись закона выглядит так:
13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415
Зависимость макроскопических параметров в различных осях выглядит следующим образом:




Нетрудно определить, что изобаре в осях V,T имеющей меньший угол наклона к оси температур соответствует большее давление.
ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС - процесс изменения состояния термодинамической системы (газ) при постоянном объёме называют изохорным.
В частом случае этого явления, когда масса газа не изменяется, получается газовый закон, носящий имя закона Шарля. Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объём газа не меняется. Математическая запись закона выглядит так:
13 EMBED Equation.3 1415,13 EMBED Equation.3 1415,13 E
·MBED Equation.3 1415
Зависимость макроскопических параметров в различных осях выглядит следующим образом:






Нетрудно определить, что изохоре в осях P,T имеющей меньший угол наклона к оси температур соответствует больший объём.

4.2. Решение задач
Зад №1 Какое количество вещества содержится в газе, если при давлении 200кПа и температуре 240К его объем равен 40л?

13 EMBED Equation.3 1415 -? СИ Воспользуемся уравнением состояния идеального газа,
Р=200кПа 13 EMBED Equation.3 1415 поскольку в задаче идет речь о состоянии газа.
Т=240к 13 EMBED Equation.3 1415
V=40л 13 EMBED Equation.3 1415 Зная, что количество вещества определяется 13 EMBED Equation.3 1415,
13 EMBED Equation.3 1415 подставим в исходную формулу:13 EMBED Equation.3 1415, выразим 13 EMBED Equation.3 1415 и получим: 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
ответ: 4 моль

Зад №2 Газ при давлении 0,2МПа и температуре 150С имеет объем 5л. Чему равен объем этой массы газа при нормальных условиях?

13 EMBED Equation.3 1415 СИ Для решения воспользуемся уравнением Клапейрона,
поскольку в задаче речь идет о изменении макропараметров
Р=0,2Мпа 13 EMBED Equation.3 1415 без изменении массы газа.

13 EMBED Equation.3 1415 Выразим 13 EMBED Equation.3 1415 из уравнения Клапейрона:
13 EMBED Equation.3 1415
Ответ: 9,5л
Зад №3 Как изменился объем газа, если его температура увеличилась в 2 раза, давление возросло на ј. Первоначальное давление 0,2МПа.

13 EMBED Equation.3 1415 Для решения воспользуемся уравнением Клапейрона, поскольку в
задаче речь идет о изменении макропараметров без изменения массы газа.
Р=0,2Мпа 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415 Учитывая, что давление возросло, то 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 подставим
13 EMBED Equation.3 1415 в (*), получим:13 EMBED Equation.3 1415
m=const 13 EMBED Equation.3 1415

Ответ: увеличилось в 1,6 раза


Зад №4 Газ был изотермически сжат с 8л до 5л. При этом давление возросло на 60кПа. Найти первоначальное давление газа.

13 EMBED Equation.3 1415 СИ Воспользуемся законом Бойля-Мариотта, так как в задаче
идет речь о изотермическом процессе без изменения массы
13 EMBED Equation.3 1415 газа.
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415 Так как 13 EMBED Equation.3 1415 то имеем
13 EMBED Equation.3 1415
Выразим 13 EMBED Equation.3 1415 из предыдущего выражения, получим:
13 EMBED Equation.3 1415

Ответ: 13 EMBED Equation.3 1415


Зад №5 Какой объем займет газ при 770С, если при 270С его объем был 6л?

V2 - ? В данной задаче переводить литры в м3 нет необходимости, так как воспользуемся законом Гей-Люссака (давление постоянно).

V1=6л
t1=270C
t2 = 770C выразим из этого выражения V2 ,
T1=300K
T2=350K
Вычислим: 13 EMBED Equation.3 1415

Ответ: 7л
Зад №6 При какой температуре находился газ в закрытом сосуде, если при нагревании его на 140К давление возросло в 1,5 раза?

Т0-? Так как сосуд закрыт, следовательно, масса газа не изменятся и объем газа не изменен.
Значит, воспользуемся законом Шарля.
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415, но 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415
Следовательно, 13 EMBED Equation.3 1415, на Р0 можно сократить и преобразовать выражение: 13 EMBED Equation.3 1415 Перенесем в левую часть все Т0 , а в правую все остальное .

13 EMBED Equation.3 1415

Ответ: 280К


Задания на чтение графиков изменения состояния газа при фазовых переходах.
Алгоритм выполнения
Определить фазовые переходы состояния газа (изотермический, изобарный, изохорный процессы). Записать анализ ниже предложенного графика.
Установить на каждом переходе изменения макроскопических параметров (увеличиваются или уменьшаются).
Учитывая графики изопроцессов в различных осях координат (см. ранее), построить графики изменения состояния газа в недостающих координатах.

5.Взаимные превращения жидкостей и газов.
5.1. Основные понятия и закономерности.
Между жидкостью и паром (газом), находящимся над ней, может существовать динамическое равновесие, при котором число молекул, покидающих жидкость за некоторое время, равно числу молекул, возвращающихся из пара в жидкость за то же время. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. Давление насыщенного пара не зависит от объёма и определяется только температурой. Газ, который простым сжатием при неизменной температуре можно превратить в жидкость, называется ненасыщенным паром.
В природе существует два процесса перехода из жидкости в газ. Эти процессы - испарение и кипение называют процессами парообразования.
Испарение - это процесс парообразования, происходящий при любой температуре с поверхности жидкости с поглощением энергии.
Скорость испарения зависит от:
1. рода жидкости (плотность вещества)
2. температуры жидкости
3. атмосферного давления
4. площади поверхности жидкости
5. движения воздушных масс у поверхности жидкости
6. содержания водяных паров в атмосфере (влажность воздуха)
Кипение - это процесс парообразования, происходящий при определенной температуре во всем объёме жидкости с поглощением энергии.
Температура кипения зависит от:
1. рода жидкости
2. атмосферного давления
3. примесей в жидкости
Конденсация - это обратный процесс парообразования, происходящий с выделением энергии.
Критическая температура - это температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и её насыщенным паром.
Представление о критической температуре ввел Д. Н. Менделеев. Особое значение критической температуры состоит в том, что при температуре выше критической ни при каких давлениях газ нельзя обратить в жидкость.
Вода занимает около 70,8% поверхности земного шара. Живые организмы содержат от 50 до 99,7% воды. Образно говоря, живые организмы - это одушевленная вода. В атмосфере находится около 13-15 тыс.куб. метров воды в виде капель, кристаллов снега и водяного пара. Атмосферный водяной пар влияет на погоду и климат Земли.
Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением водяного пара. Водяной пар в воздухе не является насыщенным. Почему? Парциальное давление водяного пара принимают за один из показателей влажности воздуха. Его выражают в единицах давления - паскалях или миллиметрах ртутного столба.
По парциальному давлению водяного пара ещё нельзя судить о том, насколько водяной пар в данных условиях близок к насыщению. Поэтому вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению, - относительную влажность. Относительной влажностью воздуха 13 EMBED Equation.3 1415называют отношение парциального давления 13 EMBED Equation.3 1415водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению 13 EMBED Equation.3 1415насыщенного пара при той же температуре, выраженной в процентах:
13 EMBED Equation.3 1415
Влажность воздуха измеряют с помощью специальных приборов: психрометр, гигрометр, волосяной гигрометр. Психрометр состоит из двух термометров. Резервуар одного из них остаётся сухим, и он показывает температуру воздуха. Резервуар другого окружен полоской ткани, конец которой опущен в воду. Вода испаряется, и благодаря этому термометр охлаждается. Чем больше относительная влажность воздуха, тем менее интенсивнее идет испарение и тем более высокую температуру показывает термометр, окруженный полоской влажной ткани. При относительной влажности воздуха 100% вода вообще не будет испаряться и показания обоих термометров будут одинаковы. По разности температур этих термометров с помощью специальных таблиц (психрометрических ) можно определить относительную влажность воздуха.
Принцип действия гигрометра во многом отличается. Используя гигрометр определяют точку росы ( температура при выпадает роса ) и по специальному алгоритму определяют относительную влажность воздуха.
В основе действия волосяного гигрометра лежит свойство волоса удлинятся или укорачиваться в зависимости от содержания водяных паров в атмосфере.
Точка росы – температура, при которой выпадает роса. При решении задач на точку росы необходимо использовать следующий алгоритм:
Алгоритм «Точка росы»
Определить температуру окружающего воздуха. По таблице зависимости давления насыщенного пара от температуры определить давление Р0.
Определить температуру, при которой выпала роса. По таблице зависимости давления насыщенного пара от температуры определить парциальное давление Р.
По формуле 13 EMBED Equation.3 1415 выполнить вычисления.
5.2. Решение задач
Зад №1 Найти относительную влажность воздуха в комнате при 180С, если точка росы 100С.

13 EMBED Equation.3 1415 Для решения задачи воспользуемся алгоритмом «Точка росы»
1. 13 EMBED Equation.3 1415
2. 13 EMBED Equation.3 1415
3. 13 EMBED Equation.3 1415
Ответ: 59%
Зад №2 Влажный термометр психрометра показывает 100С, а сухой 140С. Найти относительную влажность воздуха.
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
Для решения данной задачи воспользуемся психрометрической таблицей:
1. Найдем показания сухого термометра (140С)
2. Определим разность в показаниях сухого и влажного термометров
13 EMBED Equation.3 1415
3. На пересечении соответствующих строк и столбца найдем показания психрометра: 13 EMBED Equation.3 1415
Ответ: 60%

Зад №3 Днем при 200С относительная влажность воздуха была 60%. Сколько воды в виде росы выделится из каждого кубического метра воздуха, если температура понизилась до 80С?

Для решения задачи необходимо воспользоваться формулами
нахождения относительной влажности воздуха и уравнением Менделеева.

13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415
Найдем парциальное давление, зная влажность и давление насыщенного пара: 13 EMBED Equation.3 1415 (из таблицы)
13 EMBED Equation.3 1415
Из уравнения Менделеева выразим массу: 13 EMBED Equation.3 1415
Подставим парциальное давление и найдем массу воды.
13 EMBED Equation.3 1415


Ответ: 10г

6.Твердые тела.
6.1. Основные понятия и закономерности.
Мы живем на поверхности твердого тела - земного шара, в сооружениях, построенных из твердых тел, - домах. Наше тело, хотя и содержит приблизительно 65% воды (мозг - 80%), тоже твердое. Орудия труда, машины также сделаны из твердых тел. Знать свойства твердых тел жизненно необходимо!
Твердые тела делятся на два основных вида: кристаллические и аморфные. Твердые тела сохраняют не только объем, но и форму.
Кристаллические тела - это твердые тела, атомы и молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Примером кристаллических тел могут служить - алмазы, металлы, графит, лед и т.д.
Основные свойства кристаллических тел:
1. Имеют кристаллическую решётку.
2. Анизотропия (только для монокристаллов).
3. Имеют определенную температуру плавления.
Зависимость физических свойств (прочность, теплопроводность, светопроводность, тепловое расширение и т.д.) от направления внутри кристалла называют анизотропией.
Аморфные тела - это твердые тела, которые по своим физическим свойствам занимают промежуточное положение между жидкостями и кристаллическими телами. При высоких температурах они ведут себя как жидкости, при низких - как твердые тела. Примером аморфных тел могут служить - канифоль, смола, стекло, пластмассы и т.д.
Свойства аморфных тел:
1. Атомы и молекулы не имеют строго расположения в пространстве.
2. Изотропны. (все свойства во всех направлениях одинаковы)
3. Не имеют определенной температуры плавления.
Все твердые тела подвергаются деформациям. Деформацией называются изменение формы или объёма тела. Различают упругую и пластическую деформации.
Деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия внешних сил, называются упругими.
Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называются пластическими.
Виды упругой деформации:
1. Растяжение (сжатие)
характеризуются:
абсолютным удлинением 13 EMBED Equation.3 1415
относительным удлинением 13 EMBED Equation.3 1415
2. Сдвиг. Характеризуется углом сдвига.
3. Изгиб.
4. Кручение.
Первый и второй виды упругой деформации называются основными, так как изгиб и кручение представимы в комбинациях основных видов. Например, деформация изгиба представляет собой в верхних слоях тела растяжение, в нижних - сжатие. Кручение есть результат деформаций растяжения, сжатия и сдвига.
При деформациях в твердых телах возникает механическое напряжение. Механическим напряжением называют отношение модуля силы упругости, возникающей в теле при действии внешней силы, к площади поперечного сечения тела: 13 EMBED Equation.3 1415
ЗАКОН ГУКА.
При малых деформациях механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению. Коэффициент пропорциональности, входящий в закон Гука называется модулем упругости или модулем Юнга.
13 EMBED Equation.3 1415

6.1. Решение задач

Зад №1 На сколько удлинится медная проволока длиной 3м и диаметром 0,12мм под действием гири весом 1,5Н? Деформацию считайте упругой.


Воспользуемся законом Гука, механическим напряжением и относительным удлинением.



Сравним правые части закона Гука и механического напряжения, учтем при этом относительное удлинение и площадь, получим:
13 EMBED Equation.3 1415
Выразим из этого выражения искомую величину:

13 EMBED Equation.3 1415

Ответ: 3,3 мм
Зад №2 Рассчитайте силу, необходимую для разрыва медной проволоки из школьного набора проводов диаметром 0,3мм.

F-? Для решения задачи воспользуемся определением механического
напряжения и определением площади круга (проволока в сечении круглая).
13 EMBED Equation.3 1415
Выразим силу F из механического напряжения. Подставим в эту
формулу выражение для площади сечения.

13 EMBED Equation.3 1415
Ответ: 15Н

Зад №3 Какой максимальной высоты может быть кирпичное здание, если допускаемое напряжение кирпичной кладки 13 EMBED Equation.3 1415 ?

13 EMBED Equation.3 1415 Созданное весом стен давление равно 13 EMBED Equation.3 1415, где
13 EMBED Equation.3 1415плотность кирпича, 13 EMBED Equation.3 1415высота кладки
Выразим высоту h, получим:
13 EMBED Equation.3 1415



Ответ: 50 м


7.Основы термодинамики.
Внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул(или атомов) относительно центра и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом(но не с молекулами других тел).
13 EMBED Equation.3 1415
Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре.
Она не зависит от объема и других макроскопических параметров системы. Изменение внутренней энергии данной массы идеального газа происходит только при изменение его температуры:
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415
Работа газа равна: А’=F’13 EMBED Equation.3 1415h=pS(h13 EMBED Equation.3 1415)=p(Sh13 EMBED Equation.3 1415)
Эту работу можно выразить через изменение объема газа. Начальный объем V13 EMBED Equation.3 1415=Sh13 EMBED Equation.3 1415, а конечный V13 EMBED Equation.3 1415, поэтому А’=p(V13 EMBED Equation.3 1415-V13 EMBED Equation.3 1415)=p13 EMBED Equation.3 1415V, где 13 EMBED Equation.3 1415-изменение объема газа.
При расширение газ совершает положительную работу, так как направление силы и направление перемещения поршня совпадают. В процессе расширения газ передает энергию окружающим телам.
Работа А, совершаемая внешними телами над газом, отрличаетсяот работы газа А’ только знаком; А=А’, так как сила F , действующая на газ, направлена против силы F’, а перемещение поршня остается тем же самым. Поэтому работа внешних сил, действующих на газ, равна:
А=-А’=-p13 EMBED Equation.3 1415
Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называют теплообменом или теплопередачей.
Количественная мера измерения внутренней энергии при теплообмене называют количеством теплоты.
Удельная теплоемкость- это количество теплоты, которое получает или отдает 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 К.
Q=cm(13 EMBED Equation.3 1415)=cm13 EMBED Equation.3 1415
Количество теплоты, необходимое для превращения при постоянной температуре 1 кг жидкости в пар, называют удельной теплотой парообразования.
Qп=rm
Qк=-rm
Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг кристаллического вещества при температуре плавления в жидкость той же температуры, называют удельной плавления 13 EMBED Equation.3 1415.
Qпл=13 EMBED Equation.3 1415
Qкр=-13 EMBED Equation.3 1415
Закон сохранения энергии
Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает; количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.
Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:
13 EMBED Equation.3 1415
Q=13 EMBED Equation.3 1415
Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.
Невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горечей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.
Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем равна:
А’=13 EMBED Equation.3 1415
Где Q13 EMBED Equation.3 1415-количество теплоты, полученное от нагревателя, а Q13 EMBED Equation.3 1415-количество теплоты, отданное холодильнику.
Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы А’, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:
13 EMBED Equation.3 1415
Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то13 EMBED Equation.3 1415<1.
Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он получил для КПД этой машины следующее значение:
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415=62%
Действительно же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД около 44%-имеют двигатели Дизеля.


7.1. Решение задач

Зад №1 Свинцовая пуля летит со скоростью 200м/с и попадает в земляной вал. На сколько градусов нагреется пуля, если 78% кинетической энергии пули превратилось во внутреннюю?

13 EMBED Equation.3 1415 Так часть кинетической энергии перешла во внутреннюю, следовательно, пуля нагрелась. Значит 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415
Получим:
13 EMBED Equation.3 1415, массу можно сократить
Выразим 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Ответ: 120К








Зад №2 Температура нагревателя идеальной тепловой машины 1170С, а холодильника 270С. Количество теплоты, получаемое машиной от нагревателя за 1с, равно 60кДж. Вычислить КПД машины, количество теплоты, отдаваемое холодильнику в 1с и мощность машины.



Для решения задачи воспользуемся формулами: идеальной тепловой машины Карно, КПД, мощность машины.

- формула Карно идеальной тепловой машины


13 EMBED Equation.3 1415
Найдем количество теплоты, отданной холодильнику.
13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415
Значит, 13 EMBED Equation.3 1415
Теперь определим мощность тепловой машины.

13 EMBED Equation.3 1415

Ответ: 23%, 46,2кДЖ, 14кВт

































Для заметок















































































13PAGE 15


13PAGE 141115



13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415



Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeьEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы


Добавить комментарий