Урок 41-42 26.01.2023
Преподаватель Будниченко И.И.
Обратная связь: работы присылать личным сообщением ВК
Задание: проработать конспект, просмотреть видеоуроки https://www.youtube.com/watch?v=EZeqe96C_24&ab_channel , выполнить д/з.
Тема урока: Абсолютная температура, как мера средней кинетической энергии теплового движения частиц вещества.
Цель: иметь представление о температурных шкалах и возможностях перевода их числовых значений; понимать необходимость введения абсолютной шкалы температур; формировать умения выполнять измерение температуры.
"Наибольшая или последняя степень холода".
М.В. Ломоносов;
«Без сомнения, всё наше знание начинается с опыта»
Кант Имануил немецкий философ (1724-1804)
Ход урока
Дать ответы на вопросы:
1. Назовите основные положения МКТ.
2.Какие значения масс молекул и их количества используют в макроскопических телах?
3.Что называют относительной атомной массой?
4. Что такое моль и чему равна постоянная Авогадро?
5. Назвать микроскопические и макроскопические параметры, что они характеризуют.
6. Какой раздел называют молекулярной физикой?
7. Какой газ называют идеальным?
Написать изученные в данной теме физические величины и единицы измерения.
1.Относительная молекулярная масса Мr ; г/моль
2.Температура T; К
3.Молярная масса М ; кг/моль
4.Давление p ; Па
5.Количество вещества ν; моль
6.Объем V; м3,
7.Число молекул N;
8. Масса вещества m ; кг,
9.Масса одной молекулы m0; кг,
10.Число Авогадро NA; моль-1,
11.Концентрация п ; 1/ м3.
ПовторениеКонец формыНачало форм: : основного уравнения МКТ
Давление идеального газа пропорционально произведению концентра-ции молекул и средней кинетической энергии поступательного движения молекул.
Или же:
– плотность газа
Конец формы
Изучение нового материала.
1. Историческая справка
Что хотел сказать этими словами великий ученый? (См. эпиграф). Что такое термометр, мы знаем с малых лет. Термометрия - наука об измерении температуры.
Изобретению термометра предшествовало создание термоскопа - прибора, который отмечал изменение температуры (рис.1). При потеплении воздух внутри шара расширялся и вытеснял воду из шара в трубку. По изменению уровня воды и судили об изменении температуры. В XVII веке термоскопы стали изготавливать в виде герметично запаянной трубки, заполненной ртутью или спиртом. С этого момента показания термоскопов перестали зависеть от атмосферного давления. Опыты с ними стали всеобщим увлечением, ими даже украшали комнаты. Но, чтобы термоскоп стал термометром, нужно было научиться выражать его показания в виде числа, то есть изобрести шкалу. Как же это сделать? Разные ученые поступали по-разному.
Рис. 1
Известно, что соль, смешанная со льдом, разъедает его, частично превращая в воду. При этом смесь сильно охлаждается. Исследуя это явление, американец Д. Фаренгейт обнаружил, что температура их смеси не зависит ни от количества льда, ни от количества соли, ни от температуры в лаборатории. Температуру этой смеси он и принял за 0 °F (читается: ноль градусов по Фаренгейту). Француз Р. Реомюр предложил в качестве нуля градусов принять температуру замерзания воды. Температуру кипения воды он принял за 80 °R (читается: восемьдесят градусов по Реомюру). Проверку шкалы Реомюра выполнял шведский ученый А. Цельсий. Он, в частности, писал: "Эти опыты я повторял два года, во все зимние месяцы, при различной погоде и разнообразных изменениях состояния барометра и всегда находил точно такую же точку на термометре. Я помещал термометр не только в тающий лед, но также при сильных холодах приносил снег в мою комнату на огонь до тех пор, пока он не начинал таять. Я помещал также котел с тающим снегом вместе с термометром в топящуюся печь и всегда находил, что термометр показывал одну и ту же точку, если только снег лежал плотно вокруг шарика термометра".
Тщательно проверив постоянство температуры таяния льда, Цельсий принялся за исследование температуры кипения воды. Он, в частности, обнаружил, что она зависит от наличия примесей и внешнего давления. В горах, например, где атмосферное давление низкое, вода закипает при меньшей температуре. Усилиями А. Цельсия была создана шкала, которой мы пользуемся и сегодня. В ней имеются две постоянные точки: 0°С - температура сосуществования воды и льда, 100°С - температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Расстояние между этими точками шкалы, поделенное на 100 равных частей, называется градусом температурной шкалы Цельсия (лат. "градус" - шаг, ступень).
Рис.2
Таким образом, ученые XVIII века называли температурой то, что показывали их термометры. Поэтому в разных странах были приняты различные температурные шкалы.
2. Температура как мера теплового равновесия
Как уже было сказано выше, понятие температура не является новым для нас. В восьмом классе мы определяли её как меру нагретости тела. Теперь же мы расширим это понятие. Ведь температура является очень важным макропараметром, который определяет величину теплового хаотического движения молекул и атомов.
Для начала вспомним, как нужно измерять температуру какого-либо тела. Мы приводим прибор для измерения температуры – термометр – в контакт с телом, температуру которого хотим замерить, и ждём некоторое время. Зачем мы это делаем? Чтобы температура тела и температура термометра стали одинаковыми (термометр способен показывать лишь свою температуру). Или же говорят, что термометр и тело находятся в состоянии теплового равновесия.
Тепловое равновесие – такое состояние тела, при котором его макроскопические параметры не меняются длительное время.
Так вот температура – мера теплового равновесия тела или системы тел. И сведения о температурах двух тел дают нам представление о направлении перехода тепла – от более нагретого тела к менее нагретому.
Следует отметить, что наиболее распространённые в быту термометры – ртутные, спиртовые и т.д. (рис.3) не отвечают физическим стандартам измерения температур.
Рис. 3. Спиртовой и ртутный термометры соответственно
Причины этому две:
1. Различные термометры используют различные вещества в качестве индикатора, поэтому на одно и то же изменение температуры в зависимости от свойств конкретного вещества термометры реагируют по-разному;
2. Произвольность выбора начала отсчёта шкалы температур.
3. Недостатки термометров, газовые термометры
Поэтому для любых точных замеров температур такие термометры не годятся. И начиная с восемнадцатого века, используются более точные термометры, коими является газовые термометры (рис. 3) Причиной этого является тот факт, что газы расширяются одинаково при изменении температуры на одинаковые значения. Для газовых термометров справедливо следующее:
То есть для измерения температуры либо фиксируется изменение давления при постоянном объёме, либо объём при постоянном давлении.
В газовых термометрах часто используют разреженный водород, который, как мы помним, очень хорошо подходит под модель идеального газа.
Рис. 4. Газовый термометр
4. Абсолютная шкала температур
Кроме не идеальности бытовых термометров имеет место быть не идеальность многих шкал, которые используются в быту. В частности, шкала Цельсия, как наиболее нам знакомая. Как и в случае с термометрами, эти шкалы выбирают случайным образом начальный уровень (для шкалы Цельсия это температура плавления льда). Поэтому для работы с физическими величинами необходима другая, абсолютная шкала.
Эту шкалу ввёл в 1848 г английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) (рис. 3). Зная, что при росте температур тепловая скорость движения молекул и атомов тоже растёт, нетрудно установить, что при уменьшении температур скорость будет падать и при определённой температуре рано или поздно станет нулём, как и давление (исходя и основного уравнения МКТ). Эту температуру и выбрали за начало отсчёта. Совершенно очевидно, что температура не может достигнуть значения меньше этого значения, поэтому оно получило название «абсолютный ноль температур». Единица абсолютной температуры называется кельвином [K]. Для удобства же 1 градус по шкале Кельвина был приведён в соответствии с 1 градусом по шкале Цельсия.
1 К = 1oС
Следовательно, абсолютный ноль температур – это температура, при которой прекращается поступательное движение молекул.
Измеряемая по шкале Цельсия температура может быть как положительной, так и отрицательной, в то время как абсолютная температура всегда неотрицательна.
Рис. 5. Уильям Томсон
5. Температура - мера средней кинетической энергии поступательного движения молекул
Теперь для определения температуры как меры средней кинетической энергии молекул имеет смысл обобщить те рассуждения, которые мы приводили в определении абсолютной шкалы температур:
Итак, температура и правда является мерой средней кинетической энергией поступательного движения. Конкретное же формульное соотношение вывел австрийский физик Людвиг Больцман (рис. 6):
Здесь 
– так называемый коэффициент Больцмана. Это константа, численно равная:
Как мы видим, размерность этого коэффициента – 
, то есть это своего рода коэффициент пересчёта из шкалы температур в шкалу энергий, ведь мы понимаем теперь, что, по сути, должны были измерять температуру в единицах энергии.
Теперь рассмотрим, как будет зависеть давление идеального газа от температуры. Для этого запишем основное уравнение МКТ в следующем виде:
и подставим в эту формулу выражение для связи средней кинетической
энергии с температурой. Получим:
Рис. 6. Людвиг Больцман
Рис.7
Закрепление .
Тест.
1. Что такое температура?
А. Свойство присущее всем телам;
В. Физическая величина;
С. Явление природы;
D. Термин, применяемый для каждой молекулы в отдельности;
Е. свойство присущее отдельным молекулам.
2.Что такое диффузия?
А. Явление, при котором вещества смешиваются друг с другом;
В. Явление, при котором вещества не смешиваются друг с другом;
С. Явление проникновения частиц одного вещества в межмолекулярное пространство другого вещества.
D. Перемешивание веществ под влиянием внешних условий;
Е. Самопроизвольное перемешивание.
3.Какие параметры двух тел должны быть одинаковыми, чтобы они находились в тепловом равновесии?
А. объём и температура; В. масса и давление;
С.температура; D. давление и объем; Е. масса, температура.
4.Какое явление, названное затем его именем, впервые наблюдал Роберт Броун?
А.Беспорядочное движение отдельных атомов;
В. Беспорядочное движение отдельных молекул;
С. Непрерывное движение мелких твердых частиц взвешенных в жидкости;
D. Опускание больших частиц на дно сосуда.
Е. Неподвижные частицы;
5.Укажите термодинамические параметры из перечисленных величин:
1. молярная масса, 2. температура, 3. скорость,4. давление, 5. концентрация, 6. число молекул, 7. объем. 8. количество вещества:
А. 1,2,3. В. 4,5,6. С. 7,8,2. D. 1,5,8. Е. 2,4,7.
6. В сосуде находится один моль вещества, чему равно число молекул этого вещества?
А. 6,02∙1023 штук; В.12∙10-12 штук; С. 1030штук; D. 6,02∙10-23 штук; Е. 6,02∙1020 штук .
7.Броуновское движение обусловлено:
А. Столкновением молекул жидкости друг с другом;
В. Столкновением частиц взвешенных в жидкости;
С. Столкновением молекул жидкости с частицами, взвешенными в ней;
D. Силами притяжения между молекулами;
Е. Силами отталкивания между частицами.
8. Какое примерно значение температуры по абсолютной шкале соответствует температуре 270С по шкале Цельсия?
А. 3270К; В.3000К; С.2730К; D.-2460К; Е.-270К.
9. В каких единицах измеряется абсолютная температура?
А.Паскалях; В Ваттах; С. Ньютонах; D. Градусах Цельсия; Е. Кельвинах.
10. Какое примерно значение температуры по шкале Цельсия соответствует температуре 2000 К по абсолютной шкале:
А. -730С; В.-4730С; С. 730С; D. 4730С; Е .нет правильного ответа.
Решение задач.
Задача 1: Известна температура некоего тела t = -27оС. Надо рассчитать давление по формуле: p = nkt.
Задача 2: В закрытом сосуде содержится газ при температуре 320 К. Какой должна быть конечная температура, чтобы давление газа возросло в три раза?
- Самая низкая температура в природе, указанная Ломоносовым? (-2730С)
- Чему равна средняя температура человека, выраженная в Кельвинах? (309,6К)
- Чему равна скорость движения молекул при абсолютном нуле? (0 м/с)
Домашнее задание:
Повторить §59, 60 (с.195-197).
По желанию: доклад о вкладе ученых в развитии физики: (Цельсий, Кельвин, Больцман).