термодинамічні параметри
Основне рівняння МКТ
Температура. абсолютна температура
Зв'язок температури із середньою кінетичної енергією молекул речовини
Мікро - і макропараметри стану газу
Система, що складається з великого числа молекул, називається макросистемою. Макросистема, відокремлена від зовнішніх тел стінками з постійними властивостями, після тривалого проміжку часу приходить в рівноважний стан. Цей стан можна описати рядом параметрів, які називаються Параметрами стану. Розрізняють Мікропараметри і макропараметрах стану.
До мікропараметрам стану можна віднести наступні фізичні величини: масу M 0 молекул, їх швидкість, середню квадратичну швидкість молекул, середню кінетичну енергію молекул, середній час між зіткненнями молекул, довжину їх вільного пробігу та ін. Це такі параметри, які можна віднести і до однієї молекулі макросистеми.
Макропараметри стану характеризують тільки рівноважну систему в цілому. До них відносяться обсяг V. тиск P. температура T. щільність , концентрація N. внутрішня енергія U. електричні, магнітні та оптичні параметри. Значення цих параметрів можуть бути встановлені за допомогою вимірювальних приладів.
Молекулярно-кінетична теорія ідеального газу встановлює відповідність між мікропараметрамі і макропараметрами газу.
Таблиця. Mікропараметри стану
Приготування газу змішанням заданих мас або об'ємів
Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу
Це рівняння пов'язує макропараметри системи - тиск P і концентрацію молекулС її мікропараметрамі - масою молекул, їх середнім квадратом швидкості або середньої кінетичної енергією:
Висновок цього рівняння заснований на уявленнях про те, що молекули ідеального газу підкоряються законам класичної механіки, а тиск - це відношення усередненої за часом сили, з якою молекули б'ють по стінці, до площі стінки.
Пропорційність сили, з якою молекули впливають на стінку, їх концентрації, масі і швидкості кожної молекули якісно зрозумілі. Квадратичний зростання тиску зі швидкістю пов'язаний з тим, що від швидкості залежить не тільки сила окремого удару, але і частота зіткнень молекул зі стінкою.
З огляду на зв'язок між концентрацією молекул в газі і його щільністю ( = Nm 0), можна отримати ще одну форму основного рівняння МКТ ідеального газу:
Температура. абсолютна температура
Мал. 2. Рідинні термометри
При контакті двох макросістем, кожна з яких знаходиться в рівновазі, наприклад, при відкриванні крана між двома теплоізольовані судинами з газом або контакті їх через теплопроводящую стінку, рівновага порушується. Через великий проміжок часу в частинах об'єднаної системи встановлюються нові значення параметрів системи. Якщо говорити тільки про макропараметрах, то вирівнюються температури тел.
Поняття «температура» було введено у фізику в якості фізичної величини, що характеризує ступінь нагретости тіла не за суб'єктивними відчуттями експериментатора, а на підставі об'єктивних свідчень фізичних приладів.
Термометр - прилад для вимірювання температури, дія якого заснована на взаємно-однозначної зв'язку спостережуваного параметра системи (тиску, обсягу, електропровідності, яскравістю і т. Д.) З температурою (рис. 2).
Вважається, що якщо цей вторинний параметр (наприклад, обсяг ртуті в ртутному термометрі) при тривалому контакті з одним тілом і при тривалому контакті з іншим тілом однаковий, то це означає, що рівні температури цих двох тіл. В експериментах по встановленню розподілу молекул за швидкостями було показано, що цей розподіл залежить тільки від ступеня нагретости тіла, вимірюваної термометром. У сучасній статистичній фізиці характер розподілу частинок системи по енергіях характеризує її температуру.
Для калібрування термометра необхідні тіла, температура яких вважається незмінною і відтворюється. Зазвичай це температура рівноважної системи лід - вода при нормальному тиску (0 ° С) і температура кипіння води при нормальному тиску (100 ° С).
В СІ температура виражається в кельвінах (К). За цією шкалою 0 ° С = 273,15 К і 100 ° С = 373,15 К. В побуті використовуються і інші температурні шкали.
Рівняння Менделєєва - Клапейрона (рівняння стану ідеального газу)
В результаті експериментальних досліджень багатьох вчених було встановлено, що макропараметри реальних газів не можуть змінюватися незалежно. Вони пов'язані рівнянням стану:
Де R = 8,31 Дж / (K моль) - універсальна газова постійна,, де M - маса газу і M - молярна маса газу. Рівняння Менделєєва - Клапейрона називають Рівнянням стану. оскільки воно пов'язує функціональною залежністю Параметри стану. Його записують і в інших видах:
Користуючись рівнянням стану, можна висловити один параметр через інший і побудувати графік першого з них, як функції другого.
Графіки залежності одного параметра від іншого, побудовані при фіксованих температурі, обсязі і тиску, називають відповідно Ізотерм. Ізохор і ізобари.
Наприклад, залежність тиску P від температури T при постійному обсязі V і постійної масі M газу - це функція, де K - постійний числовий множник. Графіком такої функції в координатах P, Т буде пряма, що йде від початку координат, як і графіком функції Y (x) = kx в координатах Y, x (рис. 3).
Залежність тиску P від обсягу V при постійній масі M газу і температурі T виражається так:
,
Де K 1 - постійний числовий множник. Графік функції У координатах Y, x являє собою гіперболу, так само як і графік функції У координатах P, V.
Зв'язок температури із середньою кінетичної енергією молекул речовини
Кількісне співвідношення між температурою T (макропараметрах) системи і середньої кінетичної енергією (мікропараметром) молекули ідеального газу може бути виведено з зіставлення основного рівняння МКТ ідеального газу І рівняння стану, де Дж / К - постійна Больцмана. Зіставляючи два вирази для тиску, отримаємо
Середня кінетична енергія молекул ідеального газу пропорційна температурі газу. Якщо молекули газу утворені двома, трьома і т. Д. Атомами, то доводиться, що цей вислів має обов'язкову силу тільки енергію поступального руху молекули в цілому і температуру.
З урахуванням цього співвідношення на рівні мікро - та макропараметрів макросистеми можна стверджувати, що в Стані теплового рівноваги двох систем вирівнюються температури і в разі ідеального газу середні кінетичні енергії молекул.