Тепловые явления. Молекулярная физика. Введение
Механическое движение. В VIII классе подробно изучалась Механическая форма движения материи, т. е. перемещение в пространстве одних тел относительно других с течением времени. То, что все тела состоят из атомов или молекул, не принималось во внимание.
Тела рассматривались как сплошные, лишенные внутренней структуры.
Исследование свойств тел не входит в задачу механики. Ее цель — определение положения тел в пространстве и их скоростей в любой момент времени в зависимости от сил взаимодействий между ними при заданных начальных положениях
Тепловое движение. Атомы и молекулы вещества, как вам известно из курса физики VII класса, совершают беспорядочное (хаотическое) движение, называемое Тепловым движением. В разделе «Тепловые явления.
Молекулярная физика» в IX классе мы будем изучать основные закономерности Тепловой формы движения материи.
Движение молекул беспорядочно в связи с тем, что число их в телах, которые нас окружают, необозримо велико и молекулы взаимодействуют друг с другом. Понятие теплового движения не применимо к системам из нескольких молекул. Хаотическое движение огромного числа
Именно поэтому оно представляет собой особую форму движения материи, обладающую специфическими свойствами.
Тепловое движение обуславливает внутренние свойства тел, и его изучение позволяет понять многие физические процессы, протекающие в телах.
Макроскопические тела. В физике тела, состоящие из очень большого числа атомов или молекул, называют макроскопическими. Размеры макроскопических тел во много раз превышают размеры атомов. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень, земной шар — все это примеры Макроскопических тел (рис.
1). 
Мы будем рассматривать процессы в макроскопических телах.
Тепловые явления. Тепловое движение молекул зависит от температуры. Об этом говорилось в курсах физики VI и VII классов. Следовательно, изучая тепловое движение молекул, мы тем самым будем изучать явления, зависящие от температуры тел.
При нагревании происходят переходы вещества из одного состояния в другое: твердые тела превращаются в жидкости, а жидкости — в газы. При охлаждении, наоборот, газы превращаются в жидкости, а жидкости — в твердые тела.
Эти и многие другие явления, обусловленные хаотическим движением атомов и молекул, называют Тепловыми явлениями.
Значение тепловых явлений. Тепловые явления играют огромную роль в жизни людей, животных и растений. Изменение температуры воздуха на 20-30° C при смене времени года меняет все вокруг нас. С наступлением весны природа пробуждается, леса одеваются листвой, зеленеют луга.
Зимой же богатые летние краски заменяются однообразным белым фоном, жизнь растений и многих насекомых замирает. При изменении температуры нашего тела всего лишь на один градус мы уже чувствуем недомогание.
Тепловые явления интересовали людей с древнейших времен. Люди добились относительной независимости от окружающих условий после того, как научились добывать и поддерживать огонь. Это было одним из величайших открытий, сделанных человеком.
Изменение температуры оказывает влияние на все свойства тел. Так, при нагревании или охлаждении изменяются размеры твердых тел и объем жидкостей. Значительно меняются также их механические свойства, например упругость. Кусок резиновой трубки не пострадает, если ударить по нему молотком. Но при охлаждении до температуры ниже -100° C резина становится хрупкой, как стекло.
От легкого удара резиновая трубка разбивается на мелкие кусочки. Лишь после нагревания резина вновь обретет свои упругие свойства.
Все перечисленные выше и многие другие тепловые явления подчиняются определенным законам. Эти законы также точны и надежны, как и законы механики, но отличаются от них по содержанию и форме. Открытие законов, которым подчиняются тепловые явления, позволяет с максимальной пользой применять эти явления на практике, в технике.
Современные тепловые двигатели, установки для сжижения газов, холодильные аппараты и другие устройства конструируют на основе знания этих законов.
Молекулярно-кинетическая теория. Теория, объясняющая тепловые явления в макроскопических телах и внутренние свойства этих тел на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных хаотически движущихся частиц, носит название молекулярно-кинетической теории. В теории ставится задача связать закономерности поведения отдельных молекул с величинами, характеризующими свойства макроскопических тел.
Еще философы древности догадывались о том, что теплота — это вид внутреннего движения частиц, слагающих тела. Большой вклад в развитие молекулярно-кинетической теории был сделан великим русским ученым М. В. Ломоносовым. Ломоносов рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества.
С помощью своей теории он дал вполне правильное в общих чертах объяснение явлений плавления, испарения и теплопроводности. Им был сделан вывод о существовании «наибольшей или последней степени холода», когда движение частичек вещества прекращается.
Ломоносов Михаил Васильевич (1711 — 1765) — великий русский ученый, энциклопедист, поэт и общественный деятель, основатель Московского университета, носящего его имя. Пушкин назвал М. В. Ломоносова «первым русским университетом». М. В. Ломоносову принадлежат выдающиеся труды по физике, химии, горному делу и металлургии. Он развил молекулярно-кинетическую теорию тепла, в его работах предвосхищены законы сохранения массы и энергии.
М. В. Ломоносов создал фундаментальные труды по истории русского народа, он является основоположником современной русской грамматики.
Однако трудности построения молекулярно-кинетической теории привели к тому, что окончательную победу она одержала лишь в начале XX в. Дело в том, что число молекул в макроскопических телах огромно и проследить за движением каждой молекулы невозможно. Необходимо научиться на основе законов движения отдельных молекул находить тот средний результат, к которому приводит их совокупное движение. Именно этот средний результат движения всех молекул определяет тепловые явления в макроскопических телах.
Термодинамика. Вещество обладает многими свойствами, которые можно изучать, не углубляясь в его строение. Тепловые явления можно описывать с помощью величин, регистрируемых такими приборами, как манометр и термометр, которые не реагируют на воздействие отдельных молекул.
В середине XIX в. после открытия закона сохранения энергии была построена первая научная теория тепловых процессов — Термодинамика. Термодинамика — это теория тепловых явлений, в которой не учитывается молекулярное строение тел. Она возникла при изучении оптимальных условий использования теплоты для совершения работы задолго до того, как молекулярно-кинетическая теория получила всеобщее признание.
Термодинамика и статистическая механика. В настоящее время в науке и в технике используют как термодинамику, так и молекулярно-кинетическую теорию, называемую также Статистической механикой. Эти теории взаимно дополняют друг друга.
Все содержание термодинамики заключается в нескольких утверждениях, называемых Законами термодинамики. Эти законы установлены опытным путем. Они справедливы для всех веществ, независимо от их внутреннего строения. Статистическая механика — более глубокая, но зато и более сложная теория тепловых явлений.
С ее помощью можно обосновать теоретически все законы термодинамики.
Вначале мы остановимся на основных положениях молекулярно-кинетической теории, известных нам частично из курса физики VI и VII классов. Затем познакомимся с количественной молекулярно-кинетической теорией простейшей системы — газа сравнительно небольшой плотности.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)