Элементы физической кинетики презентация

Содержание


Презентации» Физика» Элементы физической кинетики
Сегодня Saturday, August 5, 2017Тема 3. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ
 3.1. Явления переноса в газах
 3.2.Под идеальным газом мы будем понимать газ, для которого:  1.3. Температура и средняя кинетическая энергия теплового  движения молекул
 Именно средняя кинетическая энергия атомов и молекул служит характеристикой системы вЧтобы связать энергию с температурой, Больцман  ввел коэффициент пропор- циональностиВеличину T называют абсолютной темпе-ратурой и измеряют в градусах Кельвина (К).Тогда    следовательно,      Так как температура определяется средней энергией движения молекул, то она, какОсновное уравнение молекулярно-кинетической теории можно записать по другому.  Так какВ физике и технике за абсолютную шкалу температур принята шкала Кельвина,3.1. Явления переноса в газах
    	Из прошлых лекцийРассмотрим некоторые явления, происходящие в газах. 	Распространение молекул примеси в газеСвязанный с этим движением перенос вещества обусловлен диффузией. 	Диффузионный поток будетЕсли какое либо тело движется в газе, то оно сталкивается сЭто явление носит название внутреннее трение или вязкость газа, причём силаЕсли в соседних слоях газа создана и поддерживается разность температур, тоназывается теплопроводностью.  	Поток тепла пропорционален градиенту температуры:В состоянии равновесия в среде, содержащей заряженные частицы, потенциал электрического поляСвязанный с этим движением перенос электрического заряда называется электропроводностью, а самоВ процессе диффузии, при тепло и электропроводности происходит перенос вещества, а3.2. Число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул в газах
Расстояние, проходимое молекулой в среднем без столкновений, называется средней длиной свободногоМодель идеального газа – твёрдые шарики одного диаметра, взаимодействую-щие между собойЗа одну секунду молекула проходит путь, равный средней арифметической скорости Подсчитаем число столкновений ν. Вероятность столкновения трех и более молекул бесконечноНа самом деле, все молекулы движутся (и в сторону и навстречуИз уравнения состояния идеального газа выразим n через давление P иТаким образом, при заданной температуре, средняя длина свободного пробега обратно пропорциональна3.3. Диффузия газов
      Диффузия от латинскогоДиффузия имеет место в газах, жидкостях и твердых телах.  	НаиболееОбозначим:          Из уравнения Фика видно, что диффузионный поток, направлен в сторону уменьшенияМолекулы участвуют в тепловом движении, они будут переходить из слоя вСила, действующая на единицу площади поверхности, разделяющей два соседних слоя газа:Физический смысл коэффициента вязкости η в том, что он численно равен3.5. Теплопроводность газов
  		Учение о теплопроводности начало развиваться в XVIIIили 		         υТ – тепловая скорость молекул;      3.6. Уравнения и коэффициенты переноса
 	Сопоставим уравнения переноса
   или          Все эти законы были установлены опытно, задолго до обоснования молекулярно-кинетической теорией.Однако к концу XIX века, несмотря на блестящие успехи молекулярно-кинетической теорииНо это конечно не так. Все выше указанные коэффициенты связаны междуЗависимость коэффициентов переноса от давления Р
   	Так как скоростьС ростом давления λ уменьшается и затрудняется диффузия (  Молекулярное течение. Эффузия газов 
     Молекулярное течениеВ вакууме происходит передача импульса непосредственно стенкам сосуда, то есть, происходитКак при молекулярном течении, так и при эффузии, количество протекающего в3.7. Понятие о вакууме
   		Газ называется разреженным, если егоПлотный воздух
 Плотный воздухСвойства разряженных газов отличаются от свойств неразряженных газов. Это видно изЕсли из сосуда откачивать газ, то по мере понижения давления числоВопросы создания вакуума имеют большое значение в технике, так как например,



Слайды и текст этой презентации
Слайд 1
Описание слайда:
Сегодня Saturday, August 5, 2017


Слайд 2
Описание слайда:

Слайд 3
Описание слайда:
Тема 3. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ 3.1. Явления переноса в газах 3.2. Число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул в газах 3.3. Диффузия газов 3.4. Внутреннее трение. Вязкость газов 3.5. Теплопроводность газов 3.6. Коэффициенты переноса и их зависимость от давления 3.7. Понятие о вакууме

Слайд 4
Описание слайда:
Под идеальным газом мы будем понимать газ, для которого: 1) радиус взаимодействия двух молекул много меньше среднего расстояния между ними (молекулы взаимодействуют только при столкновении); 2) столкновения молекул между собой и со стенками сосуда – абсолютно упругие (выполняются законы сохранения энергии и импульса); 3) объем всех молекул газа много меньше объема, занятого газом.

Слайд 5
Описание слайда:
1.3. Температура и средняя кинетическая энергия теплового движения молекул Из опыта известно, что если привести в соприкосновение два тела: горячее и холодное, то через некоторое время их температуры выровняются. Что перешло от одного тела к другому? Раньше, во времена Ломоносова и Лавуазье считали, что носителем тепла является некоторая жидкость – теплород. На самом деле – ничего не переходит, только изменяется средняя кинетическая энергия – энергия движения молекул, из которых состоят эти тела.

Слайд 6
Описание слайда:
Именно средняя кинетическая энергия атомов и молекул служит характеристикой системы в состоянии равновесия. Это свойство позволяет определить параметр состояния, выравнивающийся у всех тел, контактирующих между собой, как величину, пропорциональную средней кинетической энергии частиц в сосуде.

Слайд 7
Описание слайда:
Чтобы связать энергию с температурой, Больцман ввел коэффициент пропор- циональности k, который впоследствии был назван его именем: где k – постоянная Больцмана k = 1,38·1023 Дж·К1.

Слайд 8
Описание слайда:
Величину T называют абсолютной темпе-ратурой и измеряют в градусах Кельвина (К). Она служит мерой кинетической энергии теплового движения частиц идеального газа. Из (1.3.1) получим: Формула (1.3.2) применима для расчетов на одну молекулу идеального газа. Обозначим где R – универсальная газовая постоянная:

Слайд 9
Описание слайда:
Тогда следовательно, (1.3.3) – это формула для молярной массы газа.

Слайд 10
Описание слайда:
Так как температура определяется средней энергией движения молекул, то она, как и давление, является статистической величиной, то есть параметром, проявляющимся в результате совокупного действия огромного числа молекул. Поэтому не говорят: «температура одной молекулы», нужно сказать: «энергия одной молекулы, но температура газа».

Слайд 11
Описание слайда:
Основное уравнение молекулярно-кинетической теории можно записать по другому. Так как Отсюда В таком виде основное уравнение молекулярно-кинетической теории употребляется чаще.

Слайд 12
Описание слайда:
В физике и технике за абсолютную шкалу температур принята шкала Кельвина, названная в честь знаменитого английского физика, лорда Кельвина. 1 К – одна из основных единиц системы СИ Кроме того, используются и другие шкалы: – шкала Фаренгейта (немецкий физик 1724 г.) – точка таянья льда 32F, точка кипения воды 212F. – шкала Цельсия (шведский физик 1842г.) – точка таянья льда 0С, точка кипения воды 100С. 0С = 273,15 К. На рис.1.5приведено сравнение разных темп. шкал.

Слайд 13
Описание слайда:
3.1. Явления переноса в газах Из прошлых лекций мы знаем, что молекулы в газе движутся со скоростью звука, с такой же скоростью движется пуля. Однако, находясь в противоположном конце комнаты, запах разлитой пахучей жидкости мы почувствуем через сравнительно большой промежуток времени. Это происходит потому, что молекулы движутся хаотически, сталкиваются друг с другом, траектория движения у них ломанная.

Слайд 14
Описание слайда:
Рассмотрим некоторые явления, происходящие в газах. Распространение молекул примеси в газе от источника называется диффузией. В состоянии равновесия температура Т и концентрация n во всех точках системы одинакова. При отклонении плотности от равновесного значения в некоторой части системы возникает движение компонент вещества в направлениях, приводящих к выравниванию концентрации по всему объему системы.

Слайд 15
Описание слайда:
Связанный с этим движением перенос вещества обусловлен диффузией. Диффузионный поток будет пропорционален градиенту концентрации:

Слайд 16
Описание слайда:
Если какое либо тело движется в газе, то оно сталкивается с молекулами газа и сообщает им импульс. С другой стороны, тело тоже будет испытывать соударения со стороны молекул, и получать собственный импульс, но направленный в противополож-ную сторону. Газ ускоряется, тело тормозиться, то есть, на тело действуют силы трения. Такая же сила трения будет действовать и между двумя соседними слоями газа, движущимися с разными скоростями.

Слайд 17
Описание слайда:
Это явление носит название внутреннее трение или вязкость газа, причём сила трения пропорциональна градиенту скорости: (3.1.1)

Слайд 18
Описание слайда:
Если в соседних слоях газа создана и поддерживается разность температур, то между ними будет происходить обмен тепла. Благодаря хаотическому движению, молекулы в соседних слоях будут перемешиваться и, их средние энергии будут выравниваться. Происходит перенос энергии от более нагретых слоев к более холодным.

Слайд 19
Описание слайда:
называется теплопроводностью. Поток тепла пропорционален градиенту температуры:

Слайд 20
Описание слайда:
В состоянии равновесия в среде, содержащей заряженные частицы, потенциал электрического поля в каждой точке соответствует минимуму энергии системы. При наложении внешнего электрического поля возникает неравновесное движение электрических зарядов в таком направлении, чтобы минимизировать энергию системы в новых условиях.

Слайд 21
Описание слайда:
Связанный с этим движением перенос электрического заряда называется электропроводностью, а само направленное движение зарядов  электрическим током.

Слайд 22
Описание слайда:
В процессе диффузии, при тепло и электропроводности происходит перенос вещества, а при внутреннем трении – перенос энергии. В основе этих явлений лежит один и тот же механизм – хаотическое движение молекул. Общность механизма, обуславливающего все эти явления переноса, приводит к тому, что их закономерности должны быть похожи друг на друга.

Слайд 23
Описание слайда:
3.2. Число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул в газах Обозначим – длина свободного пробега молекулы. Медленность явлений переноса, например диффузии ароматических веществ – «распространение запаха»,  при относительно высокой скорости теплового движения молекул ( ) объясняется столкновениями молекул.

Слайд 24
Описание слайда:
Расстояние, проходимое молекулой в среднем без столкновений, называется средней длиной свободного пробега: – средняя скорость теплового движения, – среднее время между двумя столкновениями. Именно  средняя длина свободного пробега, нас и интересует (рисунок 3.1).

Слайд 25
Описание слайда:

Слайд 26
Описание слайда:
Модель идеального газа – твёрдые шарики одного диаметра, взаимодействую-щие между собой только при столкновении. Обозначим σ – эффективное сечение молекулы – полное поперечное сечение рассеяния, характеризующее столкновение между двумя молекулами (рисунок 3.2).

Слайд 27
Описание слайда:

Слайд 28
Описание слайда:
За одну секунду молекула проходит путь, равный средней арифметической скорости За ту же секунду молекула претерпе-вает ν столкновений.

Слайд 29
Описание слайда:
Подсчитаем число столкновений ν. Вероятность столкновения трех и более молекул бесконечно мала. Предположим, что все молекулы застыли, кроме одной. Её траектория будет представлять собой ломаную линию. Столкновения будут только с теми молекулами, центры которых лежат внутри цилиндра радиусом d (рисунок 3.3).

Слайд 30
Описание слайда:

Слайд 31
Описание слайда:
На самом деле, все молекулы движутся (и в сторону и навстречу друг другу), поэтому число соударений определяется средней скоростью движения молекул относительно друг друга

Слайд 32
Описание слайда:
Из уравнения состояния идеального газа выразим n через давление P и температуру Т Так как , то есть тогда

Слайд 33
Описание слайда:
Таким образом, при заданной температуре, средняя длина свободного пробега обратно пропорциональна давлению Р: Например: d = 3 Å = 31010 м, Р = 1 атм., Т = 300 К, а, т.к столкновений.

Слайд 34
Описание слайда:
3.3. Диффузия газов Диффузия от латинского diffusio – распространение, растекание  взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга, вследствие теплового движения частиц вещества. Диффузия происходит в направлении уменьшения концентрации вещества и ведет к его равномерному распределению по занимаемому объему.

Слайд 35
Описание слайда:
Диффузия имеет место в газах, жидкостях и твердых телах. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях, еще медленнее в твердых телах, что обусловлено характером движения частиц в этих средах. Для газа диффузия – это распределение молекул примеси от источника (или взаимная диффузия газа).

Слайд 36
Описание слайда:
Обозначим: – коэффициент диффузии. Тогда диффузионный поток будет равен: (3.3.2) или в общем случае (в трёхмерной системе) (3.3.3) – уравнение Фика.

Слайд 37
Описание слайда:
Из уравнения Фика видно, что диффузионный поток, направлен в сторону уменьшения концентрации. При этом коэффициент диффузии D численно равен диффузионному потоку через единицу площади в единицу времени при Измеряется коэффициент диффузии D в м/с2.

Слайд 38
Описание слайда:
Молекулы участвуют в тепловом движении, они будут переходить из слоя в слой. При этом они будут переносить с собой добавочный импульс, который будет определяться молекулами того слоя, куда перешла молекула. Перемешивание молекул разных слоёв приводит к выравниванию дрейфовых скоростей разных слоёв, что и проявляется макроскопически как действие сил трения между слоями.

Слайд 39
Описание слайда:
Сила, действующая на единицу площади поверхности, разделяющей два соседних слоя газа: Или, в общем виде Это уравнение Ньютона. Здесь η – коэффициент вязкости: (3.4.3) где D – коэффициент диффузии; ρ – плотность газа

Слайд 40
Описание слайда:
Физический смысл коэффициента вязкости η в том, что он численно равен импульсу, переносимому в единицу времени через единицу площади при градиенте скорости равном единице.

Слайд 41
Описание слайда:
3.5. Теплопроводность газов Учение о теплопроводности начало развиваться в XVIII в. и получило свое завершение в работах французского ученого Ж. Фурье (1786 – 1830), опубликовавшего в 1822 г. книгу «Аналитическая теория теплоты».

Слайд 42
Описание слайда:
или (3.5.1) – уравнение теплопроводности Ж.Фурье. Здесь q – тепловой поток; χ – коэффициент теплопроводности, равный: или (3.5.2) (3.5.3)

Слайд 43
Описание слайда:
υТ – тепловая скорость молекул; – удельная теплоемкость при постоянном объеме. Найдем размерность коэффициента теплопроводности:

Слайд 44
Описание слайда:
3.6. Уравнения и коэффициенты переноса Сопоставим уравнения переноса Уравнение Фика для диффузии. Коэффициент диффузии

Слайд 45
Описание слайда:

Слайд 46
Описание слайда:
или Уравнение Фурье для теплопроводности. Коэффициент теплопроводности:

Слайд 47
Описание слайда:
Все эти законы были установлены опытно, задолго до обоснования молекулярно-кинетической теорией. Эта теория позволила установить, что внешнее сходство уравнений обусловлено общностью лежащих в их основе молекулярного механизма перемешивания молекул в процессе их теплового хаотического движения.

Слайд 48
Описание слайда:
Однако к концу XIX века, несмотря на блестящие успехи молекулярно-кинетической теории ей недоставало твёрдой опоры – прямых экспериментов, доказывающих существование атомов и молекул. Это дало возможность некоторым, философам, проповедовавшим субъективный идеализм заявлять, что схожесть формул – это произвол учёных, упрощённое математическое описание явлений.

Слайд 49
Описание слайда:
Но это конечно не так. Все выше указанные коэффициенты связаны между собой и все выводы молекулярно – кинетической теории подтверждены опытно.

Слайд 50
Описание слайда:
Зависимость коэффициентов переноса от давления Р Так как скорость теплового движения молекул и не зависит от давления Р, а коэффициент диффузии D ~ λ , то и зависимость D от Р должна быть подобна зависимости λ(Р). При обычных давлениях и в разряженных газах в высоком вакууме D = const.

Слайд 51
Описание слайда:
С ростом давления λ уменьшается и затрудняется диффузия ( ). В вакууме и при обычных давлениях отсюда, и С увеличением Р и ρ, повышается число молекул переносящих импульс из слоя в слой, но зато уменьшается расстояние свободного пробега λ. Поэтому, вязкость η и теплопроводность χ, при высоких давлениях, не зависят от Р (η и χ – const). Все эти результаты подтверждены экспериментально (Рис 3.7).

Слайд 52
Описание слайда:

Слайд 53
Описание слайда:
Молекулярное течение. Эффузия газов Молекулярное течение – течение газов в условиях вакуума, то есть когда молекулы не сталкиваются друг с другом.

Слайд 54
Описание слайда:
В вакууме происходит передача импульса непосредственно стенкам сосуда, то есть, происходит трение газа о стенки сосуда. Трение перестаёт быть внутренним, и понятие вязкости теряет свой прежний смысл (как трение одного слоя газа о другой).

Слайд 55
Описание слайда:
Как при молекулярном течении, так и при эффузии, количество протекающего в единицу времени газа обратно пропорционально корню квадратному из молярной массы: . Эту зависимость тоже широко используют в технике, например – для разделения изотопов газа U235 (отделяют от U238, используя газ UF6).

Слайд 56
Описание слайда:
3.7. Понятие о вакууме Газ называется разреженным, если его плотность столь мала, что средняя длина свободного пробега молекул может быть сравнима с линейными размерами l сосуда, в котором находится газ. Такое состояние газа называется вакуумом. Различают следующие степени вакуума: сверхвысокий ( ), высокий ( ), средний ( ) и низкий вакуум.

Слайд 57
Описание слайда:
Плотный воздух Плотный воздух

Слайд 58
Описание слайда:
Свойства разряженных газов отличаются от свойств неразряженных газов. Это видно из таблицы, где приведены некоторые характеристики различных степеней вакуума.

Слайд 59
Описание слайда:

Слайд 60
Описание слайда:
Если из сосуда откачивать газ, то по мере понижения давления число столкновений молекул друг с другом уменьшается, что приводит к увеличению их длины свободного пробега. При достаточно большом разрежении столкновения между молекулами относительно редки, поэтому основную роль играют столкновения молекул со стенками сосуда.

Слайд 61
Описание слайда:
Вопросы создания вакуума имеют большое значение в технике, так как например, во многих современных электронных приборах используются электронные пучки, формирование которых возможно лишь в условиях вакуума. Для получения различных степеней разряжения применяются вакуумные насосы, позволяющие получить предварительное разряжение (форвакуум) до ≈ 0,13 Па, а также вакуумные насосы и лабораторные приспособления, позволяющие получить давление до 13,3 мкПа – 1, 33 пПа (10–7 – 10–14 мм рт.ст.).

Слайд 62
Описание слайда:


Скачать презентацию на тему Элементы физической кинетики можно ниже:

Похожие презентации