Конспект з тем: Властивості рідин та твердих тіл. Основи термодинаміки

                  Властивості рідин

Випаровування - перехід речовини з рідкого стану в газоподібний.

Конденсація - перехід речовини з газоподібного стану в рідкий. Випаровування залежить від:

Температури; наявності вітру; площі поверхні; виду речовини.

Кипіння - перехід речовини в бульбашко вий стан. Температура кипіння залишається постійною.

Насичений пар - пар, який знаходиться в динамічній рівновазі зі своєю,рідиною, а тиск який вона створює - тиском насиченої пари.

Збільшуючи тиск насиченої пари, ми зменшуємо температуру кипіння рідини.

Знижуючи зовнішній тиск, ми знижуємо температуру кипіння.

Критична   температура   -   температура,   при   якій   зникають розбіжності в фізичних властивостях між рідиною і насиченим паром.

Вологість повітря - вміст водяної пари в повітрі.

Парціальний тиск - тиск, який би створювала б водяна пара, якби не було інших газів.

Абсолютна вологість повітря - називається маса водяних парів, які утримуються в одному метрі кубічному повітря за даних умов ( його визначають по густині водяної пари в повітрі).

Відносною вологістю повітря - відношення абсолютної вологості, д тої кількості водяної пари, яка необхідна для насичення одного метр кубічного повітря при даній температурі. Відносну вологість вимірюють відсотках % , як відношення парціального тиску водяної пари, яка є повітрі при даній температурі, до тиску насиченої пари при тій самі температурі.

φ   -   відносна вологість повітря, вимірюється в %

Точка роси - температура, при якій водяний пар не насичуючий раніше повітря, стає - насичуючим.

Психометр Августа

                  Поверхневий натяг. Капілярні явища.

Капіляр - тонка трубка, по якій піднімається або опускається рідина.

Рідина вище піднімається в тонких капілярах.

Якщо рідина в'язка, вона піднімається вище в товстих капілярах.

Чим щільніший шар ґрунту (тонкі капіляри), тим більше вологості в ньому і тим більше з нього випаровування.

Про рідину, яка розпливається тонкою плівкою по твердому тілу, говорять, що вона змочує дане тверде тіло, а якщо стягується в краплю - вона не змочує це тіло.

Сила, яка визиває скорочення вільної поверхні рідини, називають силою поверхневого натягу.

          Властивості твердих тіл

Кристал - тверде тіло, атоми і молекули якого займають певне положення в просторі (дальній порядок).

Анізотропія кристалів - залежність фізичних властивостей від напрямків в середині кристала (неоднаковість в різних напрямках і співпадання в паралельних напрямках фізичних властивостей).

Кристали діляться:

Полікристали - тверді тіла, які складаються з великої кількості зросшихся один з одним, хаотично орієнтованих, маленьких кристалів -кристалітів.

Монокристали - мають геометрично правильну зовнішню форму, періодично повторювану по всьому об'єму.

Рідкі кристали - це рідини, з дальнім порядком в розташуванні атомів, тільки в одному напрямку.

Бувають рідкі кристали: біологічного походження (мозок людини, дезоксирибонуклеїнова кислота), хімічного походження (цифрова індикація калькуляторів, моніторів).

Механічні і термічні дії на них приводять до зміни їх кольору

Аморфні тіла - речовини, які мають тільки ближній порядок в розташуванні атомів (смоли, скло, віск, гума, пластмаси). По будові вони рідини тільки дуже в'язкі, мають властивість текучості, при короткочасних механічних діях мають властивість кристалів, не мають певної температури плавлення, вони стають в'язкі.

Деформації – зміна форми і об’єму тіла під дією зовнішньої сили.

Механічна напруга – відношення сили пружності до площі поперечного перерізу.

                                                  Закон Гука

При малих деформаціях напруга прямо пропорційна відносному видовженню.

 

Границя пропорційності – максимальна напруга, при якій ще виконується закон Гука.

Границя пружності – максимальна напруга, при якій ще не виникають помітні остаточні деформації.

Границя міцності – розрив або руйнування виробу, після досягнення максимального значення напруги.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклади розв’язування задач

1. Наведіть приклади на підтвердження того, що різні речови­ни випаровуються з різною швидкістю. (Наприклад, якщо крапнути на поверхню столу краплю води, ацетону та олії, то ацетон випаровується миттєво, вода повільніше і найбільш повільно — олія.)

2. Наведіть приклади на підтвердження того, що рідина випаро­вується швидше з поверхні рідини більшої площі. (Напри­клад, якщо налити чай однакового об'єму в чашку і блюдце, то в блюдці він охолоне швидше, на цьому факті і заснована старовинна традиція чаювання з блюдця.)

3. Поясніть, чому швидкість випаровування залежить від наяв­ності вітру над рідиною. Наведіть приклади. (Деякі молеку­ли, які покинули рідину під час випаровування, рухаючись хаотично і опинившись достатньо близько від поверхні ріди­ни, можуть бути втягнені знову в рідину силами притяган­ня великої кількості молекул поверхневого шару. Вітер же, утворений над рідиною, відносить молекули від поверхневого шару рідини. Наприклад, вийшовши з річки, людина відчу­ває прохолоду, оскільки з її тіла випаровуються краплі води.

За наявності вітру вода випаровується швидше, отже, темпе­ратура падає швидше і холод відчутніший.)

4. За якої температури випаде роса, якщо сухий і вологий тер­мометри психрометра показують 20 °С і 17 °С ?

5. Звичайна швацька голка має довжину 3,5 см і масу 0,1 г. Чи достатньо поверхневого натягу води для того, щоб утримувати голку на поверхні?

6. Знайдіть масу води, яка піднялась по капілярній трубці діа­метром 0,5 мм. Змочування повне.

7. Якою може бути площа поперечного перерізу сталевого троса, якщо він може утримувати ліфт масою 1,5 т, який може рухатися з прискоренням 1,4 м/с2 ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Завдання для самостійного виконання

4.1 Чому вода у відкритій посудині завжди має температуру, трохи нижчу, ніж температура навколишнього повітря?

4.2 Чи можна змусити воду кипіти за температури 30◦С?

4.3 Якщо дути на гарячий чай, він швидше охолоне. Чому?

4.4 Користуючись таблицею, визначити недостаючи елементи.

4.5 Як по зовнішньому вигляду визначити в бані трубу з холодною водою від труби з гарячою?

4.6 Сухий термометр психометра показує 16◦С, а вологий 8◦С. Відносна вологість, виміряна волосним гігрометром, дорівнює 30%. Чи правильні покази гігрометра?

4.7 Яке значення коефіцієнта поверхневого натягу води масою 1,9г, якщо крізь отвір піпетки діаметром 2мм, з цієї води утворилося 40 крапель.

4.8 Як пояснити походження приказки «Як з гуся вода»?

4.9 Спирт в трубці піднявся на 2см. Визначити радіус трубки.

4.10 Порівняти висоту підняття ртуті і спирту в капілярах рівного радіусу.

4.11 Вантаж масою 500кг висить на дроті діаметром поперечного перерізу 28мм. Визначити механічну напругу на тросі.

4.12 Чому дорівнює видовження латунного стрижня завдовжки 4м, що має площу перетину 0,4 см2, під дією сили 1кН?

4.13 Чому віконне скло в стародавніх соборах, які простояли більше 100 років, стають товщі внизу, ніж зверху?

4.14 Для чого раму велосипеда виготовляють з пустотілих трубок, а не з суцільних стрижнів?

4.15 Знайти механічну напругу, яка виникає в алюмінієвому тросі при його відносному видовженні 0,003.

4.16 З скількох мідних проволок діаметром 4мм повинен складатися трос, який розрахований на піднімання вантажу 100кг?

4.17  Що станеться з пляшкою з молоком, якщо винести її на мороз.

4.18 З якого боку вікна утворюється морозний візерунок.

4.19 Кип’ятком чи холодною водою краще загасити багаття.

4.20 Чому в мороз сніг хрустить під ногами.

 

 

 

 

Основи термодинаміки

Термодинамічна система — це будь-яка система, яка склада­ється з великої кількості частинок — атомів, молекул, йонів та електронів, які здійснюють тепловий хаотичний рух та під час взаємодії обмінюються енергією.

Якщо тіла системи взаємодіють тільки між собою, то така система називається ізольованою (замкненою). Стан термодинаміч­ної системи зумовлюється температурою, об'ємом та зовнішнім тиском.

1. Внутрішня енергія

Внутрішня енергія макроскопічного тіла дорівнює сумі кінетич­них енергій безладного руху всіх молекул (або атомів) та потенці­альних енергій взаємодії молекул (або атомів) між собою.

Внутрішня енергія іде­ального газу дорівнює тільки сумі кінетичних енергій безладного руху всіх молекул (або атомів), з яких він складається.

Для ідеального газу внутрішня енергія визначається за фор­мулою

де U — внутрішня енергія, m — маса газу, і - число ступенів свободи молекул.

     Число ступенів свободи — це число незалежних величин, за допомогою яких може бути задано положення тіла або частинки. Для одноатомного газу і = 3 , двохатомного і = 5 , трьохатом­ного і = 6 і т. д.

Способи зміни внутрішньої енергії: 1) теплопередача; 2) здій­снення роботи над тілом чи самим тілом.

2. Робота в термодинаміці

Робота ідеального газу при ізобарному нагріванні газу є до­бутком тиску газу на зміну його об'єму:

А[Дж] – робота газу

 

^V=A/p [м3] – зміна об’єму

V1 = V2 – A/p – початковий об’єм газу

V2 = V1 + A/p – кінцевий об’єм газу

P = A/^V = A/( V2 – V1) – тиск газу

3. Кількість теплоти. Питома теплота

Теплопередачею або теплообміном називається процес передачі енергії від одного тіла до іншого без здійснення роботи.

Способи теплопередачі: 1) теплопровідність, 2) конвекція, 3) випромінювання.

Теплопровідність — вид теплопередачі, під час якої переда­вання внутрішньої енергії від одних тіл до інших відбувається при їх безпосередньому контакті та зумовлена взаємодією атомів і молекул.

Конвекція — вид теплопередачі, при якій внутрішня енергія від одних тіл до інших передається рухомими струменями рідини чи газу.

Випромінювання — це передача тепла за допомогою електро­магнітних хвиль (світлового потоку).

У процесі теплообміну одні тіла віддають, а інші отримують деяку кількість теплоти. Кількість теплоти позначається симво­лом Q.

Кількість теплоти — це та частина внутрішньої енергії, яку тіло втрачає чи отримує при теплопередачі.

Кількість теплоти — це скалярна величина, у СІ вимірюється в джоулях (Дж).

У ході теплообміну не відбувається перетворення енергії з од­нієї форми в іншу: частина внутрішньої енергії гарячого тіла передається холодному; теплообмін припиняється, як тільки їхні температури зрівнюються.

Теплообмін у замкненій системі описується рівнянням тепло­вого балансу:

 — сумарна кількість теплоти відповідно одер­жана тілом та віддана тілом при теплообміні.

Q = +- cm(T2 – T1) – кількість нагрівання або охолодження

с(Дж/кгК) – питома теплоємність речовини – кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання 1кг речовини на 1К

Q = +-Лm – кількість теплоти плавлення або кристалізації

Л(Дж/кг) – питома теплота плавлення – фізична величина, що дорівнює кількості теплоти, яка потрібна для перетворення 1кг кристалічної речовини, за температури плавлення, на рідину тієї самої температури

Q = +-Lm – кількість теплоти пароутворення або конденсації

L(Дж/кг) - питома теплота пароутворення – фізична величина, що дорівнює кількості теплоти, яка потрібна для перетворення 1кг рідини на пару, за постійної температури

Q = +-qm – кількість теплоти згорання палива

q(Дж/кг) – питома теплота згоряння палива

4. Перший закон термодинаміки

Закон збереження і перетворення енергії, поширений на теплові явища, називається першим законом термодинаміки.

Зміна внутрішньої енергії ^U при переході з одного її стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил А та кількості те­плоти Q, переданої системі:

Якщо система сама виконує роботу над зовнішніми тіла­ми, то перший закон термодинаміки можна сформулювати так:

кількість теплоти Q, передана системі, витрачається на зміну ЇЇ внутрішньої енергії ^U і на здійснення системою роботи над зовнішніми силами А’

Адіабатним називається процес, який відбувається в термоди­намічній системі без теплообміну з навколишнім середовищем.

 

 

 

 Застосування першого закону термодинаміки для різних процесів у ідеальному газі

5. Теплові двигуни. ККД теплових двигунів

Тепловий двигун — машина, що перетворює внутрішню енер­гію палива в механічну енергію.

Зазначене перетворення відбувається в два етани:

1. під час згоряння палива хімічна енергія перетворюється на кінетичну енергію хаотичного руху молекул, при цьому нагрівається деяка маса газу;
2. газ розширюється, виконуючи роботу, при цьому він охоло­джується, тобто кінетична енергія молекул перетворюється на механічну енергію.

Тепловий двигун має працювати циклічно. Після того як газ, виконавши роботу, розширився, його необхідно стиснути до попереднього об'єму, щоб він міг виконати роботу в наступному циклі.

Тепловий двигун складається з трьох основних частин (рис. 1): нагрівача (Т1) — джерело внутрішньої енергії; робочого тіла (газ чи пара), що виконує механічну роботу за рахунок внутрішньої енергії, отриманої від нагрівника; холодильника (Т₂<Т₁), що забезпечує природний процес передачі тепла від більш нагрітого тіла до менш нагрітого (холодильником може бути навколишнє середовище).

Ефективність теплового двигуна тим вища, чим більш ко­рисну роботу А він отримує за тієї ж самої кількості теплоти Q, отриманої від нагрівника.

Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відно­шення корисної роботи, виконаної двигуном, до кількості тепло­ти, отриманої від нагрівника:

де Q₁ — кількість теплоти, отримана від нагрівника;

Q1 = Q₂ / (1- ККД/100%)

Q₂ — кількість теплоти, передана холодильнику.

Q2 = Q₁ х (1- ККД/100%)

Виходячи з цього, коефіцієнт корисної дії (ККД) завжди мен­ший за 100%, отже, перетворити на механічну роботу можна лише частину кількості теплоти, отриману від нагрівника.

Від чого залежить ККД теплового двигуна, який може мати максимальний ККД, дослідив французький вчений С. Карно. Він довів, що максимальний ККД має так звана «ідеальна ма­шина», під час роботи якої не контактують тіла із різною темпе­ратурою. Під час роботи такої машини виконується цикл Карно (рис. 2), у якому робоче тіло отримує від нагрівника деяку кіль­кість теплоти за температури» що дорівнює температурі нагрів­ника; адіабатно розширюється, охолоджуючись до температури холодильника; віддає холодильникові деяку кількість теплоти за температури, що дорівнює температурі холодильника.; адіабатно стискається, нагріваючись до температури нагрівника.

Т1 = Т₂ / (1- ККД/100%) – температура нагрівника

Т2 = Т₁ х (1- ККД/100%) – температура холодильника

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклади розв’язування задач

1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Повітря знаходиться під тиском 100000Па і займає об’єм 0,6 м3. Яка робота виконана при зменшенні об’єму до 0,2м3.

3. Газ під тиском 200000Па виконує роботу 0,2 кДж. Визначити початковий об’єм газу, якщо кінцевий дорівнює 2,5•10-3м3.

 

4. Газ можна перевести зі стану А у стан В двома способа­ми (рис. 1, а). У якому з випадків виковується більша ро­бота?

(Робота газу чисельно дорівнює площі фігури, обмеженої гра­фіком залежності р від V, віссю V і ординатами початкового і кінцевого стану газу. Виходячи з цього у випадку І викону­ється більша робота (рис. 1, б).

р|

 

 

 

 

 

 

                   а                                   б                                   в

                                                     Рис. 1

5. Яку масу спирту потрібно спалити, щоб нагріти 2 кг води від 14 до 50◦С, якщо вся теплота, що виділяється внаслідок згоряння спирту, піде на нагрівання води?

6. Яка кількість теплоти необхідна для того, щоб перетворити у водяну пару лід масою 2 кг, взятий при 0 °С ?

7. Як зміниться температура повітря у кімнаті, якщо відчинити дверцята холодильника, Який працює?

(Тепло, яке віддають тіла, що знаходяться всередині холо­дильної камери, передається повітрю в кімнаті. Енергія, яку споживає Холодильник із мережі, також перетворюється у вну­трішню. Відкритий холодильник буде працювати, не вимикаю­чись, кількість спожитої електроенергії зросте. Внаслідок цього середня температура в кімнаті підвищиться. При цьому в різних місцях кімнати вона буде різною — біля розкритої дверці нижча, ніж біля задньої стінки холодильника, де розташовано теплооб­мінник і відбувається виділення тепла).

8. ККД двигуна внутрішнього згоряння становить 28 % при температурі згоряння 927*0, температура відхідних газів 447 °С. На скільки ККД двигуна менший від ККД ідеальної машини?

9. Яку середню потужність розвиває двигун внутрішнього згоряння мотоцикла, якщо при швидкості 108 км/год витра­чається 3,7 л бензину на 100км шляху, а ККД установки двигуна 25 % ? Густина бензину 700кг/м3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Завдання для самостійного виконання

5.1 Газ, тиск якого дорівнює 1000Па, ізобарично розширюється, змінюючи свій об’єм від 1 до 3м3. Яку роботу він при цьому виконує?

5.2 Визначити внутрішню гелію, що заповнює аеростат об’ємом 60м3 при тискові 100кПа.

5.3 Газ, який займає певний об’єм під тиском 120кПа, ізобарно розширюючись, здійснив роботу 1,8кДж. Визначте початковий об’єм газу, якщо після розширення його об’єм став 45л.

5.4 Азот масою 280г був нагрітий при постійному тиску на 100◦С. Визначити роботу розширення.

5.5 В посудині знаходиться неон масою 1,25кг. При нагріванні його температура змінилася на 4◦С. Визначити зміну внутрішньої енергії неону.

5.6 На скільки змінилась внутрішня енергія газу, який виконав роботу 100кДж, одержавши кількість теплоти 135кДж?

5.7 Для ізобарного нагрівання газу, кількість речовини якого 800 моль, на 500К йому надали кількість теплоти 9,4МДж. Визначити роботу газу і збільшення його внутрішньої енергії.

5.8 Яка маса льоду, взятого при температурі 0°С , розпла­виться, якщо йому передати кількість теплоти, яка виді­литься під час конденсації 8 кг водяної пари при 100 °С і нормальному тиску?

5.9 Записати перший закон термодинаміки для кожного ви­падку:

а) нагріте тіло занурюють у холодну воду, яка міститься в калориметрі;

б) молоток нагрівається внаслідок удару об колоду;

в) вода в чайнику нагрівається на газовій плиті;

г) газ у посудині ізобарно охолоджується.

5.10 Газ, який займає об'єм 460 л за температури 280 К, нагрі­ли до 295 К. Знайти роботу, виконану газом, якщо тиск не змінювався і дорівнював 999кПа.

5.11 Яка маса льоду, взятого при температурі 0°С, розпла­виться, якщо йому передати кількість теплоти, необхідну для нагрівання води масою 10 кг від 10 до 100°С?

5.12 Записати перший закон термодинаміки для кожного ви­падку:

а) в гарячу воду, яка міститься в калориметрі, опускають холодне тіло;

б) газ у посудині ізобарно нагрівається.

5.13 Газ, який займає об'єм 100 л за температури 10 °С, нагрі­ли до 25 °С. Знайти роботу, виконану газом, якщо тиск не змінювався і дорівнював 1000кПа.

5.14 Який ККД ідеальної теплової машини, якщо температура нагрі­вника дорівнює 140 °С, а температура холодильника 17 °С?

5.15 ККД ідеального теплового двигуна 40%. Газ одержав від нагрі­вача 5 кДж теплоти. Яка кількість теплоти віддана холодильни­ку?

5.16 Температура нагрівача теплової машини 150 °С, а холодильника 25°С; машина одержала від нагрівача 4 • 104 Дж енергії. Наскільки велика робота, виконана машиною?

5.17 В ідеальній тепловій машині, ККД якої 30%, газ одержав від нагрів 10 кДж теплоти. Яка температура нагрівача, якщо температура холодильника 20 °С? Скільки джоулів теплоти ма­шина віддала холодильнику?

5.18 Двигун моторолера розвиває потужність 3,31 кВт при швидкості 58 км/год. Скільки кілометрів подолає моторолер, витрачаючи 3,2 л бензину, якщо ККД двигуна 20%?

5.19 Автомобіль рухається зі швидкістю 72 км/год. Потужність дви­гуна 600 кВт, його ККД дорівнює 30%. Визначити витрату бен­зину на 1 км шляху.

5.20 Газ здійснює цикл Карно. Абсолютна температура нагрівача втричі вища абсолютної температури холодильника. Визначити частку теплоти, яка віддається холодильнику.