Conocimiento térmico de fórmulas físicas comúnmente utilizadas en las escuelas secundarias
Seis puntos de conocimiento térmico que a menudo se prueban
Primero, la teoría del movimiento molecular
1. La materia está compuesta por una gran cantidad de moléculas.
2 Las moléculas experimentan movimientos térmicos aleatorios sin fin.
(1) Hechos experimentales de que las moléculas nunca dejan de realizar movimientos térmicos aleatorios: fenómeno de difusión y movimiento browniano.
(2) Movimiento browniano
El movimiento browniano es el movimiento irregular de partículas sólidas suspendidas en un líquido (o gas). El movimiento browniano no es el movimiento de las moléculas en sí, sino que refleja indirectamente el movimiento irregular de las moléculas de líquido (gas).
(3) La línea de puntos dibujada en el experimento no es la trayectoria real del movimiento de las partículas.
Debido a que cada línea de puntos en la figura es una línea que conecta las posiciones de las partículas observadas cada 30 segundos, incluso dentro de estos cortos 30 segundos, el movimiento de las partículas pequeñas es extremadamente irregular.
(4) La causa del movimiento browniano
Cuando una gran cantidad de moléculas de líquido (o gas) se mueven de forma interminable e irregular, el impacto desequilibrado sobre las partículas suspendidas es la causa del movimiento browniano. . En resumen, el movimiento aleatorio interminable de las moléculas de líquido (o gas) es la causa del movimiento browniano.
(5) Factores que afectan la intensidad del movimiento browniano
Cuanto más pequeñas son las partículas sólidas, mayor es la temperatura, más irregular es el movimiento de las moléculas líquidas alrededor de las partículas sólidas y el Cuanto más desequilibradas son las colisiones de partículas, más intenso es el movimiento browniano.
(6) Las partículas capaces de realizar movimiento browniano en líquidos (o gases) son muy pequeñas, generalmente del orden de 10 a 6 m, y no pueden verse a simple vista, por lo que se debe utilizar un microscopio.
3. Hay interacciones entre moléculas.
(1) La atracción y la repulsión entre moléculas existen al mismo tiempo. La fuerza molecular real es la fuerza resultante de atracción y repulsión entre moléculas.
La atracción y repulsión entre moléculas sólo están relacionadas con la distancia (posición relativa) entre las moléculas y no tienen nada que ver con el estado de movimiento de las moléculas.
(2) La atracción y la repulsión entre moléculas disminuyen a medida que aumenta la distancia r entre moléculas y aumentan a medida que disminuye la distancia r entre moléculas, pero la repulsión cambia más rápido que la atracción.
(3) La relación entre la fuerza molecular f y la distancia r se muestra en la siguiente figura.
4. Energía interna de un objeto
(1) La energía cinética de las moléculas que experimentan movimiento térmico se llama energía cinética molecular. La temperatura es un signo de la energía cinética promedio del movimiento térmico de las moléculas de un objeto.
(2) La energía potencial determinada por las posiciones relativas entre las moléculas se llama energía potencial molecular. Cuando la fuerza molecular hace un trabajo positivo, la energía potencial molecular disminuye; cuando la fuerza molecular es negativa, la energía potencial molecular aumenta. Cuando r = r0, la energía potencial molecular es mínima. Ya sea que R aumente o disminuya a partir de r0, la energía potencial molecular aumenta. Si la energía potencial molecular es cero cuando la distancia entre las moléculas es infinita, la imagen de la energía potencial molecular que cambia con la distancia entre las moléculas se muestra en la figura anterior.
(3) La suma de la energía cinética y la energía potencial molecular de todas las moléculas que experimentan movimiento térmico en un objeto se llama energía interna del objeto. La energía interna de un objeto está relacionada con la temperatura, el volumen y la cantidad del objeto, mientras que la energía interna de un gas ideal con masa fija solo está relacionada con la temperatura.
(4) Energía interna y energía mecánica: Las formas de movimiento son diferentes. La energía interna corresponde al movimiento térmico de las moléculas y la energía mecánica corresponde al movimiento mecánico de los objetos. La energía interna y la energía mecánica de un objeto se pueden convertir entre sí bajo ciertas condiciones.
Segundo, sólido
1. Cristal y amorfo
(1) Desde la apariencia, el cristal tiene una forma geométrica definida, mientras que los amorfos no la tienen. .
(2) En términos de propiedades físicas, los cristales son anisotrópicos, mientras que los materiales amorfos son isotrópicos.
(3) Los cristales tienen un punto de fusión definido, mientras que los cristales amorfos no tienen un punto de fusión definido.
(4) Los estados cristalino y amorfo no son absolutos y pueden transformarse entre sí bajo ciertas condiciones. Por ejemplo, si se calienta y funde azufre cristalino (la temperatura no supera los 300 °C) y luego se vierte en agua fría, se convertirá en azufre amorfo blando, que se convertirá en azufre cristalino con el tiempo.
2. Policristalino y monocristal
Las partículas monocristalinas son monocristales, y los monocristales que están desordenados entre sí son policristales. Los policristales son isotrópicos.
3. Anisotropía de cristales y su explicación microscópica.
Físicamente, los cristales son anisotrópicos, mientras que los amorfos son isotrópicos.
En términos generales, las propiedades físicas incluyen elasticidad, dureza, conductividad térmica, conductividad eléctrica, fotorrefracción, etc. La anisotropía de un cristal significa que las propiedades físicas del cristal son diferentes en diferentes direcciones. Es decir, cuando las propiedades físicas del cristal se prueban en diferentes direcciones, los resultados de la medición son diferentes. Cabe señalar que los cristales son anisotrópicos, lo que no significa que todos los cristales puedan presentar anisotropía en todas las propiedades físicas. La regularidad de la estructura interna del cristal y las diferentes disposiciones de las partículas materiales en diferentes direcciones conducen a la anisotropía del cristal.
En tercer lugar, el líquido
1. Microestructura y propiedades físicas del líquido
Desde una perspectiva macro
Porque el medio líquido entre gases y Los sólidos, los líquidos tienen un volumen determinado al igual que los sólidos y no se comprimen fácilmente, mientras que los gases no tienen forma ni fluidez.
(2) Desde una perspectiva microscópica, tiene las siguientes características.
(1) Las moléculas líquidas están densamente empaquetadas y el volumen no se comprime fácilmente.
② La distancia molecular es cercana a la de las moléculas sólidas y la fuerza de interacción es grande;
(3) Las moléculas líquidas se organizan regularmente en un área pequeña. Esta pequeña área se forma temporalmente. Los límites y el tamaño cambian en cualquier momento y la disposición es desordenada, por lo que el líquido es isotrópico. /p>
(4) Calor de las moléculas líquidas Aunque su movimiento es similar al de las moléculas sólidas, no tienen una posición de equilibrio fija a largo plazo y pueden moverse en líquidos, por lo que exhiben fluidez y se propagan más rápido que los sólidos. moléculas.
2. Tensión superficial del líquido
Si trazas una línea arbitrariamente sobre la superficie del líquido, la fuerza entre los líquidos a ambos lados de la línea es la gravedad. para hacer que la superficie del líquido sea firme, por eso se llama tensión superficial de un líquido.
Recordatorio especial:
La tensión superficial de (1) hace que el líquido se encoja automáticamente. La superficie de un líquido tiende a contraerse al mínimo debido a la tensión superficial, que es tangencial a la superficie del líquido.
(2) La razón para la formación de tensión superficial es que la distancia entre las moléculas en la capa superficial (la capa delgada donde el líquido entra en contacto con el aire) es grande y la interacción entre las moléculas se expresa como atracción.
(3) La tensión superficial no sólo está relacionada con la longitud de la línea límite, sino también con el tipo y temperatura del líquido.
Cuarto, cristal líquido
Propiedades físicas del cristal líquido
El cristal líquido tiene la fluidez del líquido y la anisotropía óptica del cristal.
2. Características de disposición de las moléculas de cristal líquido
La posición desordenada de las moléculas de cristal líquido hace que parezcan líquidos, pero su disposición ordenada las hace parecer cristales.
3. Las propiedades ópticas de los cristales líquidos responden rápidamente a los cambios de las condiciones externas.
La disposición de las moléculas de cristal líquido es inestable. Las condiciones externas y los ligeros cambios provocarán cambios en la disposición de las moléculas de cristal líquido, cambiando así algunas propiedades del cristal líquido, como la temperatura, la presión, la fricción y los efectos electromagnéticos. Las diferencias en la superficie del recipiente, etc., pueden cambiar las propiedades ópticas del cristal líquido.
Por ejemplo, en la pantalla de una calculadora, el cristal líquido cambia de un estado transparente a un estado turbio cuando se le aplica un voltaje.
Verbo (abreviatura del verbo) gas
1. Parámetros del estado del gas
(1) Temperatura: La temperatura representa el grado de frialdad o calor de un objeto macroscópicamente. ; microscópicamente es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas.
La temperatura termodinámica es una de las cantidades básicas del Sistema Internacional de Unidades, con el símbolo T y la unidad K (la temperatura Kelvin es una unidad derivada, el símbolo T, la unidad es grados Celsius); (Celsius). La relación es t=T-T0, donde T0=273,15K. La relación entre las dos temperaturas se puede expresar como: T = t+273.15K y? T=? t, cabe señalar que el intervalo de cada grado es el mismo en los dos sistemas de unidades.
0K es el límite de baja temperatura, lo que significa que todas las moléculas han detenido el movimiento térmico. Puedes acercarte infinitamente, pero nunca podrás alcanzarlo.
Curva de distribución de velocidades de las moléculas de gas;
La imagen muestra el porcentaje de moléculas de gas con diferentes velocidades sobre el número total de moléculas. El área debajo de la imagen se puede expresar como el número total de moléculas.
Características: A la misma temperatura, las moléculas siempre muestran la distribución característica de "más en el medio y menos en ambos extremos", es decir, las moléculas con velocidad media representan la mayor proporción, y las moléculas con velocidad extremadamente la velocidad alta y la velocidad extremadamente pequeña representan proporciones relativas; cuanto mayor es la temperatura, más moléculas de alta velocidad hay cuando el valor de velocidad correspondiente al valor máximo de la curva se mueve en la dirección de velocidad creciente; se ensancha, la altura disminuirá y se volverá plano.
(2) Volumen: El gas siempre llena el recipiente en el que se encuentra, por lo que el volumen del gas siempre es igual al volumen del recipiente que contiene el gas.
(3) Presión: La presión del gas se genera por la colisión frecuente de un gran número de moléculas de gas con la pared.
(4) El significado microscópico de la presión del gas: una gran cantidad de moléculas de gas con movimiento térmico irregular chocan con la pared de forma frecuente y continua, generando presión de gas. El impulso de una pared de colisionador de una sola molécula es de corta duración, pero las colisiones frecuentes de un gran número de moléculas con la pared producirán una presión continua y uniforme sobre la pared. Entonces, desde la perspectiva de la teoría de la dinámica molecular, la presión de un gas es la fuerza promedio ejercida por una gran cantidad de moléculas de gas sobre la pared por unidad de área.
(5) Factores que determinan la presión del gas:
①Factores microscópicos: la presión del gas está determinada por la densidad y la energía cinética promedio de las moléculas del gas;
A. Moléculas de gas Cuanto mayor es la densidad (es decir, el número de moléculas de gas por unidad de volumen), más moléculas chocan con la pared por unidad de área por unidad de tiempo;
A medida que aumenta la temperatura del gas, la la energía cinética promedio de las moléculas de gas aumenta A medida que aumenta la velocidad, el impacto de cada molécula de gas en la pared (que puede considerarse como un impacto elástico) es mayor, por otro lado, cuanto mayor es la velocidad promedio de las moléculas de gas, cuantas más veces golpean la pared por unidad de tiempo, mayor es el impulso acumulativo.
② Factores macroscópicos: El volumen del gas aumenta y la densidad molecular disminuye. En este caso, si la temperatura permanece sin cambios, la presión del gas disminuye; si la temperatura disminuye, la presión del gas disminuye aún más, si la temperatura aumenta, la presión del gas puede permanecer igual o cambiar, dependiendo del cambio de volumen y de temperatura; .Cuál de los dos factores es dominante.
2. Ley experimental de los gases
3. Explicación microscópica de la ley experimental de los gases
(1) Explicación microscópica de la ley de Boyle
En Para una determinada masa de gas ideal, el número total de moléculas es cierto. Cuando la temperatura permanece sin cambios, la energía cinética promedio de las moléculas permanece sin cambios, el volumen del gas se reduce a una fracción de su tamaño original, la densidad del gas aumenta varias veces, por lo que la presión aumenta varias veces y viceversa. viceversa, entonces la presión del gas es inversamente proporcional al volumen.
(2) Explicación microscópica de la Ley de Charles.
Una cierta masa de gas ideal significa que el número total de moléculas n del gas no cambia; cuando el volumen del gas v no cambia, el número de moléculas en la unidad de volumen no cambia; El aumento de la temperatura del gas significa que el número promedio de moléculas. A medida que aumenta la energía cinética, el número de colisiones entre moléculas por unidad de área y la pared aumenta por unidad de tiempo, y el impulso promedio generado por cada colisión con la pared aumenta, por lo que el gas La presión P aumentará.
(3) ¿Cubierta? Interpretación microscópica de la ley de Lussac
Para un gas ideal de cierta masa, cuando aumenta la temperatura, aumenta la energía cinética promedio de las moléculas del gas para mantener la presión constante, se debe tener el número de moléculas por unidad de volumen; reducirse, es decir, simplemente aumentar el volumen de gas.
6. Leyes de la Termodinámica
1. La ley cero de la termodinámica (la ley del equilibrio térmico): Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces los dos sistemas deben estar en equilibrio térmico entre sí.
(1) Tanto el trabajo como la transferencia de calor pueden cambiar la energía interna de un objeto. En otras palabras, la transferencia de trabajo y calor equivale a cambiar la energía interna de un objeto. Pero desde la perspectiva de la conversión y conservación de energía, existen diferencias: el trabajo es la conversión entre otras energías y la energía interna, y el trabajo es una medida de la conversión de energía interna, es la transferencia entre energías internas, y el calor es la transferencia de; medida de energía interna.
(2) Ley de signos: a medida que aumenta el volumen, el gas realiza trabajo en el exterior, w es "uno" cuando el volumen disminuye, el mundo exterior realiza trabajo sobre el gas, w es "+" ". El gas absorbe calor del mundo exterior, q es "+"; el gas libera calor al mundo exterior, q es "uno". A medida que aumenta la temperatura, el incremento de energía interna DE es "+" a medida que disminuye la temperatura, la energía interna disminuye y DE es "uno".
(3) Tres casos especiales:
l cambio isotérmico DE=0, es decir, W+Q=0.
lExpansión o compresión adiabática: Q=0, es decir, W=DE.
l Variación isovolumétrica: W=0, Q=DE.
(4) Discuta el trabajo, el calor y la energía interna del gas ideal a partir del diagrama.
3. La segunda ley del calor
(1) El segundo tipo de máquina de movimiento perpetuo no se puede fabricar (satisface la ley de conservación de la energía, pero viola la segunda ley de termodinámica).
Esencia: Los procesos macroscópicos que implican fenómenos térmicos (en la naturaleza) son direccionales e irreversibles.
(2) Expresión de la dirección de transferencia de calor (expresión de Clausius):
Es imposible transferir calor de un objeto de baja temperatura a un objeto de alta temperatura sin provocar otros cambios. . (La conducción del calor es direccional)
(3) Expresión para la conversión entre energía mecánica y energía interna (expresión Kelvin):
Es imposible absorber calor de una sola fuente de calor y luego Úselo todo. Trabaja sin causar otros cambios. (La conversión de energía mecánica y energía interna es direccional).
4. La tercera ley de la termodinámica: El cero termodinámico es inalcanzable.
5. Principio de aumento de entropía: En cualquier proceso natural, la entropía total de un sistema aislado no disminuirá.
El proceso de aumento de la entropía de un sistema aislado es el proceso de aumento de la probabilidad termodinámica del sistema (es decir, el proceso de aumento del desorden es el proceso de que el sistema pasa de un no). -estado de equilibrio a un estado de equilibrio, y es un proceso irreversible. El aumento de la entropía indica que la materia en el universo se está volviendo cada vez más caótica.