Измерение скоростей молекул газа. 56. Опыт Штерна.

Прежде всего уточним, что надо понимать под скоростью молекул. Напомним, что вследствие частых столкновений скорость каждой отдельной молекулы все время меняется: молекула движется то быстро, то медленно, и в течение некоторого времени (например, одной секунды) скорость молекулы принимает множество самых различных значений. С другой стороны, в какой-либо момент в громадном числе молекул, составляющих рассматриваемый объем газа, имеются молекулы с самыми различными скоростями. Очевидно, для характеристики состояния газа надо говорить о некоторой средней скорости. Можно считать, что это есть среднее значение скорости одной из молекул за достаточно длительный промежуток времени или что это есть среднее значение скоростей всех молекул газа в данном объеме в какой-нибудь момент времени.

Существуют разнообразные способы определения скоростей движения молекул. Одним из наиболее простых является способ, осуществленный в 1920 г. в опыте Штерна.

Рис. 390. Когда пространство под стаканом А наполнено водородом; то из конца воронки, закрытой пористым сосудом В, выходят пузырьки

Для понимания его рассмотрим следующую аналогию. Когда стреляют по движущейся мишени, то, чтобы попасть в нее, приходится целиться в точку, находящуюся впереди мишени. Если же взять прицел на мишень, то пули будут попадать сзади мишени. Это отклонение места попадания от цели будет тем больше, чем быстрее движется мишень и чем меньше скорость пуль.

Экспериментальному подтверждению и визуализации распределения молекул газа по скоростям и был посвящен опыт Отто Штерна (1888–1969). Это еще один красивый опыт, позволявший в прямом смысле слова «начертить» график этого распределения на экспериментальной установке. Установка Штерна состояла из двух вращающихся полых цилиндров с совпадающими осями (см. рис. справа; большой цилиндр нарисован не полностью). Во внутреннем цилиндре, прямо по его оси была протянута серебряная нить 1, по которой пропускался ток, что приводило к ее нагреванию, частичному плавлению и последующему испарению атомов серебра с ее поверхности. В результате внутренний цилиндр, в котором изначально был вакуум, постепенно заполнялся газообразным серебром малой концентрации. Во внутреннем цилиндре, как показано на рисунке, была проделана тонкая щель 2, поэтому большая часть атомов серебра, долетая до цилиндра, оседала на нем. Малая же часть атомов проходила сквозь щель и попадала во внешний цилиндр, в котором поддерживался вакуум. Здесь эти атомы уже не сталкивались с другими атомами и поэтому двигались в радиальном направлении с постоянной скоростью, достигая внешнего цилиндра через время, обратное пропорциональное этой скорости:

где — радиусы внутреннего и внешнего цилиндров, а — радиальная компонента скорости частицы. В результате с течением времени на внешнем цилиндре 3 возникал слой серебряного напыления. В случае покоящихся цилиндров этот слой имел вид полоски, расположенной точно напротив щели во внутреннем цилиндре. Но если цилиндры вращались с одинаковой угловой скоростью, то за время достижения молекулой внешнего цилиндра последний уже сдвигался на расстояние

по сравнению с точкой, стоящей прямо напротив щели (т.е. той точкой, на которую оседали частицы в случае неподвижных цилиндров).

57. Вывод уравнения состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клайперона)

Газы нередко бывают реагентами и продуктами в химических реакциях. Не всегда удается заставить их реагировать между собой при нормальных условиях. Поэтому нужно научиться определять число молей газов в условиях, отличных от нормальных.

Для этого используют уравнение состояния идеального газа (его также называют уравнением Клапейрона-Менделеева): PV = nRT

где n – число молей газа;

P – давление газа (например, в атм;

V – объем газа (в литрах);

T – температура газа (в кельвинах);

R – газовая постоянная (0, 0821 л·атм/моль·K).

Вывод уравнения нашла, но очень сложный. Надо еще поискать.

Изотермический процесс.

Изотермическим процессом называют изменение состояния газа, при котором его температура остаётся постоянной. Примером такого процесса может служить накачивание воздухом автомобильных шин. Однако изотермическим такой процесс можно считать, если сравнивать состояние воздуха перед тем, как он оказался в насосе, с его состоянием в шине после того, как температура шины и окружающего воздуха стали равными. Любые медленные процессы, происходящие с малым объёмом газа, окружённым большой массой газа, жидкости или твёрдого тела, имеющей постоянную температуру, можно считать изотермическими.

При изотермическом процессе произведение давления данной массы газа на его объём есть величина постоянная. Этот закон, называемый законом Бойля-Мариотта, был открыт английским учёным Р. Бойлем и французским физиком Э. Мариоттом и записывается в следующем виде:

Примеры найти!

Изобарный процесс.

Изобарным процессом называют изменение состояния газа, происходящее при постоянном давлении.

При изобарном процессе отношение объёма данной массы газа к его температуре постоянно. Этот вывод, который называют законом Гей-Люссака в честь французского учёного Ж. Гей-Люссака, можно записать в виде:

Одним из примеров изобарного процесса является расширение маленьких пузырьков воздуха и углекислого газа, содержащихся в тесте, когда его ставят в духовку. Давление воздуха внутри духовки и снаружи одинаково, а температура внутри приблизительно на 50% больше, чем снаружи. Согласно закону Гей-Люссака объём газовых пузырьков в тесте вырастает тоже на 50%, что и делает пирог воздушным.

Изохорный процесс.

Процесс, при котором изменяется состояние газа, а его объём остаётся неизменным, называют изохорным. Из уравнения Менделеева - Клапейрона следует, что у газа, занимающего постоянный объём, отношение его давления к температуре тоже должно быть постоянным:

Примеры найти!

Испарение и конденсация.

Пар – это газ, образованный из молекул, обладавших достаточной кинетической энергией, чтобы покинуть жидкость.

Мы привыкли к тому, что вода и её пар могут переходить друг в друга. Лужи на асфальте после дождя высыхают, а водяной пар в воздухе по утрам часто превращается в мельчайшие капельки тумана. Все жидкости обладают способностью превращаться в пар – переходить в газообразное состояние. Процесс перехода жидкости в пар называют испарением. Образование жидкости из её паров называют конденсацией.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет процесс испарения следующим образом. Известно (см. §21), что между молекулами жидкости действуют сила притяжения, не дающая им удаляться друг от друга, и средней кинетической энергии молекул жидкости оказывается недостаточно, чтобы преодолеть силы сцепления между ними. Однако в каждый данный момент времени разные молекулы жидкости обладают разной кинетической энергией, и энергия некоторых молекул может в несколько раз превышать её среднее значение. Эти высокоэнергетичные молекулы обладают значительно большей скоростью движения и поэтому могут преодолеть силы притяжения соседних молекул и вылететь из жидкости, образуя таким образом пар над её поверхностью (см. рис.26а).

Покинувшие жидкость молекулы, составляющие пар, беспорядочно движутся, сталкиваясь между собой так, как это делают молекулы газа при тепловом движении. При этом хаотическое движение некоторых молекул пара может их уводить так далеко от поверхности жидкости, что они уже никогда туда не возвращаются. Способствует этому, конечно, и ветер. Наоборот, беспорядочное движение других молекул может приводить их обратно в жидкость, что и объясняет процесс конденсации пара.

Вылететь из жидкости могут только молекулы, обладающие кинетической энергией намного выше средней, а это значит, при испарении средняя энергия оставшихся молекул жидкости уменьшается. А так как средняя кинетическая энергия молекул жидкости, как и газа (см. 23.6), пропорциональна температуре, то при испарении температура жидкости понижается. Поэтому нам и становится холодно, как только мы выходим из воды, покрытые тонкой плёнкой жидкости, которая сразу начинает испаряться и охлаждаться.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: