Презентация "плавление и отвердевание кристаллических веществ". Что происходит с молекулами вещества, когда вещество находится в разных агрегатных состояниях? какова скорость молекул вещества? какое расстояние между

Очень качественная презентация для школьников (7 класс), изучающих физику на тему "Изменение агрегатного состояния вещества". Формат презентации - powerpoint. Содержит 17 слайдов с иллюстрациями.

• Что происходит с молекулами вещества, когда вещество находится в разных агрегатных состояниях?
• какова скорость молекул вещества?
• какое расстояние между молекулами?
• каково взаимное расположение молекул?

Плавление

• Как изменяется энергия молекул и их расположение
• Когда тело начнет плавиться?
• Изменяются ли молекулы вещества при плавлении?
• Как изменяется температура вещества при плавлении?

Кристализация

• Как изменяется внутренняя энергия вещества?
• Когда тело начнет кристаллизоваться?
• Изменяются ли молекулы вещества при кристаллизации?
• Как изменяется температура вещества при кристаллизации?

Температура плавления равна температуре отвердевания.

Читаем график:

• В какой момент времени начался процесс плавления вещества?
• В какой момент времени вещество кристаллизовалось?
• Чему равна температура плавления вещества? кристаллизации?
• Сколько длилось: нагревание твердого тела; плавление вещества; остывание жидкости?

1. При плавлении тела...

1. теплота может и поглощаться, и выделяться.
2. теплота не поглощается и не выделяется.
3. теплота поглощается.
4. теплота выделяется.

• температура не изменяется.
• температура понижается.
• температура повышается.

1. температура понижается.
2. температура может и повышаться, и понижаться.
3. температура не изменяется.
4. температура повышается.

1. не изменяется.
2. может и увеличиваться, и уменьшаться.
3. уменьшается.
4. увеличивается.

Парообразование

• Как изменяется внутренняя энергия вещества при парообразовании?
• Как изменяется энергия молекул и их расположение?
• Изменяются ли молекулы вещества при парообразовании?
• Как изменяется температура вещества при парообразовании?

Конденсация

• Как изменяется внутренняя энергия вещества при конденсации?
• Как изменяется энергия молекул и их расположение?
• Изменяются ли молекулы вещества при конденсации?

Испарение

• Какие молекулы покидают жидкость при испарении?
• Как изменяется внутренняя энергия жидкости при испарении?
• При какой температуре может происходить испарение?
• Как изменяется масса жидкости при испарении?

Кипение

• Что образуется на стенках банки, если она долго стояла с водой?
• Что находится в этих пузырьках?
• Поверхность пузырьков одновременно является поверхностью жидкости. Что будет происходить с поверхности внутри пузырьков?

• В какой части жидкости происходит парообразование?
• Какие изменения температуры жидкости происходят в процессе парообразования?
• Как изменяется внутренняя энергия жидкости в процессе парообразования?
• От чего зависит скорость протекания процесса?

Работа газа и пара при расширении.

• Почему иногда подпрыгивает крышка чайника, когда в нем кипит вода?
• Кода пар толкает крышку чайника, что он совершает?
• Какие превращения энергии происходят, когда крышка подпрыгивает?

Горячий лёд

Английский физик Бриджмен показал, что вода под давлением р ~ 2000 МПа остаётся твёрдой даже при t = 76 градусов цельсия. Это так называемый «горячий лёд». Взять его в руки нельзя, о свойствах этой разновидности льда узнали косвенным образом.

«Горячий лёд» плотнее воды (1050 кг/м3), он тонет в воде. Сегодня известно более 10 разновидностей льда с удивительными качествами.

Сухой лёд

При сгорании угля можно получить не жар, а наоборот, холод. Для этого уголь сжигают в котлах, образующийся дым очищают и улавливают в нём углекислый газ. Его охлаждают и сжимают до давления 7*106 Па. Получается жидкая углекислота. Её хранят в толстостенных баллонах.

При открывании крана жидкая углекислота резко расширяется и охдаждается, превращаясь в твёрдую углекислоту – «сухой лёд». Под влиянием теплоты хлопья сухого льда сразу переходят в газ, минуя жидкое состояние.

Cлайд 1

Cлайд 2

Cлайд 3

Cлайд 4

Cлайд 5

Cлайд 6

Cлайд 7

Cлайд 8

Cлайд 9

Cлайд 10

Cлайд 11

Cлайд 12

Cлайд 13

Cлайд 14

Cлайд 17

Что происходит с молекулами вещества, когда вещество
находится в разных агрегатных состояниях?
какова скорость молекул вещества?
какое расстояние между молекулами?
каково взаимное расположение молекул?

газ
жидкость

твердое
тело

Переход вещества из твердого состояния в жидкое
называют плавлением
Телу сообщают энергию
вещества?
их
расположение?
Когда тело начнет плавиться?
при плавлении?
при плавлении?

Переход вещества из жидкого состояния в твердое
называют кристаллизацией
жидкость отдает энергию
Как изменяется внутренняя энергия
вещества?
расположение?
Когда тело начнет кристаллизоваться?
Изменяются ли молекулы вещества
при кристаллизации?
Как изменяется температура вещества
при кристаллизации?

Физическая величина, показывающая какое количество теплоты
необходимо для превращения 1 кг кристаллического вещества, взятого
при температуре плавления, в жидкость той же температуры, называется
удельной теплотой плавления

Единица измерения:
Дж
кг
Обозначается:
, t C
3t
2t
1t
Поглощение Q
Выделение Q
m 
Q
плавление
m 
Q
отвердевание
нагревание
t плавления = t отвердевания
о
х
л
а
ж
д
, tмин
е
н
и
е

“Читаем график”
Какой участок графика соответствует росту внутренней энергии
Какие участки графика соответствуют росту температуры
Охарактеризуйте первоначальное состояние
Какие превращения происходят с веществом?
вещества? уменьшению?
вещества? уменьшению?
вещества
1
3
2
4

“Читаем график”
В какой момент времени начался процесс плавления вещества?
В какой момент времени вещество кристаллизовалось?
Чему равна температура плавления вещества? кристаллизации?
Сколько длилось: нагревание твердого тела;
плавление вещества;
остывание жидкости?

Проверь себя!
1. При плавлении тела...
а) теплота может и поглощаться, и выделяться.
б) теплота не поглощается и не выделяется.
в) теплота поглощается.
г) теплота выделяется.
2. При кристаллизации жидкости...
а) температура может и повышаться, и понижаться.
б) температура не изменяется.
в) температура понижается.
г) температура повышается.
3. При плавлении кристаллического тела...
а) температура понижается.
б) температура может и повышаться, и понижаться.
в) температура не изменяется.
г) температура повышается.
4. При агрегатных превращениях вещества количество молекул вещества …
а) не изменяется.
б) может и увеличиваться, и уменьшаться.
в) уменьшается.
г) увеличивается.
Ответ: 1­в 2­б 3­в 4­а

Переход вещества из жидкого состояния в
газообразное называют парообразованием
Как изменяется внутренняя энергия
вещества при парообразовании?
Как изменяется энергия молекул и
их расположение?
Изменяются ли молекулы вещества
при парообразовании?
Как изменяется температура
вещества при парообразовании?

Переход вещества из газообразного состояния в жидкое
называют конденсацией
Как изменяется внутренняя энергия
вещества при конденсации?
Как изменяется энергия молекул и
их расположение?
Изменяются ли молекулы вещества
при конденсации?

Испарение – парообразование,
происходящее с поверхности жидкости
1. Какие молекулы покидают жидкость
при испарении?
2. Как изменяется внутренняя энергия
жидкости при испарении?
3. При какой температуре может
происходить испарение?
4. Как изменяется масса жидкости при
испарении?

Объясни, почему:
вода из блюдца испарилась быстрее?
нарушилось равновесие весов?
через несколько дней уровень различных
жидкостей стал разным.

Объясни
Как будет происходить испарение, если
над жидкостью будет дуть ветер?
Почему вода из тарелки испаряется быстрее, чем из миски?

кипение
1. Что образуется на стенках банки, если она
долго стояла с водой?
2. Что находится в этих пузырьках?
3. Поверхность пузырьков одновременно
является поверхностью жидкости. Что будет
происходить с поверхности внутри пузырьков?
кипение

Горячий лёд
Мы привыкли считать, что вода
не может быть в твёрдом состоянии
при t выше 0 0С.
Английский физик Бриджмен по­
казал, что вода под давлением р ~
2*109 Па остаётся твёрдой даже при
t = 76 0С. Это так называемый «го­
рячий лёд ­ 5». Взять его в руки не­
льзя, о свойствах этой разновидно­
сти льда узнали косвенным образом.
«Горячий лёд» плотнее воды (1050
кг/м3), он тонет в воде.
Сегодня известно более 10 разно­
видностей льда с удивительными
качествами.
Сухой лёд
При сгорании угля можно полу­
чить не жар, а наоборот, холод. Для
этого уголь сжигают в котлах,
образующийся дым очищают и
улавливают в нём углекислый газ.
Его охлаждают и сжимают до
давления 7*106 Па. Получается
жидкая углекислота. Её хранят в
толстостенных баллонах.
При открывании крана жидкая
углекислота резко расширяется и
охдаждается, превращаясь в твёр­
дую углекислоту – «сухой лёд».
Под влиянием теплоты хлопья
сухого льда сразу переходят в газ,
минуя жидкое состояние.

Модель идеального газа, используемая в молекулярно-кинетической теории газов, позволяет описывать поведение разреженных реальных газов при достаточно высоких температурах и низких давлениях. При выводе уравнения состояния идеального газа размерами молекул и их взаимодействием друг с другом пренебрегают. Повышение давления приводит к уменьшению среднего расстояния между молекулами, поэтому необходимо учитывать объем молекул и взаимодействие между ними. Taк, в 1 м 3 газа при нормальных условиях содержится 2,68×10 25 молекул, занимающих объем пример­но 10 –4 м 3 (радиус молекулы примерно 10 –10 м), которым по сравнению с объемом газа (1 м 3) можно пренебречь. При давлении 500 МПа (1 атм = 101,3 кПа) объем молекул составит уже половину всего объема газа. Таким образом, при высоких давлениях и низких температурах указанная модель идеального газа непригодна.

При рассмотренииреальных газов - газов, свойства которых зависят от взаимо­действия молекул, надо учитыватьсилы межмолекулярного взаимодействия. Они прояв­ляются на расстояниях £ 10 –9 м и быстро убывают при увеличении расстояния между молекулами. Такие силы называютсякороткодействующими.

По мере развития представлений о строении атома и квантовой механики, было выяснено, что между молекулами вещества одновременно действуютсилы притяжения и силы отталкивания. На рис. 88, а приведена качественная зависимость сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния r между молекулами, где F о и F п - соответственно силы отталкивания и притяжения, a F - их результирующая. Силы отталкивания считаются положительными, а силы взаимного притяжения - отрицательными.

На расстоянии r=r 0 результирующая сила F = 0, т.е. силы притяжения и оттал­кивания уравновешивают друг друга. Таким образом, расстояние r 0 соответствует равновесному расстоянию между молекулами, на котором бы они находились в отсут­ствие теплового движения. При r < r 0 преобладают силы отталкивания (F> 0), при r > r 0 - силы притяжения (F <0). На расстояниях r > 10 –9 м межмолекулярные силы взаимодействия практически отсутствуют (F ®0).

Элементарная работа dA силы F при увеличении расстояния между молекулами на dr совершается за счет уменьшения взаимной потенциальной энергии молекул, т. е.

(60.1)

Из анализа качественной зависимости потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними (рис. 88, б) следует, что если молекулы находятся друг от друга на расстоянии, на котором межмолекулярные силы взаимодействия не действу­ют (r ®¥), то П=0. При постепенном сближении молекул между, ними появляются силы притяжения (F <0), которые совершают положительную работу (dA=F dr > 0).Тогда, согласно (60.1), потенциальная энергия взаимодействия уменьшается, достигая минимума при r = r 0 . При r < r 0 с уменьшением r силы отталкивания (F >0) резко возрастают и совершаемая против них работа отрицательна (dA=F dr <0). Потенци­альная энергия начинает тоже резко возрастать и становится положительной. Из данной потенциальной кривой следует, что система из двух взаимодействующих молекул в состоянии устойчивого равновесия (r = r 0) обладает минимальной потенци­альной энергией.

Критерием различных агрегатных состояний вещества является соотношениемеж­ду величинами П min и kT . П min - наименьшая потенциальная энергия взаимодействия молекул - определяет работу, которую нужно совершить против сил притяжения для того, чтобы разъединить молекулы, находящиеся в равновесии (r = r 0); kT определяет удвоенную среднюю энергию, приходящуюся на одну степень свободы хаотического (теплового) движения молекул.

Если П min <<kT , то вещество находится в газообразном состоянии, так как интенсивное тепловое движение молекул препятствует соединению молекул, сблизившихся до расстояния r 0 , т. е. вероятность образования агрегатов из молекул достаточно мала. Если П min >>kT , то вещество находится в твердом состоянии, так как молекулы, притягиваясь друг к другу, не могут удалиться на значительные расстояния и колеблются около положений равновесия, определяемого расстоянием r 0 . Если П min »kT , то вещество находится в жидком состоянии, так как в результате теплового движения молекулы перемещаются в пространстве, обмениваясь местами, но не расходясь на расстояние, превышающее r 0 .

Таким образом, любое вещество в зависимости от температуры может находиться в газообразном, жидком или твердом агрегатном состоянии, причем температура перехода из одного агрегатного состояния в другое зависит от значения П min , для данного вещества. Например, у инертных газов П min мало, а у металлов велико, поэтому при обычных (комнатных) температурах они находятся соответственно в газо­образном и твердом состояниях.

Основные положения молекулярно-кинетической теории :

· все вещества состоят из молекул, а молекулы из атомов,

· атомы и молекулы находятся в постоянном движении,

· между молекулами существуют силы притяжения и отталкивания.

В газах молекулы двигаются хаотически, расстояния между молекулами большие, молекулярные силы малы, газ занимает весь предоставленный ему объем.

В жидкостях молекулы располагаются упорядочно только на малых расстояниях, а на больших расстояниях порядок (симметрия) расположения нарушается – “ближний порядок”. Силы молекулярного притяжения удерживают молекулы на близком расстоянии. Движение молекул – “перескоки ” из одного устойчивого положения в другое (как правило, в пределах одного слоя. Таким движением объясняется текучесть жидкости. Жидкость не имеет форму, но имеет объем.

Твердые тела – вещества, которые сохраняют форму, делятся на кристаллические и аморфные. Кристаллические твердые тела имеют кристаллическую решетку, в узлах которой могут находиться ионы, молекулы или атомы Они совершают колебания относительно устойчивых положений равновесия.. Кристаллические решетки имеют правильную структуру по всему объему – “дальний порядок” расположения.

Аморфные тела сохраняют форму, но не имеют кристаллической решетки и, как следствие, не имеют ярко выраженной температуры плавления. Их называют застывшими жидкостями, так как они, как жидкости имеют “ближний ” порядок расположения молекул.

Подавляющее большинство веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты, поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же и жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул (см. Закон Бойля-Мариотта, Закон Шарля,Уравнение состояния идеального газа).

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ΔТ расширяется на величину ΔL , равную:

ΔL = αL ΔT

где α - так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.

Для инженеров тепловое расширение - жизненно важное явление. Проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от -40°C до +40°C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их специальными термическими буферными сочленениями , которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные жестко ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу. На длинном мосту может насчитываться довольно много таких буферов.

Однако не все материалы, особенно это касается кристаллических твердых тел, расширяются равномерно по всем направлениям. И далеко не все материалы расширяются одинаково при разных температурах. Самый яркий пример последнего рода - вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ. Однако, начиная с +4°C и до точки замерзания 0°C вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании (с точки зрения приведенной выше формулы можно сказать, что в интервале температур от 0°C до +4°C коэффициент теплового расширения воды α принимает отрицательное значение). Именно благодаря этому редкому эффекту земные моря и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4°C становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4°C.

То, что лед имеет удельную плотность ниже плотности воды, - еще одно (хотя и не связанное с предыдущим) аномальное свойство воды, которому мы обязаны существованием жизни на нашей планете. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они, опять же, вымерзли бы до дна, убив всё живое.

34.Законы идеального газа. Уравнение состояния идеального газа (менделеева-клапейрона) . Законы Авогадро и Дальтона.

В молекулярно-кинетической теории используется модель идеального газа, в которой считают:
1) собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда;
2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия;
3) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.

Реальные газы при низких давлениях и высоких температурах близки по своим свойствам к идеальному газу.

Рассмотрим эмпирические законы, описывающие поведение идеальных газов.

1. Закон Бойля – Мариотта: для данной массы газа при постоянной температуре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная:

pV=const при T=const, m=const (7)

Процесс, протекающий при постоянной температуре, называется изотермическим. Кривая, изображающая зависимость между величинами p и V, характеризующими свойства вещества при постоянной температуре, называется изотермой. Изотермы представляют собой гиперболы, расположенные тем выше, чем выше температура, при которой происходит процесс (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость давления идеального газа от объема при постоянной температуре

2. Закон Гей-Люссака: объем данной массы газа при постоянном давлении изменяется с температурой линейно:

V=V 0 (1+αt) при p=const, m=const (8)

Здесь t - температура по шкале Цельсия, V 0 - объем газа при 0 o С, α=(1/273) K -1 - температурный коэффициент объемного расширения газа.

Процесс, протекающий при постоянном давлении и неизменной массе газа, называется изобарным. В ходе изобарного процесса для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно:

На диаграмме в координатах (V,t) этот процесс изображается прямой, называемой изобарой (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость объема идеального газа от температуры при постоянном давлении

3. Закон Шарля: давление данной массы газа при постоянном объеме изменяется линейно с температурой:

p=p 0 (1+αt) при p=const, m=const (9)

Здесь t - температура по шкале Цельсия, p 0 - давление газа при 0 o С, α=(1/273) K -1 - температурный коэффициент объемного расширения газа.

Процесс, протекающий при постоянном объеме и неизменной массе газа, называется изохорным. В ходе изохорного процесса для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно:

На диаграмме в координатах этот процесс изображается прямой, называемой изохорой (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость давления идеального газа от температуры при постоянном объеме

Вводя в формулах (8) и (9) термодинамическую температуру T, законам Гей-Люссака и Шарля можно придать более удобный вид:

V=V 0 (1+αt)=V 0 =V 0 αT (10)
p=p 0 (1+αt)=p 0 =p 0 αT (11)

Закон Авогадро: моли любых газов при одинаковых температуре и давлении занимают одинаковые объемы.

Так, при нормальных условиях один моль любого газа занимает объем 22,4 м -3 . При одинаковых температуре и давлении любой газ содержит в единице объема одинаковое количество молекул.

При нормальных условиях в 1 м 3 любого газа содержится число частиц, называемое числом Лошмидта:

N L =2,68·10 25 м -3 .

Закон Дальтона: давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений p 1 ,p 2 ,...,p n входящих в нее газов:

p=p 1 +p 2 +....+p n

Парциальное давление – давление, которое создавал бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он занимал объем, равный объему смеси при той же температуре.