Sabit ivmeli doğrusal hareket. Hızlanma kavramı

“Sabit ivmeli doğrusal hareket sırasında hız” konulu ders planı

tarih :

Ders: “Sabit ivmeyle düz çizgide hareket sırasında hız”

Hedefler:

eğitici : Sabit ivme ile düz bir çizgide hareket sırasında hıza ilişkin bilginin bilinçli bir şekilde özümsenmesini sağlamak ve oluşturmak;

Gelişimsel : Bağımsız aktivite becerilerini ve grup çalışması becerilerini geliştirmeye devam edin.

eğitici : Yeni bilgiye bilişsel ilgi oluşturmak; Davranış disiplini geliştirin.

Ders türü: yeni bilgiler öğrenme dersi

Ekipman ve bilgi kaynakları:

Isachenkova, L. A. Fizik: ders kitabı. 9. sınıf için. kamu kurumları ortalama Rusça ile eğitim dil eğitim / L. A. Isachenkova, G. V. Palchik, A. A. Sokolsky; tarafından düzenlendi A. A. Sokolsky. Minsk: Halkın Asveta'sı, 2015

Isachenkova, L. A. Fizikteki problemlerin toplanması. 9. sınıf: genel kurumların öğrencileri için bir el kitabı. ortalama Rusça ile eğitim dil eğitim / L. A. Isachenkova, G. V. Palchik, V. V. Dorofeychik. Minsk: Aversev, 2016, 2017.

Ders yapısı:

Organizasyon anı (5 dk)

Temel bilgilerin güncellenmesi (5 dk)

Yeni materyal öğrenme (15 dk)

Beden eğitimi dakikası (2 dk)

Bilginin pekiştirilmesi (13 dk)

Ders özeti (5 dk)

Zamanı organize etmek

Merhaba, oturun! (Mevcut olanları kontrol ediyorum).Bugünkü dersimizde sabit ivmeli doğrusal hareketin hızını anlamalıyız. Ve bu şu anlama geliyorDers konusu : Sabit hızlanma ile düz çizgide hareket sırasında hız

Referans bilgilerinin güncellenmesi

Düzensiz hareketlerin en basiti - sabit ivmeli doğrusal hareket. Buna eşit değişken denir.

Düzgün hareket sırasında vücudun hızı nasıl değişir?

Yeni materyal öğrenme

Çelik bir bilyenin eğimli bir kanal boyunca hareketini düşünün. Deneyimler ivmenin neredeyse sabit olduğunu gösteriyor:

İzin vermek V zamanın anı T = 0 topun bir başlangıç ​​hızı vardı (Şekil 83).

Topun hızının zamana bağımlılığı nasıl bulunur?

Top ivmesiA = . ÖrneğimizdeΔt = T , Δ - . Araç,

, Neresi

Sabit ivmeyle hareket eden bir cismin hızı doğrusal olarak bağlıdır. zaman.

Eşitliklerden ( 1 ) ve (2) projeksiyonlara ilişkin formüller aşağıdaki gibidir:

Bağımlılık grafikleri oluşturalımA X ( T ) Ve v X ( T ) (pirinç. 84, a, b).

Pirinç. 84

Şekil 83'e göreA X = A > 0, = v 0 > 0.

Daha sonra bağımlılıklar A X ( T ) programa karşılık gelir1 (bkz. Şekil 84, A). Buzaman eksenine paralel düz bir çizgi. Bağımlılıklarv X ( T ) programa karşılık gelir, Projeksiyondaki artışı açıklayansko büyümek (bkz. Şek. 84, B). Büyüdüğü açıkmodülhız. Top hareket ediyoreşit şekilde hızlandırılmıştır.

İkinci örneği ele alalım (Şekil 85). Artık topun başlangıç ​​hızı oluk boyunca yukarı doğru yönlendirilir. Yukarıya doğru hareket eden top yavaş yavaş hızını kaybedecektir. NoktadaA O Açıkan duracak vebaşlayacakkayıp düşmek. Tam durakA ismindedönüm noktası.

Buna göre çizim 85 A X = - bir< 0, = v 0 > 0 ve formüller (3) ve (4) grafikleri eşleştir2 Ve 2" (santimetre. pirinç. 84, A , B).

Takvim 2" Başlangıçta top yukarıya doğru hareket ederken hız izdüşümününv X olumluydu. Aynı zamanda azaldıT= sıfıra eşit oldu. Şu anda top dönüm noktasına ulaştıA (bkz. Şekil 85). Bu noktada topun hızının yönü ters yönde değişmiştir.T> hız projeksiyonu negatif oldu.

Grafikten 2" (bkz. Şekil 84, B) dönme anından önce hız modülünün azaldığı da açıktır - top eşit oranda yukarı doğru hareket etmiştir. Şu tarihte:T > T N hız modülü artar - top eşit şekilde hızlanarak aşağı doğru hareket eder.

Her iki örnek için hız modülünün zamana karşı kendi grafiklerinizi oluşturun.

Düzgün hareketin başka hangi yasalarının bilinmesi gerekiyor?

§ 8'de düzgün doğrusal hareket için şeklin grafik arasındaki alanının olduğunu kanıtladık.v X ve zaman ekseni (bkz. Şekil 57) sayısal olarak yer değiştirme projeksiyonuna Δ eşittirR X . Bu kuralın eşit olmayan hareket için de geçerli olduğu kanıtlanabilir. Daha sonra Şekil 86'ya göre yer değiştirme projeksiyonu ΔR X düzgün bir şekilde değişen hareketle yamuk alanı tarafından belirlenirABCD . Bu alan tabanların toplamının yarısına eşittiryamuk yüksekliğiyle çarpılırreklam .

Sonuç olarak:

Formül (5)'in hız projeksiyonunun ortalama değerinden beri

şöyle:

Sürerken İlesabit ivme, (6) bağıntısı yalnızca projeksiyon için değil aynı zamanda hız vektörleri için de sağlanır:

Sabit ivmeli ortalama hareket hızı, başlangıç ​​ve son hızların toplamının yarısına eşittir.

Formüller (5), (6) ve (7) kullanılamazİçin hareket İletutarsız hızlanma. Bu yol açabilirİle büyük hatalar.

Bilginin pekiştirilmesi

Sorunun çözümüne ilişkin bir örneğe sayfa 57'den bakalım:

Araba modülü = 72 olan bir hızla hareket ediyordu.. Kırmızı trafik ışığını gören sürücü yol bölümündeS= 50 m eşit olarak azaltılmış hız = 18 . Arabanın hareketinin doğasını belirleyin. Fren yaparken arabanın hareket ettiği ivmenin yönünü ve büyüklüğünü bulun.

Verilen: Reshe durum:

72 = 20 Arabanın hareketi eşit derecede yavaştı. Usko...

araba sürüşüters yön

18 = 5 hareket hızı.

Hızlandırma modülü:

S= 50 m

Frenleme süresi:

A - ? Δ t =

Daha sonra

Cevap:

Ders özeti

Sürerken İleSabit ivmelenmede hız doğrusal olarak zamana bağlıdır.

Düzgün ivmeli harekette, anlık hız ve ivmenin yönleri çakışır; düzgün yavaş harekette ise bunlar zıttır.

Ortalama sürüş hızıİlesabit ivme başlangıç ​​ve son hızların toplamının yarısına eşittir.

Ev ödevi organizasyonu

§ 12, örn. 7 Sayı 1, 5

Refleks.

Cümlelere devam edin:

Bugün sınıfta öğrendim...

İlginçti…

Derste edindiğim bilgiler faydalı olacak

Düzgün ivmeli hareket için türetilmeden sunduğumuz aşağıdaki denklemler geçerlidir:

Anladığınız gibi soldaki vektör formülü ile sağdaki iki skaler formül eşittir. Cebir açısından bakıldığında, skaler formüller, düzgün ivmeli hareketle yer değiştirme projeksiyonlarının ikinci dereceden bir yasaya göre zamana bağlı olduğu anlamına gelir. Bunu anlık hız projeksiyonlarının doğasıyla karşılaştırın (bkz. § 12-h).

 sx = x – xo  and  sy = y – yo  olduğunu bilerek (bkz. § 12), sağ üst sütundaki iki skaler formülden koordinatlar için denklemler elde ederiz:

Bir cismin düzgün ivmeli hareketi sırasındaki ivme sabit olduğundan, koordinat eksenleri her zaman ivme vektörü bir eksene, örneğin Y eksenine paralel yönlendirilecek şekilde konumlandırılabilir. Sonuç olarak, X ekseni boyunca hareket denklemi şu şekilde olacaktır: gözle görülür şekilde basitleştirildi:

x  =  xo + υox t  + (0) ve y  =  yo + υoy t  + ½ ay t²

Soldaki denklemin düzgün doğrusal hareket denklemiyle örtüştüğünü lütfen unutmayın (bkz. § 12-g). Bu, düzgün şekilde hızlandırılmış hareketin, bir eksen boyunca düzgün hareketten ve diğer eksen boyunca düzgün şekilde hızlandırılmış hareketten "oluşabileceği" anlamına gelir. Bu, yattaki çekirdek deneyimiyle doğrulanmıştır (bkz. § 12-b).

Görev. Kız kollarını uzatarak topu attı. 80 cm yükseldi ve kısa sürede kızın ayaklarının dibine düşerek 180 cm uçtu. Top hangi hızla fırlatıldı ve top yere çarptığında hangi hıza sahip oldu?

Anlık hızın Y eksenine izdüşümü için denklemin her iki tarafının karesini alalım: υy = υoy + ay t (bkz. § 12). Eşitliği elde ederiz:

υy²  = ( υoy + ay t )²  = υoy² + 2 υoy ay t + ay² t²

Sadece sağdaki iki terim için 2 ay faktörünü parantez içinden çıkaralım:

υy²  = υoy² + 2 ay ( υoy t + ½ ay t² )

Parantez içinde yer değiştirme projeksiyonunu hesaplamak için formülü aldığımızı unutmayın:  sy = υoy t + ½ ay t². Bunu sy ile değiştirirsek şunu elde ederiz:

Çözüm. Bir çizim yapalım: Y eksenini yukarı doğru yönlendirin ve koordinatların başlangıç ​​noktasını kızın ayaklarının dibine yerleştirin. Hız izdüşümünün karesi için elde ettiğimiz formülü öncelikle topun yükselişinin en üst noktasına uygulayalım:

0 = υoy² + 2·(–g)·(+h) ⇒ υoy = ±√¯2gh = +4 m/s

Daha sonra üst noktadan aşağıya doğru hareket etmeye başladığınızda:

υy² = 0 + 2·(–g)·(–H) ⇒ υy = ±√¯2gh = –6 m/s

Cevap: Top 4 m/s hızla yukarıya doğru fırlatılıyor ve yere düştüğü anda Y eksenine doğru 6 m/s hıza sahip oluyor.

Not. Anlık hızın kare izdüşümü formülünün X eksenine benzetme yoluyla doğru olacağını anladığınızı umuyoruz:

Hareket tek boyutluysa, yani yalnızca tek eksende gerçekleşiyorsa çerçevedeki iki formülden birini kullanabilirsiniz.

Kinematik, fizikteki klasik mekanik hareketin incelenmesidir. Dinamiğin aksine bilim, bedenlerin neden hareket ettiğini araştırır. Bunu nasıl yapıyorlar sorusuna yanıt veriyor. Bu yazıda ivmenin ve sabit ivmeli hareketin ne olduğuna bakacağız.

Hızlanma kavramı

Bir cisim uzayda hareket ettiğinde, belirli bir süre boyunca yörüngenin uzunluğu olan belirli bir yolu kat eder. Bu yolu hesaplamak için hız ve ivme kavramlarını kullanırız.

Fiziksel bir nicelik olarak hız, kat edilen mesafedeki değişikliklerin zaman içindeki hızını karakterize eder. Hız, vücut hareketi yönünde yörüngeye teğet olarak yönlendirilir.

İvme biraz daha karmaşık bir niceliktir. Kısaca, belirli bir zamanda hızdaki değişimi tanımlar. Matematik şuna benziyor:

Bu formülü daha net anlamak için basit bir örnek verelim: 1 saniyelik harekette cismin hızının 1 m/s arttığını varsayalım. Bu sayılar yukarıdaki ifadeye yerleştirildiğinde şu sonuca varılır: Cismin bu saniyedeki ivmesi 1 m/s 2'ye eşit olmuştur.

İvmenin yönü hızın yönünden tamamen bağımsızdır. Vektörü, bu ivmeye neden olan ortaya çıkan kuvvetin vektörüyle çakışmaktadır.

Yukarıdaki ivme tanımında önemli bir noktaya dikkat edilmelidir. Bu değer yalnızca hızdaki değişimin büyüklüğünde değil, aynı zamanda yönde de değişiklik gösterir. Eğrisel hareket durumunda ikinci gerçek dikkate alınmalıdır. Makalede ayrıca sadece doğrusal hareket dikkate alınacaktır.

Sabit ivmeyle hareket ederken hız

Hareket sırasında büyüklüğünü ve yönünü koruyorsa ivme sabittir. Bu tür harekete eşit şekilde hızlandırılmış veya eşit şekilde yavaşlamış denir - bunların tümü, hızlanmanın hızda bir artışa mı yoksa hızda bir azalmaya mı yol açtığına bağlıdır.

Sabit ivmeyle hareket eden bir cismin hızı aşağıdaki formüllerden biri kullanılarak belirlenebilir:

İlk iki denklem düzgün ivmeli hareketi karakterize eder. Aralarındaki fark, ikinci ifadenin sıfırdan farklı başlangıç ​​hızı durumları için geçerli olmasıdır.

Üçüncü denklem, sabit ivmeli düzgün yavaş hareketin hızının bir ifadesidir. Hızlanma hıza karşı yönlendirilir.

Her üç fonksiyonun v(t) grafikleri düz çizgilerdir. İlk iki durumda, düz çizgiler x eksenine göre pozitif bir eğime sahiptir; üçüncü durumda ise bu eğim negatiftir.

Kat edilen mesafe için formüller

Sabit ivmeli hareket durumundaki bir yol için (ivme a = sabit), hızın zamana göre integralini hesaplarsanız formüller elde etmek zor değildir. Yukarıda yazılan üç denklem için bu matematiksel işlemi yaptıktan sonra L yolu için aşağıdaki ifadeleri elde ederiz:

L = v 0 *t + a*t 2/2;

L = v 0 *t - a*t 2/2.

Her üç yol fonksiyonunun zamana göre grafikleri parabollerdir. İlk iki durumda parabolün sağ dalı artar ve üçüncü fonksiyonda yavaş yavaş belirli bir sabite ulaşır; bu, vücut tamamen durana kadar kat edilen mesafeye karşılık gelir.

Sorunun çözümü

30 km/saat hızla hareket eden araba hızlanmaya başladı. 30 saniyede 600 metre mesafe kat etti. Arabanın ivmesi ne kadardı?

Öncelikle başlangıç ​​hızını km/saat'ten m/s'ye çevirelim:

v 0 = 30 km/s = 30000/3600 = 8,333 m/s.

Şimdi hareket denklemini yazalım:

L = v 0 *t + a*t 2/2.

Bu eşitlikten ivmeyi ifade edersek şunu elde ederiz:

a = 2*(L - v 0 *t)/t 2 .

Bu denklemdeki tüm fiziksel nicelikler problem koşullarından bilinmektedir. Bunları formülde yerine koyarsak şu cevabı alırız: a ≈ 0,78 m/s 2 . Böylece sabit ivmeyle hareket eden araba, hızını her saniyede 0,78 m/s artırdı.

Ayrıca (eğlence olsun diye) 30 saniyelik hızlandırılmış hareketten sonra ne kadar hız elde ettiğini hesaplayalım, şunu elde ederiz:

v = v 0 + a*t = 8,333 + 0,78*30 = 31,733 m/sn.

Ortaya çıkan hız 114,2 km/saattir.

Sabit ivmeli doğrusal harekete, hız modülü zamanla artıyorsa düzgün hızlanan, azalıyorsa düzgün yavaşlayan denir.

İvmeli harekete örnek olarak alçak bir binanın balkonundan düşen bir saksı gösterilebilir. Düşüşün başlangıcında potun hızı sıfırdır ancak birkaç saniye içinde onlarca m/s'ye çıkmayı başarır. Yavaş harekete bir örnek, dikey olarak yukarı doğru fırlatılan bir taşın hareketidir; hızı başlangıçta yüksektir, ancak daha sonra yörüngenin en üst noktasında yavaş yavaş sıfıra düşer. Hava direnci kuvvetini ihmal edersek, her iki durumda da ivme aynı olacak ve her zaman dikey olarak aşağı doğru yönlendirilen, g harfiyle gösterilen ve yaklaşık 9,8 m/s2'ye eşit olan serbest düşüşün ivmesine eşit olacaktır. .

Yerçekiminden kaynaklanan ivme, g, Dünya'nın yerçekimi kuvvetinden kaynaklanır. Bu kuvvet, dünyaya doğru hareket eden tüm cisimleri hızlandırır, ondan uzaklaşanları ise yavaşlatır.

burada v vücudun t zamanındaki hızıdır, buradan basit dönüşümlerden sonra şunu elde ederiz: için denklem sabit ivmeyle hareket ederken hız: v = v0 + at

8. Sabit ivmeli hareket denklemleri.

Sabit ivmeli doğrusal hareket sırasında hız denklemini bulmak için, t=0 anında cismin başlangıç ​​hızının v0 olduğunu varsayacağız. a ivmesi sabit olduğundan, aşağıdaki denklem herhangi bir t zamanı için geçerlidir:

burada v, vücudun t zamanındaki hızıdır; buradan, basit dönüşümlerden sonra, sabit ivmeyle hareket ederken hız denklemini elde ederiz: v = v0 +

Sabit ivmeli doğrusal hareket sırasında katedilen yol için bir denklem türetmek için önce hıza karşı zamanın bir grafiğini oluştururuz (5.1). a>0 için bu bağımlılığın grafiği Şekil 5'te solda gösterilmektedir (mavi düz çizgi). §3'te belirlediğimiz gibi, t ​​süresi boyunca gerçekleştirilen hareket, t=0 ile t anları arasındaki hız-zaman eğrisi altında kalan alan hesaplanarak belirlenebilir. Bizim durumumuzda, t = 0 ve t olmak üzere iki dikey çizgiyle sınırlanan eğrinin altındaki şekil, bilindiği gibi S'nin uzunlukların toplamının yarısının çarpımına eşit olduğu bir yamuk OABC'dir. OA ve CB tabanları ve OC yüksekliği:

Şekil 5'te görülebileceği gibi OA = v0, CB = v0 + at ve OC = t. Bu değerleri (5.2)'de değiştirerek, başlangıç ​​hızı v0'da sabit ivmeli a ile doğrusal hareket sırasında t zamanında yapılan S yer değiştirmesi için aşağıdaki denklemi elde ederiz:

Formül (5.3)'ün yalnızca türetildiği a>0 ivmeli hareket için değil, aynı zamanda a>0 ivmesine sahip hareket için de geçerli olduğunu göstermek kolaydır.<0. На рис.5 справа красными линиями показаны графики зависимости S при положительных (верх) и отрицательных (низ) значениях a, построенные по формуле (5.3) для различных величин v0. Видно, что в отличие от равномерного движения (см. рис. 3), график зависимости перемещения от времени является параболой, а не прямой, показанной для сравнения пунктирной линией.

9. Cesetlerin serbest düşüşü. Yerçekimi nedeniyle sabit ivmeli hareket.

Vücutların serbest düşüşü, hava direnci olmadığında (boşlukta) vücutların Dünya'ya düşmesidir.

Cisimlerin Dünya'ya düşme ivmesine yerçekimi ivmesi denir. Serbest düşüş ivme vektörü sembolle gösterilir; dikey olarak aşağıya doğru yönlendirilir. Dünyanın farklı noktalarında, coğrafi enlem ve deniz seviyesinden yüksekliğe bağlı olarak g'nin sayısal değeri aynı olmayıp, kutuplarda yaklaşık 9,83 m/s2 ile ekvatorda 9,78 m/s2 arasında değişmektedir. Moskova enleminde g = 9,81523 m/s2. Genellikle hesaplamalarda yüksek doğruluk gerekmiyorsa g'nin Dünya yüzeyindeki sayısal değeri 9,8 m/s2, hatta 10 m/s2 olarak alınır.

Serbest düşüşün basit bir örneği, belirli bir h yüksekliğinden başlangıç ​​hızı olmadan düşen bir cisimdir. Serbest düşme sabit ivmeli doğrusal bir harekettir.

İdeal bir serbest düşüş yalnızca hava direncinin olmadığı ve kütle, yoğunluk ve şekle bakılmaksızın tüm cisimlerin eşit hızla düştüğü, yani herhangi bir anda cisimlerin aynı anlık hızlara ve ivmelere sahip olduğu bir boşlukta mümkündür.

Düzgün ivmeli hareket için tüm formüller serbestçe düşen cisimlere uygulanabilir.

Herhangi bir anda bir cismin serbest düşüşü sırasındaki hızın büyüklüğü:

vücut hareketi:

Bu durumda, düzgün ivmeli hareket formüllerine a ivmesi yerine yerçekimi ivmesi g = 9,8 m/s2 eklenir.

10. Vücutların hareketi. RİJİT BİR CİSİMİN İLERİ HAREKETİ

Katı bir cismin öteleme hareketi, cisimle her zaman bağlantılı olan her düz çizginin kendisine paralel hareket ettiği bir harekettir. Bunun için vücuda bağlanan paralel olmayan iki çizginin birbirine paralel hareket etmesi yeterlidir. Öteleme hareketi sırasında, vücudun tüm noktaları aynı, paralel yörüngeleri tanımlar ve herhangi bir zamanda aynı hızlara ve ivmelere sahiptir. Böylece, bir cismin öteleme hareketi, O noktalarından birinin hareketi ile belirlenir.

Genel durumda, öteleme hareketi üç boyutlu uzayda meydana gelir, ancak ana özelliği - herhangi bir parçanın kendisine paralelliğini korumak - yürürlükte kalır.

Örneğin bir asansör kabini ileri doğru hareket eder. Ayrıca, ilk yaklaşım olarak dönme dolap kabini öteleme hareketi yapar. Ancak, kesin olarak söylemek gerekirse, dönme dolap kabininin hareketinin ilerici olduğu düşünülemez. Bir cisim öteleme yoluyla hareket ediyorsa, o zaman onun hareketini tanımlamak için rastgele bir noktanın hareketini (örneğin, vücudun kütle merkezinin hareketi) tanımlamak yeterlidir.

Kapalı bir mekanik sistem oluşturan cisimler birbirleriyle yalnızca yerçekimi ve esneklik kuvvetleri aracılığıyla etkileşime giriyorsa, bu kuvvetlerin işi, ters işaretle alınan cisimlerin potansiyel enerjisindeki değişime eşittir: A = –(E р2 – E р1).

Kinetik enerji teoremine göre bu iş cisimlerin kinetik enerjisindeki değişime eşittir.

Buradan

Veya E k 1 + E p 1 = E k 2 + E p 2.

Kapalı bir sistem oluşturan ve birbirleriyle çekim ve elastik kuvvetlerle etkileşen cisimlerin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamı değişmez.

Bu ifade mekanik işlemlerde enerjinin korunumu yasasını ifade etmektedir. Bu Newton yasalarının bir sonucudur. E = E k + E p toplamına toplam mekanik enerji denir. Mekanik enerjinin korunumu yasası, yalnızca kapalı bir sistemdeki cisimler birbirleriyle korunumlu kuvvetlerle, yani potansiyel enerji kavramının getirilebileceği kuvvetlerle etkileşime girdiğinde karşılanır.

Kapalı bir cisimler sisteminin mekanik enerjisi, bu cisimler arasında yalnızca korunumlu kuvvetler etki ederse değişmez. Korunumlu kuvvetler, herhangi bir kapalı yörünge boyunca işi sıfıra eşit olan kuvvetlerdir. Yerçekimi korunumlu kuvvetlerden biridir.

Gerçek koşullarda, hareketli cisimler neredeyse her zaman yerçekimi kuvvetleri, elastik kuvvetler ve diğer korunumlu kuvvetlerin yanı sıra sürtünme kuvvetleri veya çevresel direnç kuvvetleri tarafından da etkilenir.

Sürtünme kuvveti korunumlu değildir. Sürtünme kuvvetinin yaptığı iş yolun uzunluğuna bağlıdır.

Kapalı bir sistemi oluşturan cisimler arasında sürtünme kuvvetleri etki ediyorsa mekanik enerji korunmaz. Mekanik enerjinin bir kısmı cisimlerin iç enerjisine (ısıtma) dönüştürülür.

Herhangi bir fiziksel etkileşim sırasında enerji ne ortaya çıkar ne de kaybolur. Sadece bir formdan diğerine değişir.

Enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasının sonuçlarından biri, enerji tüketmeden süresiz olarak çalışabilen bir makine olan "sürekli hareket makinesi" (perpetuum mobile) yaratmanın imkansızlığı hakkındaki ifadedir.

Tarih, önemli sayıda “sürekli hareket” projesini saklıyor. Bazılarında “mucit”in hataları ortadadır, bazılarında ise bu hatalar cihazın karmaşık tasarımı tarafından maskelenmektedir ve bu makinenin neden çalışmayacağını anlamak çok zor olabilmektedir. Zamanımızda “sürekli hareket makinesi” yaratmaya yönelik sonuçsuz girişimler devam ediyor. Enerjinin korunumu ve dönüşümü yasası, enerji harcamadan iş elde edilmesini "yasakladığı" için tüm bu girişimler başarısızlığa mahkumdur.

31. Moleküler kinetik teorinin temel prensipleri ve gerekçeleri.

Tüm cisimler boşluklarla ayrılmış, rastgele hareket eden ve birbirleriyle etkileşime giren moleküller, atomlar ve temel parçacıklardan oluşur.

Kinematik ve dinamikler bir cismin hareketini tanımlamamıza ve bu harekete neden olan kuvveti belirlememize yardımcı olur. Ancak bir tamirci pek çok soruya cevap veremez. Örneğin bedenler neyden yapılmıştır? Neden birçok madde ısıtıldığında sıvı hale gelir ve daha sonra buharlaşır? Ve genel olarak sıcaklık ve ısı nedir?

Antik Yunan filozofu Demokritos 25 yüzyıl önce benzer soruları yanıtlamaya çalışmıştı. Herhangi bir deney yapmadan, cisimlerin bize yalnızca katı göründüğü, aslında boşluklarla ayrılmış çok küçük parçacıklardan oluştuğu sonucuna vardı. Bu parçacıkları ezmenin imkansız olduğunu düşünen Demokritos, onlara Yunanca'dan çevrildiğinde bölünmez anlamına gelen atom adını verdi. Ayrıca atomların farklı olabileceğini ve sürekli hareket halinde olduklarını da öne sürdü ama biz bunu göremiyoruz çünkü onlar çok küçükler.

M.V. moleküler kinetik teorinin gelişimine büyük katkı yaptı. Lomonosov. Lomonosov, ısının bir cisimdeki atomların hareketini yansıttığını öne süren ilk kişiydi. Ayrıca molekülleri sırasıyla aynı ve farklı atomlardan oluşan basit ve karmaşık maddeler kavramını da ortaya attı.

Moleküler fizik veya moleküler kinetik teori, maddenin yapısı hakkındaki belirli fikirlere dayanmaktadır.

Dolayısıyla maddenin yapısına ilişkin atom teorisine göre, bir maddenin tüm kimyasal özelliklerini koruyan en küçük parçacığı bir moleküldür. Binlerce atomdan oluşan büyük moleküller bile ışık mikroskobuyla görülemeyecek kadar küçüktür. Çok sayıda deney ve teorik hesaplama, atomların boyutunun yaklaşık 10-10 m olduğunu göstermektedir.Bir molekülün boyutu, kaç atomdan oluştuğuna ve bunların birbirlerine göre nasıl konumlandığına bağlıdır.

Moleküler kinetik teori, kimyasal maddelerin en küçük parçacıkları olarak atomların ve moleküllerin varlığı fikrine dayanarak maddenin yapısını ve özelliklerini inceleyen bilim dalıdır.

Moleküler kinetik teorisi üç ana prensibe dayanmaktadır:

1. Tüm maddeler - sıvı, katı ve gaz - kendileri atomlardan ("temel moleküller") oluşan en küçük parçacıklardan - moleküllerden oluşur. Bir kimyasal maddenin molekülleri basit veya karmaşık olabilir; bir veya daha fazla atomdan oluşur. Moleküller ve atomlar elektriksel olarak nötr parçacıklardır. Belirli koşullar altında moleküller ve atomlar ek elektrik yükü kazanabilir ve pozitif veya negatif iyonlar haline gelebilir.

2. Atomlar ve moleküller sürekli kaotik hareket halindedir.

3. Parçacıklar birbirleriyle doğası gereği elektriksel kuvvetlerle etkileşime girer. Parçacıklar arasındaki çekimsel etkileşim ihmal edilebilir düzeydedir.

Moleküler kinetik teorinin atomların ve moleküllerin rastgele hareketi hakkındaki fikirlerinin en çarpıcı deneysel doğrulaması Brown hareketidir. Bu, bir sıvı veya gaz içinde asılı duran küçük mikroskobik parçacıkların termal hareketidir. 1827 yılında İngiliz botanikçi R. Brown tarafından keşfedilmiştir. Brown parçacıkları moleküllerin rastgele etkilerinin etkisi altında hareket eder. Moleküllerin kaotik termal hareketi nedeniyle bu etkiler asla birbirini dengelemez. Sonuç olarak, bir Brown parçacığının hızı büyüklük ve yön açısından rastgele değişir ve yörüngesi karmaşık bir zikzak eğrisidir.

Bir maddenin moleküllerinin sürekli kaotik hareketi, kolayca gözlemlenebilen başka bir fenomen olan difüzyonda da kendini gösterir. Difüzyon, iki veya daha fazla temas eden maddenin birbirine nüfuz etmesi olgusudur. İşlem gazda en hızlı şekilde gerçekleşir.

Moleküllerin rastgele kaotik hareketine termal hareket denir. Termal hareketin kinetik enerjisi artan sıcaklıkla artar.

Bir mol, 0,012 kg karbon 12 C'deki atom sayısıyla aynı sayıda parçacık (molekül) içeren bir madde miktarıdır. Bir karbon molekülü bir atomdan oluşur.

32. Moleküllerin kütlesi, moleküllerin bağıl moleküler kütlesi. 33. Moleküllerin molar kütlesi. 34. Madde miktarı. 35. Avogadro sabiti.

Moleküler kinetik teorisinde madde miktarının parçacık sayısıyla orantılı olduğu kabul edilir. Bir maddenin miktar birimine mol (mol) denir.

Bir mol, 0,012 kg (12 g) karbon 12 C'deki atom sayısıyla aynı sayıda parçacık (molekül) içeren bir madde miktarıdır. Bir karbon molekülü bir atomdan oluşur.

Bir maddenin bir molü, Avogadro sabitine eşit sayıda molekül veya atom içerir.

Dolayısıyla herhangi bir maddenin bir molü aynı sayıda parçacık (molekül) içerir. Bu sayıya Avogadro sabiti denir: N A: N A = 6,02·10 23 mol –1.

Avogadro sabiti moleküler kinetik teorideki en önemli sabitlerden biridir.

ν maddesinin miktarı, maddenin parçacıklarının (moleküllerinin) N sayısının Avogadro sabiti N A'ya oranı olarak tanımlanır:

Molar kütle, M, belirli bir madde örneğinin kütlesinin m, içinde bulunan madde miktarına oranıdır:

sayısal olarak bir mol miktarında alınan bir maddenin kütlesine eşittir. SI sisteminde molar kütle kg/mol cinsinden ifade edilir.

Dolayısıyla, bir maddenin bağıl moleküler veya atomik kütlesi, molekülünün ve atomunun kütlesinin, bir karbon atomunun kütlesinin 1/12'sine oranıdır.

36. Brown hareketi.

Birçok doğal olay, mikropartiküllerin, moleküllerin ve madde atomlarının kaotik hareketini gösterir. Maddenin sıcaklığı ne kadar yüksek olursa bu hareket o kadar yoğun olur. Bu nedenle bir cismin ısısı, onu oluşturan moleküllerin ve atomların rastgele hareketinin bir yansımasıdır.

Bir maddenin tüm atomlarının ve moleküllerinin sabit ve rastgele hareket halinde olduğunun kanıtı difüzyon olabilir - bir maddenin parçacıklarının diğerine nüfuz etmesi.

Böylece koku, hava hareketi olmasa bile odaya hızla yayılır. Bir damla mürekkep, bir bardak suyun tamamını hızla siyaha çevirir.

Katılarda birbirine sıkıca bastırılıp uzun süre bırakıldığında difüzyon da tespit edilebilir. Difüzyon olgusu, bir maddenin mikropartiküllerinin her yöne kendiliğinden hareket edebildiğini gösterir. Bir maddenin mikropartiküllerinin, moleküllerinin ve atomlarının bu hareketine termal hareket denir.

BROWN HAREKETİ - çevresel moleküllerden gelen etkilerin etkisi altında meydana gelen, bir sıvı veya gaz içinde asılı duran küçük parçacıkların rastgele hareketi; 1827'de R. Brown tarafından keşfedildi

Gözlemler Brown hareketinin asla durmadığını gösteriyor. Bir damla suda (kurumasına izin vermezseniz) tanelerin hareketi günlerce, aylarca, yıllarca gözlemlenebilir. Ne yazın, ne kışın, ne gündüzün, ne gecenin sonu durmuyor.

Brown hareketinin nedeni, katı maddenin taneciklerinin bulunduğu sıvının moleküllerinin sürekli, hiç bitmeyen hareketinde yatmaktadır. Elbette bu taneler moleküllerin kendisinden kat kat daha büyüktür ve mikroskop altında taneciklerin hareketini gördüğümüzde, moleküllerin hareketini gördüğümüzü düşünmemeliyiz. Moleküller sıradan bir mikroskopla görülemez, ancak onların varlığını ve hareketini, katı bir cismin taneciklerini iterek ve hareket ettirerek yarattıkları darbelerden yargılayabiliriz.

Brown hareketinin keşfi, maddenin yapısının incelenmesi açısından büyük önem taşıyordu. Bu, cisimlerin gerçekte bireysel parçacıklardan, moleküllerden oluştuğunu ve moleküllerin sürekli rastgele hareket halinde olduğunu gösterdi.

Brown hareketinin bir açıklaması ancak 19. yüzyılın son çeyreğinde yapıldı; birçok bilim adamı, Brown parçacığının hareketinin, termal harekete maruz kalan ortamdaki (sıvı veya gaz) moleküllerin rastgele etkilerinden kaynaklandığının açık bir şekilde ortaya çıktığını gördü. Ortalama olarak, ortamın molekülleri bir Brown parçacığını her yönden eşit kuvvetle etkiler, ancak bu etkiler hiçbir zaman birbirini tam olarak ortadan kaldırmaz ve sonuç olarak Brown parçacığının hızı, büyüklük ve yön açısından rastgele değişir. Bu nedenle Brown parçacığı zikzak bir yol boyunca hareket eder. Dahası, bir Brown parçacığının boyutu ve kütlesi ne kadar küçükse, hareketi de o kadar fark edilir hale gelir.

Böylece Brown hareketinin analizi, maddenin yapısına ilişkin modern moleküler kinetik teorinin temellerini attı.

37. Moleküller arasındaki etkileşim kuvvetleri. 38. Gaz halindeki maddelerin yapısı. 39. Sıvı maddelerin yapısı. 40. Katıların yapısı.

Moleküller arasındaki mesafe ve aralarında etkili olan kuvvetler gaz, sıvı ve katı cisimlerin özelliklerini belirler.

Sıvının bir kaptan diğerine dökülebileceğine ve gazın kendisine sağlanan hacmin tamamını hızla doldurmasına alışkınız. Su yalnızca nehir yatağı boyunca akabilir ve üzerindeki hava sınır tanımaz.

Tüm moleküller arasında, moleküller birbirlerinden uzaklaştıkça büyüklüğü çok hızlı bir şekilde azalan moleküller arası çekici kuvvetler vardır ve bu nedenle, birkaç moleküler çapa eşit bir mesafede, hiçbir şekilde etkileşime girmezler.

Böylece birbirine hemen hemen yakın konumdaki sıvı moleküller arasında çekici kuvvetler etki ederek bu moleküllerin farklı yönlere saçılmasını engeller. Aksine, gaz molekülleri arasındaki önemsiz çekim kuvvetleri onları bir arada tutamaz ve bu nedenle gazlar genişleyerek kendilerine sağlanan hacmin tamamını doldurabilir. Moleküller arası çekim kuvvetlerinin varlığı, basit bir deney yapılarak, iki kurşun çubuğun birbirine bastırılmasıyla doğrulanabilir. Temas yüzeyleri yeterince pürüzsüzse çubuklar birbirine yapışacak ve ayrılması zor olacaktır.

Ancak moleküller arası çekim kuvvetleri tek başına gaz, sıvı ve katı maddelerin özellikleri arasındaki tüm farklılıkları açıklayamaz. Örneğin, bir sıvının veya katının hacmini azaltmak neden bu kadar zorken, bir balonu sıkıştırmak neden nispeten kolaydır? Bu, moleküller arasında yalnızca çekici kuvvetlerin değil, aynı zamanda komşu moleküllerin atomlarının elektron kabukları üst üste gelmeye başladığında etki eden moleküller arası itici kuvvetlerin de bulunmasıyla açıklanmaktadır. Bir molekülün halihazırda başka bir molekül tarafından işgal edilen bir hacme nüfuz etmesini engelleyen de bu itici kuvvetlerdir.

Sıvı veya katı bir cisme hiçbir dış kuvvet etki etmediğinde, molekülleri arasındaki mesafe, sonuçta ortaya çıkan çekme ve itme kuvvetlerinin sıfır olacağı kadardır. Bir cismin hacmini küçültmeye çalışırsanız, moleküller arasındaki mesafe azalır ve bunun sonucunda artan itme kuvvetleri, sıkıştırılmış cismin yanından etki etmeye başlar. Aksine, bir cisim gerildiğinde ortaya çıkan elastik kuvvetler, çekim kuvvetlerinde göreceli bir artışla ilişkilidir, çünkü Moleküller birbirlerinden uzaklaştığında itici kuvvetler çekici kuvvetlerden çok daha hızlı düşer.

Gaz molekülleri, boyutlarından onlarca kat daha büyük mesafelerde bulunur, bunun sonucunda bu moleküller birbirleriyle etkileşime girmez ve bu nedenle gazlar, sıvılara ve katılara göre çok daha kolay sıkıştırılır. Gazların belirli bir yapısı yoktur ve hareket eden ve çarpışan moleküllerin birleşimidir.

Sıvı, birbirine hemen hemen bitişik olan moleküllerin topluluğudur. Termal hareket, sıvı bir molekülün zaman zaman komşularını değiştirmesine, bir yerden diğerine atlamasına olanak tanır. Bu sıvıların akışkanlığını açıklar.

Katıların atomları ve molekülleri, komşularını değiştirme yeteneğinden yoksundur ve termal hareketleri, komşu atomların veya moleküllerin konumuna göre yalnızca küçük dalgalanmalardır. Atomlar arasındaki etkileşim, katının kristal haline gelmesine ve içindeki atomların kristal kafesin yerlerinde pozisyon almasına yol açabilir. Katı cisimlerin molekülleri komşularına göre hareket etmediği için bu cisimler şekillerini korur.

41. Moleküler kinetik teorisinde ideal gaz.

İdeal bir gaz, moleküller arasındaki etkileşimlerin ihmal edildiği, seyreltilmiş bir gazın modelidir. Moleküller arasındaki etkileşim kuvvetleri oldukça karmaşıktır. Çok kısa mesafelerde moleküller birbirine yaklaştığında aralarında büyük itme kuvvetleri etki eder. Moleküller arasındaki büyük veya orta mesafelerde nispeten zayıf çekici kuvvetler etki eder. Moleküller arasındaki mesafeler ortalama olarak büyükse, ki bu oldukça seyrekleştirilmiş bir gazda gözlenir, o zaman etkileşim, moleküllerin yakın uçtuklarında birbirleriyle nispeten nadir çarpışmaları şeklinde kendini gösterir. İdeal bir gazda moleküllerin etkileşimi tamamen ihmal edilir.

42. Moleküler kinetik teoride gaz basıncı.

İdeal bir gaz, moleküller arasındaki etkileşimlerin ihmal edildiği, seyreltilmiş bir gazın modelidir.

İdeal bir gazın basıncı, moleküllerin konsantrasyonunun ve ortalama kinetik enerjilerinin çarpımı ile orantılıdır.

Gaz bizi her taraftan kuşatıyor. Dünyanın herhangi bir yerinde, hatta su altında bile, alt katmanları üst katmanlardan gelen yerçekiminin etkisi altında sıkıştırılan atmosferin bir kısmını taşıyoruz. Bu nedenle atmosfer basıncını ölçerek üstümüzde neler olup bittiğini anlayabilir ve hava durumunu tahmin edebiliriz.

43. İdeal bir gazın moleküllerinin kare hızının ortalama değeri.

44. Gazın moleküler kinetik teorisinin temel denkleminin türetilmesi. 45. Gaz moleküllerinin basıncı ve ortalama kinetik enerjisini ilişkilendiren formülün türetilmesi.

Belirli bir yüzey alanı üzerindeki basınç p, bu yüzeye dik etki eden F kuvvetinin, verilen alanın S alanına oranıdır.

SI basınç birimi Pascal'dır (Pa). 1 Pa = 1 N/m2.

Kütlesi m0 olan bir molekülün geri döndüğü yüzeye etki ettiği F kuvvetini bulalım. Dt süresi boyunca bir yüzeyden yansıtıldığında, molekülün hızının bu yüzeye dik bileşeni olan vy, ters (-vy) olarak değişir. Bu nedenle, yüzeyden yansıtıldığında molekül 2m0vy momentum kazanır ve dolayısıyla Newton'un üçüncü yasasına göre 2m0vy = FDt olur; buradan:

Formül (22.2), Dt aralığı boyunca bir gaz molekülünün kabın duvarına uyguladığı kuvveti hesaplamayı mümkün kılar. Örneğin bir saniyede gaz basıncının ortalama kuvvetini belirlemek için, S alanının yüzey alanından saniyede kaç molekülün yansıtılacağını bulmak gerekir ve ayrıca ortalama hız vy'yi bilmek gerekir. Belirli bir yüzey yönünde hareket eden moleküllerin sayısı.

Gazın birim hacmi başına n molekül olsun. Tüm gaz moleküllerinin aynı v hızıyla hareket ettiğini varsayarak görevimizi basitleştirelim. Bu durumda tüm moleküllerin 1/3'ü Ox ekseni boyunca hareket eder ve aynı miktar da Oy ve Oz ekseni boyunca hareket eder (bkz. Şekil 22c). Oy ekseni boyunca hareket eden moleküllerin yarısının C duvarına, geri kalanının ise ters yönde hareket etmesine izin verin. O zaman açıkça C duvarına doğru koşan birim hacim başına molekül sayısı n/6 olacaktır.

Şimdi S alanının (Şekil 22c'de gölgeli) yüzey alanına bir saniyede çarpan molekül sayısını bulalım. Açıkçası, 1 saniye içinde ona doğru hareket eden ve v'den daha büyük olmayan bir mesafede bulunan moleküllerin duvara ulaşma zamanı olacaktır. Bu nedenle, Şekilde vurgulanan dikdörtgen paralel boruda yer alan tüm moleküllerin 1/6'sı yüzeyin bu alanına çarpacaktır. Uzunluğu v ve uç yüzlerin alanı S olan 22c. Bu paralel borunun hacmi Sv olduğundan, 1 s'de duvar yüzeyinin bir bölümüne çarpan toplam N molekül sayısı şuna eşit olacaktır: :

(22.2) ve (22.3)'ü kullanarak, S alanının duvar yüzeyinin bir bölümünde gaz moleküllerine 1 s içinde verilen itkiyi hesaplayabiliriz. Bu itme sayısal olarak gaz basınç kuvveti F'ye eşit olacaktır:

dolayısıyla (22.1)'i kullanarak gaz basıncına ve moleküllerinin öteleme hareketinin ortalama kinetik enerjisine ilişkin aşağıdaki ifadeyi elde ederiz:

burada E CP ideal gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjisidir. Formül (22.4) gazların moleküler kinetik teorisinin temel denklemi olarak adlandırılır.

46. ​​​​Termal denge. 47. Sıcaklık. Sıcaklık değişimi. 48. Sıcaklığı ölçmek için aletler.

Cisimler arasındaki termal denge ancak sıcaklıkları aynı olduğunda mümkündür.

Herhangi bir cisme elimizle dokunarak onun sıcak mı yoksa soğuk mu olduğunu kolaylıkla anlayabiliriz. Bir cismin sıcaklığı el sıcaklığından düşükse soğuk görünür, tam tersi ise sıcak görünür. Yumruğunuzda soğuk bir bozuk para tutarsanız, elin sıcaklığı parayı ısıtmaya başlayacak ve bir süre sonra sıcaklığı elin sıcaklığına eşit hale gelecek veya dedikleri gibi termal denge oluşacaktır. Bu nedenle sıcaklık, aynı sıcaklığa sahip iki veya daha fazla cisimden oluşan bir sistemin termal denge durumunu karakterize eder.

Sıcaklık, gaz hacmi ve basıncın yanı sıra makroskobik parametrelerdir. Termometreler sıcaklığı ölçmek için kullanılır. Bazıları ısıtıldığında sıvının hacmindeki değişiklikleri kaydederken, diğerleri elektrik direncindeki değişiklikleri vb. kaydeder. En yaygın olanı İsveçli fizikçi A. Celsius'un adını taşıyan Celsius sıcaklık ölçeğidir. Bir sıvı termometrenin Celsius sıcaklık ölçeğini elde etmek için, önce eriyen buza daldırılır ve kolonun ucunun konumu not edilir, ardından kaynar suya batırılır. Sütunun bu iki konumu arasındaki bölüm, eriyen buzun sıcaklığının sıfır santigrat dereceye (o C) ve kaynayan suyun sıcaklığının 100 o C'ye karşılık geldiği varsayılarak 100 eşit parçaya bölünür.

49. Termal dengede gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi.

Moleküler kinetik teorisinin temel denklemi (22.4), gaz basıncı, moleküllerin konsantrasyonu ve ortalama kinetik enerjileri ile ilgilidir. Bununla birlikte, birçok deneyin sonuçları artan sıcaklıkla moleküllerin hızının arttığını göstermesine rağmen, moleküllerin ortalama kinetik enerjisi kural olarak bilinmemektedir (örneğin bkz. §20'deki Brown hareketi). Gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjisinin sıcaklığına bağımlılığı, Fransız fizikçi J. Charles'ın 1787'de keşfettiği yasadan elde edilebilir.

50. Termal denge durumundaki gazlar (deneyi açıklayın).

51. Mutlak sıcaklık. 52. Mutlak sıcaklık ölçeği. 53. Sıcaklık, moleküllerin ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür.

Gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjisinin sıcaklığına bağımlılığı, Fransız fizikçi J. Charles'ın 1787'de keşfettiği yasadan elde edilebilir.

Charles yasasına göre, eğer belirli bir gaz kütlesinin hacmi değişmiyorsa, basıncı pt doğrusal olarak t sıcaklığına bağlıdır:

burada t, o C cinsinden ölçülen gaz sıcaklığıdır ve p 0, 0 o C sıcaklıktaki gaz basıncıdır (bkz. Şekil 23b). Dolayısıyla Charles yasasından, sabit bir hacim kaplayan bir gazın basıncının toplamla (t + 273 o C) orantılı olduğu sonucu çıkar. Öte yandan, (22.4)'ten, eğer moleküllerin konsantrasyonu sabitse, yani; gazın kapladığı hacim değişmiyorsa, gaz basıncı moleküllerin ortalama kinetik enerjisiyle orantılı olmalıdır. Bu, gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjisinin (ESR) (t + 273 o C) değeriyle orantılı olduğu anlamına gelir:

burada b, değerini daha sonra belirleyeceğimiz sabit bir katsayıdır. (23.2)'den moleküllerin ortalama kinetik enerjisinin -273 o C'de sıfıra eşit olacağı sonucu çıkar. Buna dayanarak, İngiliz bilim adamı W. Kelvin 1848'de mutlak sıcaklık ölçeği kullanmayı önerdi; sıfır sıcaklık buna karşılık gelecek -273 o C'ye kadar ve sıcaklığın her derecesi Santigrat ölçeğinde bir dereceye eşit olacaktır. Dolayısıyla mutlak sıcaklık T, Celsius cinsinden ölçülen sıcaklık t ile aşağıdaki şekilde ilişkilidir:

Mutlak sıcaklığın SI birimi Kelvin'dir (K).

(23.3) dikkate alınarak, denklem (23.2) şu şekilde dönüştürülür:

(22.4)'te bunu yerine koyarsak aşağıdakini elde ederiz:

(23.5)'teki kesirden kurtulmak için 2b/3'ü k ile değiştiririz ve (23.4) ve (23.5) yerine iki çok önemli denklem elde ederiz:

burada k, L. Boltzmann'ın adını taşıyan Boltzmann sabitidir. Deneyler k=1.38.10 -23 J/K olduğunu göstermiştir. Dolayısıyla bir gazın basıncı ve moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi, gazın mutlak sıcaklığıyla orantılıdır.

54. Gaz basıncının moleküllerinin konsantrasyonuna ve sıcaklığına bağımlılığı.

Çoğu durumda, bir gaz bir durumdan diğerine geçtiğinde, tüm parametreleri değişir - sıcaklık, hacim ve basınç. Bu durum, gazın içten yanmalı bir motor silindirinde bir pistonun altında sıkıştırılmasıyla meydana gelir ve gaz sıcaklığının ve basıncının artmasına ve hacminin azalmasına neden olur. Ancak bazı durumlarda gaz parametrelerinden birindeki değişiklikler nispeten küçüktür veya hatta yoktur. Üç parametreden birinin (sıcaklık, basınç veya hacim) değişmeden kaldığı bu tür işlemlere izoprosesler denir ve bunları tanımlayan yasalara gaz yasaları denir.

55. Gaz moleküllerinin hızının ölçülmesi. 56. Stern deneyi.

Öncelikle molekül hızının ne anlama geldiğini açıklayalım. Sık çarpışmalar nedeniyle her bir molekülün hızının sürekli değiştiğini hatırlayalım: Molekül bazen hızlı, bazen yavaş hareket eder ve bir süre (örneğin bir saniye) molekülün hızı birçok farklı değer alır. . Öte yandan, söz konusu gazın hacmini oluşturan çok sayıda molekülün içinde her an çok farklı hızlara sahip moleküller bulunur. Açıkçası, gazın durumunu karakterize etmek için ortalama bir hızdan bahsetmemiz gerekir. Bunun, yeterince uzun bir süre boyunca moleküllerden birinin hızının ortalama değeri olduğunu veya bunun, belirli bir hacimdeki tüm gaz moleküllerinin zamanın herhangi bir noktasındaki hızlarının ortalama değeri olduğunu varsayabiliriz.

Moleküllerin hareket hızını belirlemenin çeşitli yolları vardır. En basitlerinden biri 1920'de Stern deneyinde uygulanan yöntemdir.

Pirinç. 390. A camının altındaki boşluk hidrojen ile doldurulduğunda; daha sonra gözenekli B kabı tarafından kapatılan huninin ucundan kabarcıklar çıkar.

Bunu anlamak için aşağıdaki benzetmeyi düşünün. Hareketli bir hedefe ateş ederken onu vurabilmek için hedefin önündeki bir noktaya nişan almanız gerekir. Hedefe nişan alırsanız mermiler hedefin arkasından vurur. Etki bölgesinin hedeften bu sapması, hedef ne kadar hızlı hareket ederse ve mermilerin hızı o kadar düşük olacaktır.

Otto Stern'in (1888–1969) deneyi, gaz moleküllerinin hız dağılımının deneysel olarak doğrulanması ve görselleştirilmesine adanmıştı. Bu, bir deney düzeneğinde bu dağılımın grafiğini kelimenin tam anlamıyla "çizmeyi" mümkün kılan başka bir güzel deneydir. Stern'ün kurulumu eksenleri çakışan iki adet dönen içi boş silindirden oluşuyordu (sağdaki şekle bakınız; büyük silindir tamamen çizilmemiştir). İç silindirde, içinden bir akımın geçtiği, doğrudan ekseni boyunca bir gümüş iplik (1) gerildi, bu da ısınmasına, kısmen erimesine ve ardından gümüş atomlarının yüzeyinden buharlaşmasına yol açtı. Sonuç olarak, başlangıçta bir vakum içeren iç silindir, yavaş yavaş düşük konsantrasyonlu gaz halindeki gümüşle dolduruldu. İç silindirde şekilde görüldüğü gibi ince bir yarık (2) yapılmış, böylece silindire ulaşan gümüş atomlarının çoğu bunun üzerine yerleşmiştir. Atomların küçük bir kısmı boşluktan geçti ve vakumun muhafaza edildiği dış silindire düştü. Burada bu atomlar artık diğer atomlarla çarpışmazlar ve bu nedenle radyal yönde sabit bir hızla hareket ederek, bu hızla ters orantılı bir süre sonra dış silindire ulaşırlar:

iç ve dış silindirlerin yarıçapları nerede ve parçacık hızının radyal bileşenidir. Sonuç olarak, zamanla dış silindirin (3) üzerinde bir gümüş kaplama tabakası belirdi. Durgun silindirler durumunda bu katman, iç silindirdeki yarıkların tam karşısına yerleştirilmiş bir şerit biçimindeydi. Ancak silindirler aynı açısal hızla dönüyorsa, molekül dış silindire ulaştığında dış silindir zaten belli bir mesafe kaymış demektir.

yarığın tam karşısındaki noktayla (yani sabit silindirler durumunda parçacıkların yerleştiği nokta) karşılaştırıldığında.

57. İdeal bir gazın durum denkleminin türetilmesi (Mendeleev-Clayperon denklemi)

Gazlar genellikle kimyasal reaksiyonlarda reaktanlar ve ürünlerdir. Normal şartlarda birbirleriyle reaksiyona girmelerini sağlamak her zaman mümkün değildir. Bu nedenle normalin dışındaki koşullar altında gazların mol sayısını nasıl belirleyeceğinizi öğrenmeniz gerekir.

Bunu yapmak için ideal gaz hal denklemini kullanın (ayrıca Clapeyron-Mendeleev denklemi de denir): PV = nRT

burada n, gazın mol sayısıdır;

P – gaz basıncı (örneğin atm cinsinden;

V – gaz hacmi (litre cinsinden);

T – gaz sıcaklığı (kelvin cinsinden);

R – gaz sabiti (0,0821 l atm/mol K).

Denklemin bir türevini buldum ama çok karmaşık. Hala bakmamız gerekiyor.

58. İzotermal süreç.

İzotermal bir süreç, sıcaklığının sabit kaldığı bir gazın durumundaki bir değişikliktir. Böyle bir işleme örnek olarak araba lastiklerinin havayla şişirilmesi verilebilir. Ancak havanın pompaya girmeden önceki durumu ile lastiğin sıcaklığı ve çevredeki havanın sıcaklığı eşitlendikten sonra lastikteki durumu karşılaştırılırsa böyle bir süreç izotermal olarak değerlendirilebilir. Sabit sıcaklığa sahip büyük bir gaz, sıvı veya katı kütlesi ile çevrelenmiş küçük hacimli bir gazla meydana gelen herhangi bir yavaş süreç, izotermal olarak kabul edilebilir.

İzotermal bir süreçte, belirli bir gaz kütlesinin basıncının ve hacminin çarpımı sabit bir değerdir. Boyle-Mariotte yasası olarak adlandırılan bu yasa, İngiliz bilim adamı R. Boyle ve Fransız fizikçi E. Mariotte tarafından keşfedilmiştir ve şu şekilde yazılmıştır:

Örnekler bulun!

59. İzobarik süreç.

İzobarik bir süreç, sabit basınçta meydana gelen bir gazın durumundaki bir değişikliktir.

İzobarik bir süreçte, belirli bir gaz kütlesinin hacminin sıcaklığına oranı sabittir. Fransız bilim adamı J. Gay-Lussac'ın anısına Gay-Lussac yasası olarak adlandırılan bu sonuç şu şekilde yazılabilir:

İzobarik prosesin bir örneği, hamur fırına yerleştirildiğinde içindeki küçük hava ve karbondioksit kabarcıklarının genleşmesidir. Fırının içindeki ve dışındaki hava basıncı aynıdır ve içerideki sıcaklık dışarıya göre yaklaşık %50 daha yüksektir. Gay-Lussac yasasına göre hamurdaki gaz kabarcıklarının hacmi de %50 oranında artarak kekin havadar olmasını sağlar.

60. İzokorik süreç.

Bir gazın durumunun değiştiği ancak hacminin değişmediği bir sürece izokorik denir. Mendeleev-Clapeyron denkleminden, sabit bir hacim kaplayan bir gaz için basıncının sıcaklığa oranının da sabit olması gerektiği sonucu çıkar:

Örnekler bulun!

61. Buharlaşma ve yoğunlaşma.

Buhar, bir sıvıdan kaçmak için yeterli kinetik enerjiye sahip moleküllerden oluşan bir gazdır.

Su ile buharının birbirine dönüşebileceği gerçeğine alışığız. Asfalttaki su birikintileri yağmurdan sonra kurur ve sabahları havadaki su buharı sıklıkla küçük sis damlacıklarına dönüşür. Tüm sıvılar buhara dönüşme, gaz haline geçme yeteneğine sahiptir. Sıvının buhara dönüşme işlemine buharlaşma denir. Buharından sıvı oluşmasına yoğunlaşma denir.

Moleküler kinetik teori buharlaşma sürecini şu şekilde açıklar. Sıvı moleküller arasında çekici bir kuvvetin etki ederek birbirlerinden uzaklaşmalarını önlediği ve sıvı moleküllerin ortalama kinetik enerjisinin aralarındaki yapışma kuvvetlerini yenmek için yeterli olmadığı bilinmektedir (bkz. §21). Bununla birlikte, zamanın herhangi bir anında, bir sıvının farklı molekülleri farklı kinetik enerjiye sahiptir ve bazı moleküllerin enerjisi, ortalama değerinden birkaç kat daha yüksek olabilir. Bu yüksek enerjili moleküller önemli ölçüde daha yüksek bir hareket hızına sahiptir ve bu nedenle komşu moleküllerin çekici kuvvetlerinin üstesinden gelebilir ve sıvının dışına uçarak yüzeyinin üzerinde buhar oluşturabilir (bkz. Şekil 26a).

Sıvıyı terk eden buharı oluşturan moleküller, termal hareket sırasında gaz moleküllerinin yaptığı gibi, rastgele hareket ederek birbirleriyle çarpışırlar. Aynı zamanda, bazı buhar moleküllerinin kaotik hareketi, onları sıvının yüzeyinden o kadar uzaklaştırabilir ki, bir daha asla oraya geri dönmezler. Elbette rüzgarın da buna katkısı var. Aksine, diğer moleküllerin rastgele hareketi onları tekrar sıvıya yönlendirebilir, bu da buhar yoğunlaşma sürecini açıklar.

Yalnızca ortalamadan çok daha yüksek kinetik enerjiye sahip moleküller sıvıdan uçabilir, bu da buharlaşma sırasında kalan sıvı moleküllerin ortalama enerjisinin azaldığı anlamına gelir. Ve gaz gibi bir sıvının moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi (bkz. 23.6) sıcaklıkla orantılı olduğundan, buharlaşma sırasında sıvının sıcaklığı düşer. Bu nedenle ince bir sıvı tabakasıyla kaplı sudan çıktığımız anda soğuyoruz ve su hemen buharlaşmaya ve soğumaya başlıyor.

62. Doymuş buhar. Doymuş buhar basıncı.

Belirli bir hacimde sıvı içeren bir kap kapakla kapatılırsa ne olur (Şekil 26b)? Her saniye en hızlı moleküller sıvının yüzeyini terk etmeye devam edecek, kütlesi azalacak ve buhar moleküllerinin konsantrasyonu artacaktır. Aynı zamanda moleküllerinin bir kısmı buhardan sıvıya dönecek ve buharın konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa, bu yoğunlaşma süreci o kadar yoğun olacaktır. Son olarak, sıvının üzerindeki buhar konsantrasyonu o kadar yüksek olacaktır ki, birim zamanda sıvıya dönen moleküllerin sayısı, onu terk eden moleküllerin sayısına eşit olacaktır. Bu duruma dinamik denge denir ve buna karşılık gelen buhara doymuş buhar denir. Buhar moleküllerinin sıvının üzerindeki konsantrasyonu, doymuş buhardaki konsantrasyonlarından daha büyük olamaz. Buhar moleküllerinin konsantrasyonu doymuş buhardan daha azsa, bu tür buharlara doymamış buhar denir.

Hareket eden buhar molekülleri, bir gazda olduğu gibi, büyüklüğü bu moleküllerin konsantrasyonunun ve sıcaklığın çarpımı ile orantılı olan bir basınç yaratır. Bu nedenle, belirli bir sıcaklıkta buharın konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa uyguladığı basınç da o kadar büyük olur. Doymuş buhar basıncı sıvının cinsine ve sıcaklığına bağlıdır. Bir sıvının moleküllerini birbirinden ayırmak ne kadar zorsa doymuş buhar basıncı da o kadar düşük olur. Böylece, 20 o C sıcaklıktaki suyun doymuş buhar basıncı yaklaşık 2 kPa, cıvanın ise 20 o C sıcaklıktaki doymuş buhar basıncı yalnızca 0,2 Pa'dır.

İnsanların, hayvanların ve bitkilerin yaşamı, yılın yerine ve zamanına bağlı olarak büyük ölçüde değişen, atmosferdeki su buharı (nem) konsantrasyonuna bağlıdır. Tipik olarak etrafımızdaki su buharı doymamıştır. Bağıl nem, aynı sıcaklıkta su buharı basıncının doymuş buhar basıncına oranıdır ve yüzde olarak ifade edilir. Hava nemini ölçmek için kullanılan cihazlardan biri, biri nemli bir beze sarılmış iki özdeş termometreden oluşan bir psikrometredir.

63. Doymuş buhar basıncının sıcaklığa bağlılığı.

Buhar, bir sıvının buharlaştırılmış molekülleri tarafından oluşturulan bir gazdır ve bu nedenle buhar basıncı, p, içindeki moleküllerin konsantrasyonu, n ve mutlak sıcaklık, T ile ilgili denklem (23.7) onun için geçerlidir:

(27.1)'den, izokorik süreçlerde ideal gazlarda olduğu gibi, doymuş buhar basıncının artan sıcaklıkla doğrusal olarak artması gerektiği sonucu çıkar (bkz. §25). Ancak ölçümlerin gösterdiği gibi, doymuş buharın basıncı sıcaklıkla birlikte ideal gazın basıncından çok daha hızlı artar (bkz. Şekil 27a). Bunun nedeni, artan sıcaklık ve dolayısıyla ortalama kinetik enerjiyle birlikte, giderek daha fazla sıvı molekülün onu terk etmesi ve bunun üzerindeki buhar konsantrasyonunun n artmasıdır. Ve çünkü (27.1)'e göre basınç n ile orantılıdır, bu durumda buhar konsantrasyonundaki bu artış, ideal bir gazla karşılaştırıldığında doymuş buhar basıncının sıcaklıkla daha hızlı artışını açıklar. Doymuş buhar basıncının sıcaklıkla artması, ısıtıldığında sıvıların daha hızlı buharlaştığı bilinen gerçeğini açıklamaktadır. Sıcaklık artışı sıvının tamamen buharlaşmasına yol açtığı anda buharın doymamış hale geleceğini unutmayın.

Kabarcıkların her birindeki sıvı ısıtıldığında buharlaşma süreci hızlanır ve doymuş buhar basıncı artar. Kabarcıklar genişler ve Arşimet'in kaldırma kuvvetinin etkisi altında alttan kırılır, yukarı doğru yüzer ve yüzeyde patlar. Bu durumda kabarcıkları dolduran buhar atmosfere taşınır.

Atmosfer basıncı ne kadar düşük olursa, bu sıvının kaynadığı sıcaklık da o kadar düşük olur (bkz. Şekil 27c). Yani hava basıncının normalin yarısı kadar olduğu Elbruz Dağı'nın zirvesinde sıradan su 100 o C'de değil 82 o C'de kaynar. Tam tersine sıvının kaynama noktasının arttırılması gerekiyorsa , daha sonra artan basınçta ısıtılır. Bu, örneğin, su içeren yiyeceklerin kaynatılmadan 100 o C'nin üzerindeki bir sıcaklıkta pişirilebildiği düdüklü tencerelerin çalışmasının temelidir.

64. Kaynatma.

Kaynama, bir sıvının tüm hacmi boyunca ve yüzeyinde meydana gelen yoğun bir buharlaşma sürecidir. Bir sıvı, doymuş buhar basıncı sıvının içindeki basınca yaklaştığında kaynamaya başlar.

Kaynama, bir sıvının ısıtıldığında yüzeyinde yüzen ve patlayan çok sayıda buhar kabarcığının oluşmasıdır. Aslında bu kabarcıklar sıvının içinde her zaman bulunur ancak boyutları artar ve ancak kaynarken fark edilir hale gelirler. Bir sıvının içerisinde daima mikrokabarcıkların bulunmasının nedenlerinden biri de aşağıdaki gibidir. Sıvı, bir kaba döküldüğünde oradan havayı uzaklaştırır ancak bunu tam olarak yapamaz ve küçük kabarcıkları kabın iç yüzeyindeki mikro çatlaklar ve düzensizlikler içinde kalır. Ek olarak, sıvılar genellikle küçük toz parçacıklarına yapışmış mikro buhar ve hava kabarcıkları içerir.

Kabarcıkların her birindeki sıvı ısıtıldığında buharlaşma süreci hızlanır ve doymuş buhar basıncı artar. Kabarcıklar genişler ve Arşimet'in kaldırma kuvvetinin etkisi altında alttan kırılır, yukarı doğru yüzer ve yüzeyde patlar. Bu durumda kabarcıkları dolduran buhar atmosfere taşınır. Bu nedenle kaynamaya, sıvının tüm hacmi boyunca meydana gelen buharlaşma denir. Kaynama, gaz kabarcıklarının genişleyebildiği sıcaklıkta başlar ve bu, doymuş buhar basıncının atmosfer basıncını aşması durumunda meydana gelir. Dolayısıyla kaynama noktası, belirli bir sıvının doymuş buhar basıncının atmosfer basıncına eşit olduğu sıcaklıktır. Sıvı kaynarken sıcaklığı sabit kalır.

Arşimet kaldırma kuvvetinin katılımı olmadan kaynatma işlemi imkansızdır. Bu nedenle, ağırlıksızlık koşullarındaki uzay istasyonlarında kaynama olmaz ve suyun ısıtılması yalnızca buhar kabarcıklarının boyutunda bir artışa ve bunların su ile bir kap içinde büyük bir buhar kabarcığı halinde birleşmesine yol açar.

65. Kritik sıcaklık.

Kritik sıcaklık diye bir şey de var; eğer bir gaz kritik sıcaklığın üzerinde bir sıcaklıktaysa (her gaz için ayrı ayrı, örneğin karbon dioksit için yaklaşık 304 K), o zaman ne olursa olsun artık sıvıya dönüştürülemez. ona ne tür bir baskı uygulanıyor. Bu olay, kritik bir sıcaklıkta sıvının yüzey gerilim kuvvetlerinin sıfır olması nedeniyle meydana gelir.

Tablo 23. Bazı maddelerin kritik sıcaklığı ve kritik basıncı

Kritik sıcaklığın varlığı neyi gösterir? Daha da yüksek sıcaklıklarda ne olur?

Deneyimler, kritik sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda bir maddenin yalnızca gaz halinde olabileceğini göstermektedir.

Kritik sıcaklığın varlığına ilk kez 1860 yılında Dmitry Ivanovich Mendeleev tarafından dikkat çekilmiştir.

Kritik sıcaklığın keşfinden sonra oksijen veya hidrojen gibi gazların neden uzun süre sıvıya dönüşemediği anlaşıldı. Kritik sıcaklıkları çok düşüktür (Tablo 23). Bu gazların sıvıya dönüştürülebilmesi için kritik sıcaklığın altına soğutulmaları gerekir. Bu olmadan, onları sıvılaştırmaya yönelik tüm girişimler başarısızlığa mahkumdur.

66. Kısmi basınç. Bağıl nem. 67. Bağıl hava nemini ölçen aletler.

İnsanların, hayvanların ve bitkilerin yaşamı, yılın yerine ve zamanına bağlı olarak büyük ölçüde değişen, atmosferdeki su buharı (nem) konsantrasyonuna bağlıdır. Tipik olarak etrafımızdaki su buharı doymamıştır. Bağıl nem, aynı sıcaklıkta su buharı basıncının doymuş buhar basıncına oranıdır ve yüzde olarak ifade edilir. Hava nemini ölçmek için kullanılan cihazlardan biri, biri nemli bir beze sarılmış iki özdeş termometreden oluşan bir psikrometredir.Hava nemi %100'ün altına düştüğünde, bezdeki su buharlaşacak ve B termometresi soğuk, A'dan daha düşük bir sıcaklık gösterir. Hava nemi ne kadar düşük olursa, A ve B termometrelerinin okumaları arasındaki fark (Dt) o kadar büyük olur. Özel bir psikrometrik tablo kullanılarak havanın nemi bu sıcaklık farkından belirlenebilir.

Kısmi basınç, bir gaz karışımında bulunan belirli bir gazın, karışımın sıcaklığında tek başına karışımın tüm hacmini kaplaması durumunda, bu gazın kendisini içeren kabın duvarlarına uygulayacağı basınçtır.

Kısmi basınç doğrudan ölçülmez, ancak karışımın toplam basıncına ve bileşimine göre tahmin edilir.

Suda veya vücut dokusunda çözünen gazlar da basınç uygular çünkü çözünmüş gaz molekülleri rastgele hareket halindedir ve kinetik enerjiye sahiptir. Sıvı içinde çözünmüş bir gaz, hücre zarı gibi bir yüzeye çarptığında, gaz karışımındaki gazla aynı şekilde kısmi bir basınç uygular.

Basınç basıncı doğrudan ölçülemez; karışımın toplam basıncına ve bileşimine göre hesaplanır.

Sıvı içinde çözünmüş bir gazın kısmi basıncının büyüklüğünü belirleyen faktörler. Bir çözeltideki bir gazın kısmi basıncı yalnızca konsantrasyonuyla değil aynı zamanda çözünürlük katsayısıyla da belirlenir. Karbon dioksit gibi bazı molekül türleri su moleküllerine fiziksel veya kimyasal olarak bağlanırken diğerleri itilir. Bu ilişkiye Henry yasası denir ve aşağıdaki formülle ifade edilir: Kısmi basınç = Çözünmüş gaz konsantrasyonu / Çözünürlük katsayısı.

68. Yüzey gerilimi.

Sıvıların en ilginç özelliği serbest bir yüzeyin varlığıdır. Sıvı, gazlardan farklı olarak içine döküldüğü kabın hacminin tamamını doldurmaz. Sıvı ile gaz (veya buhar) arasında, sıvının geri kalanına göre özel koşullar altında olan bir arayüz oluşturulur. Bir sıvının sınır tabakasındaki moleküller, derinliğindeki moleküllerin aksine, aynı sıvının diğer molekülleri tarafından her taraftan çevrelenmez. Sıvı içindeki moleküllerden birine komşu moleküllerden etki eden moleküller arası etkileşim kuvvetleri ortalama olarak karşılıklı olarak telafi edilir. Sınır tabakasındaki herhangi bir molekül, sıvının içinde bulunan moleküller tarafından çekilir (belirli bir sıvı molekülüne gaz (veya buhar) moleküllerinden etki eden kuvvetler ihmal edilebilir). Sonuç olarak, sıvının derinliklerine yönlendirilen belirli bir kuvvet ortaya çıkar. Yüzey molekülleri, moleküller arası çekim kuvvetleri tarafından sıvının içine çekilir. Ancak sınır tabakasının molekülleri de dahil olmak üzere tüm moleküllerin denge halinde olması gerekir. Bu denge, yüzey katmanındaki moleküller ile sıvı içindeki en yakın komşuları arasındaki mesafenin biraz azaltılmasıyla sağlanır. Olarak Şekil l'de görülebilir. 3.1.2, moleküller arasındaki mesafe azaldığında itici kuvvetler ortaya çıkar. Sıvının içindeki moleküller arasındaki ortalama mesafe r0'a eşitse, yüzey katmanındaki moleküller biraz daha yoğun bir şekilde paketlenir ve bu nedenle iç moleküllere kıyasla ek bir potansiyel enerji kaynağına sahiptirler (bkz. Şekil 3.1.2). . Son derece düşük sıkıştırılabilirlik nedeniyle, daha yoğun bir şekilde paketlenmiş yüzey katmanının varlığının, sıvının hacminde gözle görülür herhangi bir değişikliğe yol açmadığı unutulmamalıdır. Bir molekül yüzeyden sıvıya doğru hareket ederse, moleküller arası etkileşim kuvvetleri pozitif iş yapacaktır. Aksine, belirli sayıda molekülün sıvının derinliklerinden yüzeye çekilmesi (yani sıvının yüzey alanının arttırılması) için, dış kuvvetlerin ΔS değişimiyle orantılı olarak pozitif iş ΔAext yapması gerekir. yüzey alanı: ΔAext = σΔS.

σ katsayısına yüzey gerilim katsayısı (σ > 0) denir. Böylece yüzey gerilim katsayısı, sabit sıcaklıkta bir sıvının yüzey alanını bir birim artırmak için gereken işe eşittir.

SI'da yüzey gerilimi katsayısı metrekare başına joule (J/m2) veya metre başına newton (1 N/m = 1 J/m2) cinsinden ölçülür.

Mekanikten bir sistemin denge durumlarının potansiyel enerjisinin minimum değerine karşılık geldiği bilinmektedir. Bundan, sıvının serbest yüzeyinin alanını azaltma eğiliminde olduğu sonucu çıkar. Bu nedenle serbest bir sıvı damlası küresel bir şekil alır. Sıvı, yüzeyine teğetsel olarak etki eden kuvvetler bu yüzeyi daraltıyor (çekiyor) gibi davranır. Bu kuvvetlere yüzey gerilim kuvvetleri denir.

Yüzey gerilim kuvvetlerinin varlığı, bir sıvının yüzeyini elastik gerilmiş bir film gibi gösterir; tek fark, filmdeki elastik kuvvetlerin yüzey alanına (yani filmin nasıl deforme olduğuna) ve yüzey gerilimine bağlı olmasıdır. kuvvetler sıvıların yüzey alanına bağlı değildir.

Sabunlu su gibi bazı sıvılar ince filmler oluşturma özelliğine sahiptir. Bilinen sabun köpükleri düzenli küresel bir şekle sahiptir; bu aynı zamanda yüzey gerilimi kuvvetlerinin etkisini de gösterir. Kenarlarından biri hareketli olan tel çerçeveyi sabunlu çözeltiye indirirseniz, çerçevenin tamamı bir sıvı filmi ile kaplanacaktır.

69. Islatma.

Herkes bilir ki, bir damla sıvıyı düz bir yüzeye koyduğunuzda ya yayılacak ya da yuvarlak bir şekil alacaktır. Ayrıca, yatan bir damlanın boyutu ve dışbükeyliği (temas açısı adı verilen değer), belirli bir yüzeyi ne kadar iyi ıslattığına göre belirlenir. Islanma olgusu şu şekilde açıklanabilir. Bir sıvının molekülleri, katının moleküllerinden daha fazla birbirlerine çekilirse, sıvı bir damlacık oluşturma eğilimi gösterir.

Islanabilir (liyofilik) bir yüzeyde dar bir temas açısı oluşurken, ıslanamayan (liyofobik) bir yüzeyde geniş bir temas açısı oluşur.

Cıva cam üzerinde, su parafin üzerinde veya "yağlı" bir yüzey üzerinde bu şekilde davranır. Aksine, bir sıvının molekülleri birbirlerine katının moleküllerine göre daha az güçlü bir şekilde çekilirse, sıvı yüzeye "bastırılır" ve üzerine yayılır. Bu, çinko levha üzerine bir damla cıva veya temiz cam üzerine bir damla su ile gerçekleşir. İlk durumda, sıvının yüzeyi ıslatmadığını (temas açısı 90°'den büyük), ikinci durumda ise ıslattığını (temas açısı 90°'den az) söylüyorlar.

Birçok hayvanın aşırı ıslaklıktan kaçmasına yardımcı olan su itici yağlayıcıdır. Örneğin, deniz hayvanları ve kuşları (kürklü foklar, foklar, penguenler, dalgıç kuşları) üzerinde yapılan araştırmalar, tüylü tüylerinin ve tüylerinin hidrofobik özelliklere sahip olduğunu, hayvanların koruyucu tüylerinin ve kuşların dış hat tüylerinin üst kısmının iyi ıslandığını göstermiştir. su ile. Sonuç olarak hayvanın vücudu ile su arasında termoregülasyon ve ısı yalıtımında önemli rol oynayan bir hava tabakası oluşturulur.

Ancak yağlama her şey değildir. Yüzey yapısı da ıslanma olayında önemli bir rol oynar. Engebeli, engebeli veya gözenekli araziler ıslanmayı iyileştirebilir. Örneğin suyu mükemmel şekilde emen süngerleri ve havluları hatırlayalım. Ancak yüzey başlangıçta sudan "korkuyorsa", o zaman geliştirilen rahatlama yalnızca durumu daha da kötüleştirecektir: su damlacıkları çıkıntılarda toplanacak ve aşağıya doğru yuvarlanacaktır.

70. Kılcal olaylar.

Kılcal olay, sıvının küçük çaplı tüpler - kılcal damarlarda yükselmesi veya düşmesidir. Islatıcı sıvılar kılcal damarlardan yükselir, ıslatmayan sıvılar ise aşağıya doğru iner.

İncirde. Şekil 3.5.6, alt ucundan yoğunluğu ρ olan bir ıslatma sıvısına indirilen, belirli bir r yarıçapına sahip bir kılcal boruyu göstermektedir. Kılcal damarın üst ucu açıktır. Kılcal borudaki sıvının yükselişi, kılcal borudaki sıvı sütununa etki eden yerçekimi kuvveti, sıvının kılcal borunun yüzeyi ile temas sınırı boyunca etki eden sonuçta ortaya çıkan Fн yüzey gerilimi kuvvetlerine eşit büyüklükte olana kadar devam eder: Fт = Fн, burada Fт = mg = ρhπr2g, Fн = σ2πr cos θ.

Bu şu anlama gelir:

Şekil 3.5.6.

Kılcal damardaki ıslatma sıvısının yükselmesi.

Tamamen ıslandığında θ = 0, cos θ = 1. Bu durumda

Tamamen ıslanmayan θ = 180° ile cos θ = –1 ve dolayısıyla h< 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Su, temiz cam yüzeyini neredeyse tamamen ıslatır. Aksine cıva cam yüzeyini tamamen ıslatmaz. Bu nedenle cam kılcal damardaki cıva seviyesi kap içindeki civa seviyesinin altına düşer.

71. Kristal cisimler ve özellikleri.

Sıvılardan farklı olarak katı yalnızca hacmini değil aynı zamanda şeklini de korur ve önemli bir mukavemete sahiptir.

Karşılaşılan katıların çeşitliliği, özellikleri bakımından önemli ölçüde farklılık gösteren iki gruba ayrılabilir: kristal ve amorf.

Kristal cisimlerin temel özellikleri

1. Kristalin cisimler, sabit basınçta erime işlemi sırasında değişmeyen belirli bir erime sıcaklığına sahiptir (Şekil 1, eğri 1).

2. Kristalin cisimler, vücudun tüm hacmi boyunca tekrarlanan (uzun menzilli düzen) moleküllerin, atomların veya iyonların düzenli bir düzenlemesi olan uzamsal bir kristal kafesin varlığıyla karakterize edilir. Herhangi bir kristal kafes, yapısında böyle bir elemanın varlığıyla karakterize edilir; uzayda tekrar tekrar tekrarlanması tüm kristali üretebilir. Bu tek bir kristaldir. Bir polikristal, uzayda rastgele yönlendirilmiş, birbirine kaynaşmış birçok çok küçük tek kristalden oluşur.