مثال على الحركة المتسارعة هو سقوط وعاء الزهور من شرفة مبنى منخفض. في بداية السقوط، كانت سرعة الرهان صفرًا، لكنها تمكنت في غضون ثوانٍ قليلة من الزيادة إلى عشرات المترات/الثانية. مثال على الحركة البطيئة هو حركة حجر يتم قذفه عموديًا إلى الأعلى، حيث تكون سرعتها عالية في البداية، ثم تتناقص تدريجيًا إلى الصفر عند النقطة العليا من المسار. فإذا أهملنا قوة مقاومة الهواء فإن التسارع في كلتا الحالتين سيكون هو نفسه ويساوي تسارع السقوط الحر الذي يتجه دائما عموديا نحو الأسفل، ويرمز له بالحرف g ويساوي تقريبا 9.8 م/ث 2 .

تسارع الجاذبية، زالناتجة عن قوة الجاذبية الأرضية. تعمل هذه القوة على تسريع جميع الأجسام التي تتحرك نحو الأرض وتبطئ الأجسام التي تبتعد عنها.

لإيجاد معادلة السرعة أثناء الحركة المستقيمة بتسارع ثابت، سنفترض أنه في الزمن t=0 كان للجسم سرعة ابتدائية v 0 . منذ التسارع أثابت، ففي أي لحظة t تكون المعادلة التالية صحيحة:

أين الخامس– سرعة الجسم في لحظة زمنية رمن حيث نحصل بعد تحويلات بسيطة على معادلة السرعة عند التحرك بتسارع ثابت:

ت = ت 0 + أ تي (5.1)

لاشتقاق معادلة للمسار الذي يتم قطعه أثناء الحركة المستقيمة بتسارع ثابت، نقوم أولاً بإنشاء رسم بياني للسرعة مقابل الزمن (5.1). ل أ>0 يظهر الرسم البياني لهذا الاعتماد على اليسار في الشكل 5 (الخط المستقيم الأزرق). كما أوضحنا في الفقرة 3، يمكن تحديد الحركة التي تمت خلال الزمن t عن طريق حساب المساحة تحت منحنى السرعة مقابل الزمن بين اللحظات ر=0 و ر. في حالتنا، الشكل الموجود أسفل المنحنى، والمحدود بخطين عموديين t = 0 و t، هو شبه منحرف OABC، مساحته S، كما هو معروف، تساوي حاصل ضرب نصف مجموع الأطوال للقاعدتين OA وCB والارتفاع OC:

وكما يتبين في الشكل 5، OA = v0، CB = v0 + a t، وOC = t. باستبدال هذه القيم في (5.2)، نحصل على المعادلة التالية للإزاحة S التي تم إجراؤها في الزمن t أثناء الحركة المستقيمة مع تسارع ثابت a عند السرعة الأولية v 0:

من السهل إظهار أن الصيغة (5.3) صالحة ليس فقط للحركة ذات التسارع a>0، التي اشتقت لها، ولكن أيضًا في تلك الحالات عندما أ<0. На рис.5 справа красными линиями показаны графики зависимости S при положительных (верх) и отрицательных (низ) значениях أ، تم إنشاؤها وفقًا للصيغة (5.3) لقيم مختلفة لـ v0. يمكن ملاحظة أنه، على عكس الحركة المنتظمة (انظر الشكل 3)، فإن الرسم البياني للإزاحة مقابل الزمن عبارة عن قطع مكافئ، وليس خطًا مستقيمًا، موضحًا للمقارنة بخط منقط.

راجع الأسئلة:

· هل الحركة ذات التسارع الثابت موحدة؟

· تعريف الحركة المتسارعة والمتباطئة بشكل موحد.

· ما هو تسارع الجاذبية وما أسبابه؟

· بأي قانون تتغير السرعة أثناء الحركة المتسارعة أو المتباطئة بشكل منتظم؟

· كيف تعتمد الإزاحة أثناء الحركة المتسارعة بشكل منتظم على الزمن والتسارع والسرعة الأولية؟

أرز. 5. على اليسار - اعتماد السرعة على الزمن (الخط المستقيم الأزرق) للحركة المتسارعة بشكل موحد؛ على اليمين - اعتماد الإزاحة على الزمن (المنحنيات الحمراء) للحركة المتسارعة بشكل منتظم (أعلى) والحركة المتباطئة بشكل موحد (أسفل).

§ 6. الحركة الدائرية المنتظمة: التسارع المركزي.

> الحركة بتسارع ثابت

حركة متسارعةفي الفيزياء. ادرس كيفية تسارع الجسم، وكيفية تحديد التسارع، وكيف تبدو الحركة بتسارع ثابت.

تسارع مستمريحدث عندما تتغير سرعة جسم ما بمقدار متساو بعد كل فترة زمنية متطابقة.

هدف التعلم

• افهم كيف يؤثر التسارع المستمر على الحركة.

النقاط الرئيسية

• إذا افترضنا أن التسارع سيكون ثابتا، فهذا لا يحد من الوضع ولا يؤدي إلى تفاقم النتيجة.
• بسبب الخصائص الجبرية للتسارع الثابت، هناك معادلات حركية يمكن تطبيقها لحساب السرعة، والإزاحة، والتسارع، والزمن.
• يمكن استخدام حسابات التسارع الثابت للحركة أحادية البعد وثنائية الأبعاد.

شروط

• الحركية – لها علاقة بالحركة أو الحركية.
• التسارع هو مقدار زيادة السرعات العددية والمتجهة.

تتغير سرعة الجسم عندما يتحرك بتسارع بنفس المقدار في كل فترة زمنية متساوية. التسارع مشتق من المبادئ الأساسية للحركية. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها اشتقاق السرعة:

أ = ∂v/dt = ∂ 2 x/dt 2 .

وإذا افترضنا أن التسارع ثابت، فهذا لا يشكل قيودا خطيرة ولا يؤثر على الدقة للأسوأ. إذا لم تكن ثابتة، فيمكنك وضعها في الاعتبار في أجزاء مختلفة من الصيغة أو استخدام متوسط ​​القيمة لفترة زمنية معينة.

أبسط مثال على الحركة بتسارع ثابت هو الأجسام المتساقطة. فهي أحادية البعد وتفتقر إلى الحركة الأفقية.

عندما ترمي جسما فإنه يسقط عموديا إلى مركز الأرض بسبب تسارع الجاذبية المستمر

حركة المقذوفات هي حركة جسم يتم قذفه أو قذفه في الهواء ويخضع لتسارع الجاذبية. يُسمى الجسم نفسه مقذوفًا، ويسمى المسار مسارًا. تحتوي الحركة ثنائية الأبعاد على مكونات رأسية وأفقية.

هناك صيغة حركية تتعلق بالإزاحة، والسرعات الأولية والنهائية، وكذلك الوقت والتسارع:

س = س 0 + الخامس 0 ر + ½ عند 2

ت 2 = ت 2 0 + 2أ(س – س 0).

الآن أنت تعرف كيف تبدو الحركة المتسارعة في الفيزياء وكيفية تحديد تسارع حركة الجسم.

أهداف الدرس:

التعليمية:

التعليمية:

فوس مغذي

نوع الدرس : الدرس المشترك.

عرض محتويات الوثيقة
"موضوع الدرس: "التسريع. حركة مستقيمة مع تسارع مستمر."

من إعداد مارينا نيكولاييفنا بوغريبنياك، مدرس الفيزياء في MBOU "المدرسة الثانوية رقم 4"

فئة -11

الدرس 5/4 موضوع الدرس: "التسريع. حركة مستقيمة مع تسارع مستمر».

أهداف الدرس:

التعليمية: تعريف الطلاب بالسمات المميزة للحركة المستقيمة المتسارعة بشكل موحد. أعط مفهوم التسارع باعتباره الكمية الفيزيائية الرئيسية التي تميز الحركة غير المستوية. أدخل صيغة لتحديد السرعة اللحظية لجسم في أي وقت، وحساب السرعة اللحظية لجسم في أي وقت،

تحسين قدرة الطلاب على حل المشكلات باستخدام الأساليب التحليلية والرسومية.

التعليمية: تنمية التفكير النظري والإبداعي لدى تلاميذ المدارس وتشكيل التفكير العملي الذي يهدف إلى اختيار الحلول المثلى

فوسمغذي : لتنمية موقف واعي للتعلم والاهتمام بدراسة الفيزياء.

نوع الدرس : الدرس المشترك.

العروض التوضيحية:

1. حركة الكرة المتسارعة بشكل منتظم على طول مستوى مائل.

2. تطبيق الوسائط المتعددة "أساسيات الكينماتيكا": جزء "الحركة المتسارعة بشكل منتظم".

تقدم.

1. اللحظة التنظيمية.

2. اختبار المعرفة: العمل المستقل ("الحركة". "الرسوم البيانية للحركة المنتظمة المستقيمة") - 12 دقيقة.

3. دراسة مواد جديدة.

خطة تقديم مواد جديدة:

1. السرعة اللحظية.

2. التسارع.

3. السرعة أثناء الحركة المستقيمة المتسارعة بشكل موحد.

1. السرعة اللحظية.إذا كانت سرعة الجسم تتغير مع مرور الوقت، لوصف الحركة تحتاج إلى معرفة سرعة الجسم في لحظة معينة من الزمن (أو عند نقطة معينة في المسار). وتسمى هذه السرعة السرعة اللحظية.

يمكننا أيضًا القول إن السرعة اللحظية هي السرعة المتوسطة خلال فترة زمنية قصيرة جدًا. عند القيادة بسرعة متغيرة، سيكون متوسط ​​السرعة المقاس على فترات زمنية مختلفة مختلفًا.

ومع ذلك، إذا أخذنا فترات زمنية أصغر فأصغر عند قياس السرعة المتوسطة، فإن قيمة السرعة المتوسطة ستميل إلى قيمة معينة. هذه هي السرعة اللحظية في لحظة معينة من الزمن. في المستقبل، عندما نتحدث عن سرعة الجسم، سنعني سرعته اللحظية.

2. التسارع.في حالة الحركة غير المنتظمة، تكون السرعة اللحظية للجسم كمية متغيرة؛ فهو يختلف في الحجم و (أو) الاتجاه في أوقات مختلفة وفي نقاط مختلفة من المسار. تظهر لنا جميع عدادات السرعة للسيارات والدراجات النارية وحدة السرعة اللحظية فقط.

إذا تغيرت السرعة اللحظية للحركة غير المتساوية بشكل غير متساو خلال فترات زمنية متساوية، فمن الصعب جدًا حسابها.

لا تتم دراسة مثل هذه الحركات غير المستوية المعقدة في المدرسة. ولذلك، فإننا سوف ننظر فقط في أبسط حركة غير منتظمة - الحركة المستقيمة المتسارعة بشكل موحد.

تسمى الحركة المستقيمة، التي تتغير فيها السرعة اللحظية بالتساوي خلال أي فترات زمنية متساوية، بالحركة المستقيمة ذات التسارع المنتظم.

إذا تغيرت سرعة الجسم أثناء الحركة فإن السؤال الذي يطرح نفسه: ما هو "معدل تغير السرعة"؟ تلعب هذه الكمية، التي تسمى التسارع، دورًا حاسمًا في جميع الميكانيكا: سنرى قريبًا أن تسارع الجسم يتحدد من خلال القوى المؤثرة على هذا الجسم.

التسارع هو نسبة التغير في سرعة الجسم إلى الفترة الزمنية التي حدث خلالها هذا التغيير.

وحدة التسارع في النظام الدولي للوحدات هي m/s2.

إذا تحرك جسم في اتجاه واحد بتسارع قدره 1 م/ث 2 فإن سرعته تتغير بمقدار 1 م/ث كل ثانية.

يستخدم مصطلح "التسارع" في الفيزياء عند الحديث عن أي تغير في السرعة، بما في ذلك عندما ينخفض ​​معامل السرعة أو عندما يبقى معامل السرعة دون تغيير وتتغير السرعة في الاتجاه فقط.

3. السرعة أثناء الحركة المستقيمة المتسارعة بشكل موحد.

من تعريف التسارع يترتب على ذلك أن v = v 0 + at.

إذا قمنا بتوجيه المحور x على طول الخط المستقيم الذي يتحرك على طوله الجسم، فعند الإسقاطات على المحور x نحصل على v x = v 0 x + a x t.

وهكذا، مع الحركة المستقيمة المتسارعة بشكل منتظم، يعتمد إسقاط السرعة خطيًا على الزمن. وهذا يعني أن الرسم البياني لـ v x (t) عبارة عن قطعة مستقيمة.

صيغة الحركة:

الرسم البياني لسرعة السيارة المتسارعة:

الرسم البياني لسرعة سيارة الكبح

4. توحيد المواد الجديدة.

ما السرعة اللحظية لحجر يُقذف رأسيًّا لأعلى عند أعلى نقطة في مساره؟

ما نوع السرعة - المتوسطة أو اللحظية - التي نتحدث عنها في الحالات التالية:

أ) سافر القطار بين المحطات بسرعة 70 كم/ساعة؛

ب) سرعة حركة المطرقة عند الاصطدام 5 م/ث؛

ج) يظهر عداد السرعة للقاطرة الكهربائية 60 كم/ساعة؛

د) انطلقت رصاصة من البندقية بسرعة 600 م/ث.

المهام التي تم حلها في الدرس

يتم توجيه محور OX على طول مسار الحركة المستقيمة للجسم. ماذا يمكنك أن تقول عن الحركة التي: أ) v x 0، و x 0؛ ب) الخامس × 0، أ × الخامس × × 0؛

د) الخامس × × الخامس × × = 0؟

1. ضرب لاعب هوكي القرص بعصاه بخفة، مما جعل سرعته 2 م/ث. ما سرعة القرص بعد 4 s من الاصطدام إذا تحرك بتسارع قدره 0.25 m/s2 نتيجة الاحتكاك بالثلج؟

2. اكتسب القطار، بعد 10 ثوان من بدء الحركة، سرعة قدرها 0.6 م/ث. ما المدة التي تصبح فيها سرعة القطار بعد بدء الحركة 3 m/s؟

5. الواجبات المنزلية: §5،6، على سبيل المثال. 5 رقم 2، السابق. 6 رقم 2.

تسمى الحركة المستقيمة ذات التسارع الثابت بالتسارع المنتظم إذا زادت وحدة السرعة بمرور الوقت، أو بالتباطؤ المنتظم إذا انخفضت.

مثال على الحركة المتسارعة هو سقوط وعاء الزهور من شرفة مبنى منخفض. في بداية السقوط، كانت سرعة الرهان صفرًا، لكنها تمكنت في غضون ثوانٍ قليلة من الزيادة إلى عشرات المترات/الثانية. مثال على الحركة البطيئة هو حركة حجر يتم قذفه عموديًا إلى الأعلى، حيث تكون سرعتها عالية في البداية، ثم تتناقص تدريجيًا إلى الصفر عند النقطة العليا من المسار. فإذا أهملنا قوة مقاومة الهواء فإن التسارع في كلتا الحالتين سيكون هو نفسه ويساوي تسارع السقوط الحر الذي يتجه دائما عموديا إلى الأسفل، ويرمز له بالحرف g ويساوي تقريبا 9.8 م/ث2 .

تسارع الجاذبية g ناتج عن قوة الجاذبية الأرضية. تعمل هذه القوة على تسريع جميع الأجسام التي تتحرك نحو الأرض وتبطئ الأجسام التي تبتعد عنها.

حيث v هي سرعة الجسم في الوقت t، ومن أين نحصل عليها بعد تحويلات بسيطة معادلة ل السرعة عند التحرك بتسارع ثابت: v = v0 + at

8. معادلات الحركة ذات التسارع المستمر.

لإيجاد معادلة السرعة أثناء الحركة الخطية بتسارع ثابت، سنفترض أنه في الزمن t=0 كان للجسم سرعة ابتدائية v0. بما أن التسارع a ثابت، فإن المعادلة التالية صالحة في أي وقت t:

حيث v هي سرعة الجسم عند الزمن t، ومن هنا، بعد تحويلات بسيطة، نحصل على معادلة السرعة عند التحرك بتسارع ثابت: v = v0 + at

لاشتقاق معادلة للمسار الذي يتم قطعه أثناء الحركة المستقيمة بتسارع ثابت، نقوم أولاً بإنشاء رسم بياني للسرعة مقابل الزمن (5.1). بالنسبة لـ >0، يظهر الرسم البياني لهذا الاعتماد على اليسار في الشكل 5 (الخط المستقيم الأزرق). كما أثبتنا في الفقرة 3، يمكن تحديد الحركة المنجزة خلال الزمن t عن طريق حساب المساحة الواقعة تحت منحنى السرعة مقابل الزمن بين اللحظات t=0 وt. في حالتنا، الشكل الموجود أسفل المنحنى، والمحدود بخطين عموديين t = 0 و t، هو شبه منحرف OABC، مساحته S، كما هو معروف، تساوي حاصل ضرب نصف مجموع الأطوال للقاعدتين OA وCB والارتفاع OC:

وكما يتبين في الشكل 5، OA = v0، CB = v0 + at، وOC = t. باستبدال هذه القيم في (5.2)، نحصل على المعادلة التالية للإزاحة S التي تم إجراؤها في الزمن t أثناء الحركة المستقيمة مع تسارع ثابت a عند السرعة الأولية v0:

من السهل إظهار أن الصيغة (5.3) صالحة ليس فقط للحركة ذات التسارع a>0، التي اشتقت لها، ولكن أيضًا في الحالات التي يكون فيها<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. السقوط الحر للأجسام. الحركة بتسارع ثابت بفعل الجاذبية.

السقوط الحر للأجسام هو سقوط الأجسام على الأرض في غياب مقاومة الهواء (في الفراغ)

التسارع الذي تسقط به الأجسام على الأرض يسمى تسارع الجاذبية. يُشار إلى متجه تسارع السقوط الحر بالرمز، وهو موجه عموديًا إلى الأسفل. في نقاط مختلفة من الكرة الأرضية، اعتمادًا على خط العرض الجغرافي والارتفاع فوق مستوى سطح البحر، فإن القيمة العددية لـ g ليست هي نفسها، حيث تتراوح من حوالي 9.83 م/ث2 عند القطبين إلى 9.78 م/ث2 عند خط الاستواء. عند خط عرض موسكو g = 9.81523 م/ث2. عادة، إذا لم تكن هناك حاجة إلى دقة عالية في الحسابات، فإن القيمة العددية لـ g على سطح الأرض تساوي 9.8 م/ث2 أو حتى 10 م/ث2.

مثال بسيط على السقوط الحر هو سقوط الجسم من ارتفاع معين بدون سرعة ابتدائية. السقوط الحر هو حركة خطية ذات تسارع ثابت.

السقوط الحر المثالي ممكن فقط في الفراغ، حيث لا توجد مقاومة للهواء، وبغض النظر عن الكتلة والكثافة والشكل، فإن جميع الأجسام تسقط بسرعة متساوية، أي في أي لحظة من الزمن يكون للأجسام نفس السرعات والتسارع اللحظية.

تنطبق جميع صيغ الحركة المتسارعة بشكل منتظم على الأجسام التي تسقط سقوطًا حرًا.

مقدار سرعة السقوط الحر للجسم في أي وقت :

حركة الجسد:

في هذه الحالة، بدلاً من التسارع أ، يتم إدخال تسارع الجاذبية g = 9.8 م/ث2 في صيغ الحركة المتسارعة بشكل منتظم.

10. حركة الأجسام. الحركة إلى الأمام لجسم صلب

الحركة الانتقالية لجسم صلب هي حركة يتحرك فيها كل خط مستقيم، متصل دائمًا بالجسم، بالتوازي مع نفسه. للقيام بذلك، يكفي أن يتحرك خطان غير متوازيين متصلين بالجسم بالتوازي مع أنفسهم. أثناء الحركة الانتقالية، تصف جميع نقاط الجسم مسارات متطابقة ومتوازية ولها نفس السرعات والتسارع في أي وقت محدد. وبالتالي، فإن الحركة الانتقالية لجسم تتحدد بحركة إحدى نقاطه O.

في الحالة العامة، تحدث الحركة الانتقالية في الفضاء ثلاثي الأبعاد، لكن سمتها الرئيسية - الحفاظ على التوازي لأي جزء مع نفسه - تظل سارية.

على سبيل المثال، تتحرك سيارة المصعد للأمام. أيضًا، كتقدير أولي، تقوم مقصورة عجلة فيريس بحركة انتقالية. ومع ذلك، بالمعنى الدقيق للكلمة، لا يمكن اعتبار حركة مقصورة عجلة الملاهي تقدمية. إذا تحرك الجسم بشكل متعدي، فوصف حركته يكفي لوصف حركة نقطة تعسفية (على سبيل المثال، حركة مركز كتلة الجسم).

إذا كانت الأجسام التي تشكل نظامًا ميكانيكيًا مغلقًا تتفاعل مع بعضها البعض فقط من خلال قوى الجاذبية والمرونة، فإن عمل هذه القوى يساوي التغير في طاقة الوضع للأجسام، مأخوذة بالإشارة المعاكسة: A = –(ه ص2 – ه ص1).

ووفقا لنظرية الطاقة الحركية، فإن هذا العمل يساوي التغير في الطاقة الحركية للأجسام

لذلك

أو ه ك 1 + ه ص 1 = ه ك 2 + ه ص 2.

إن مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة للأجسام التي تشكل نظامًا مغلقًا وتتفاعل مع بعضها البعض من خلال قوى الجاذبية والمرونة يظل دون تغيير.

يعبر هذا البيان عن قانون الحفاظ على الطاقة في العمليات الميكانيكية. إنها نتيجة لقوانين نيوتن. يُطلق على مجموع E = E k + E p إجمالي الطاقة الميكانيكية. لا يتم استيفاء قانون الحفاظ على الطاقة الميكانيكية إلا عندما تتفاعل الأجسام الموجودة في نظام مغلق مع بعضها البعض بواسطة قوى محافظة، أي القوى التي يمكن إدخال مفهوم الطاقة الكامنة فيها.

لا تتغير الطاقة الميكانيكية لنظام مغلق من الأجسام إذا كانت هناك قوى محافظة فقط تعمل بين هذه الأجسام. القوى المحافظة هي تلك القوى التي يكون شغلها على طول أي مسار مغلق يساوي صفرًا. الجاذبية هي إحدى القوى المحافظة.

في الظروف الحقيقية، تتأثر الأجسام المتحركة دائمًا تقريبًا، جنبًا إلى جنب مع قوى الجاذبية والقوى المرنة والقوى المحافظة الأخرى، من خلال قوى الاحتكاك أو قوى المقاومة البيئية.

قوة الاحتكاك ليست متحفظة. يعتمد الشغل الذي تبذله قوة الاحتكاك على طول المسار.

إذا كانت قوى الاحتكاك تؤثر بين الأجسام التي تشكل نظامًا مغلقًا، فإن الطاقة الميكانيكية لا يتم حفظها. يتم تحويل جزء من الطاقة الميكانيكية إلى طاقة داخلية للأجسام (تدفئة).

خلال أي تفاعلات فيزيائية، لا تظهر الطاقة ولا تختفي. إنه يتغير فقط من شكل إلى آخر.

إحدى النتائج المترتبة على قانون حفظ وتحويل الطاقة هو التصريح عن استحالة إنشاء "آلة الحركة الدائمة" (المتنقلة الدائمة) - وهي آلة يمكنها القيام بالعمل إلى أجل غير مسمى دون استهلاك الطاقة.

يخزن التاريخ عددًا كبيرًا من مشاريع "الحركة الدائمة". في بعضها، تكون أخطاء "المخترع" واضحة، وفي حالات أخرى، يتم إخفاء هذه الأخطاء من خلال التصميم المعقد للجهاز، وقد يكون من الصعب جدًا فهم سبب عدم عمل هذا الجهاز. تستمر المحاولات العقيمة لإنشاء "آلة الحركة الدائمة" في عصرنا. كل هذه المحاولات محكوم عليها بالفشل، لأن قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها "يحظر" الحصول على عمل دون إنفاق الطاقة.

31. المبادئ الأساسية للنظرية الحركية الجزيئية ومبرراتها.

تتكون جميع الأجسام من جزيئات وذرات وجسيمات أولية تفصل بينها مساحات، وتتحرك بشكل عشوائي وتتفاعل مع بعضها البعض.

تساعدنا الحركية والديناميكية في وصف حركة الجسم وتحديد القوة المسببة لهذه الحركة. ومع ذلك، لا يستطيع الميكانيكي الإجابة على العديد من الأسئلة. على سبيل المثال، مما تتكون الأجسام؟ لماذا تصبح العديد من المواد سائلة عند تسخينها ثم تتبخر؟ وبشكل عام ما هي درجة الحرارة والحرارة؟

حاول الفيلسوف اليوناني القديم ديموقريطس الإجابة على أسئلة مماثلة قبل 25 قرنا. وبدون إجراء أي تجارب، توصل إلى استنتاج مفاده أن الأجسام تبدو صلبة بالنسبة لنا فقط، ولكنها في الواقع تتكون من جزيئات صغيرة مفصولة بالفراغ. وبالنظر إلى أنه كان من المستحيل سحق هذه الجزيئات، أطلق عليها ديموقريطس اسم الذرات، والتي تُترجم من اليونانية وتعني غير قابلة للتجزئة. كما اقترح أن الذرات يمكن أن تكون مختلفة وهي في حركة مستمرة، لكننا لا نرى ذلك، لأنه فهي صغيرة جدًا.

قدم M. V. مساهمة كبيرة في تطوير النظرية الحركية الجزيئية. لومونوسوف. كان لومونوسوف أول من اقترح أن الحرارة تعكس حركة الذرات في الجسم. بالإضافة إلى ذلك، قدم مفهوم المواد البسيطة والمعقدة، التي تتكون جزيئاتها من ذرات متطابقة ومختلفة، على التوالي.

تعتمد الفيزياء الجزيئية أو نظرية الحركية الجزيئية على أفكار معينة حول بنية المادة

وهكذا، وفقا للنظرية الذرية لبنية المادة، فإن أصغر جسيم من مادة يحتفظ بجميع خصائصه الكيميائية هو الجزيء. وحتى الجزيئات الكبيرة، التي تتكون من آلاف الذرات، تكون صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بالمجهر الضوئي. تظهر العديد من التجارب والحسابات النظرية أن حجم الذرات يبلغ حوالي 10 -10 م، ويعتمد حجم الجزيء على عدد الذرات التي يتكون منها وكيفية تواجدها بالنسبة لبعضها البعض.

النظرية الحركية الجزيئية هي دراسة بنية المادة وخصائصها بناءً على فكرة وجود الذرات والجزيئات كأصغر جزيئات المواد الكيميائية.

تعتمد النظرية الحركية الجزيئية على ثلاثة مبادئ رئيسية:

1. جميع المواد - السائلة والصلبة والغازية - تتشكل من أصغر الجزيئات - الجزيئات التي تتكون في حد ذاتها من ذرات ("الجزيئات الأولية"). يمكن أن تكون جزيئات المادة الكيميائية بسيطة أو معقدة، أي. تتكون من ذرة واحدة أو أكثر. الجزيئات والذرات هي جسيمات متعادلة كهربائيا. في ظل ظروف معينة، يمكن للجزيئات والذرات أن تكتسب شحنة كهربائية إضافية وتصبح أيونات موجبة أو سالبة.

2. الذرات والجزيئات في حركة فوضوية مستمرة.

3. تتفاعل الجزيئات مع بعضها البعض بواسطة قوى ذات طبيعة كهربائية. تفاعل الجاذبية بين الجسيمات لا يكاد يذكر.

إن التأكيد التجريبي الأكثر لفتًا للانتباه لأفكار النظرية الحركية الجزيئية حول الحركة العشوائية للذرات والجزيئات هو الحركة البراونية. هذه هي الحركة الحرارية للجزيئات المجهرية الصغيرة المعلقة في سائل أو غاز. اكتشفه عالم النبات الإنجليزي ر. براون عام 1827. تتحرك الجزيئات البراونية تحت تأثير التأثيرات العشوائية للجزيئات. وبسبب الحركة الحرارية الفوضوية للجزيئات، فإن هذه التأثيرات لا توازن بعضها البعض أبدًا. ونتيجة لذلك، تتغير سرعة الجسيم البراوني بشكل عشوائي من حيث الحجم والاتجاه، ويكون مساره منحنى متعرجًا معقدًا.

تتجلى الحركة الفوضوية المستمرة لجزيئات المادة أيضًا في ظاهرة أخرى يمكن ملاحظتها بسهولة - وهي الانتشار. الانتشار هو ظاهرة اختراق مادتين أو أكثر من المواد الملامسة لبعضها البعض. تحدث العملية بسرعة أكبر في الغاز.

تسمى الحركة الفوضوية العشوائية للجزيئات بالحركة الحرارية. وتزداد الطاقة الحركية للحركة الحرارية مع زيادة درجة الحرارة.

المول عبارة عن كمية من المادة تحتوي على نفس عدد الجزيئات (الجزيئات) الموجودة في 0.012 كجم من الكربون 12 C. ويتكون جزيء الكربون من ذرة واحدة.

32. كتلة الجزيئات، الكتلة الجزيئية النسبية للجزيئات. 33. الكتلة المولية للجزيئات. 34. كمية المادة. 35. ثابت أفوجادرو.

في النظرية الحركية الجزيئية، تعتبر كمية المادة متناسبة مع عدد الجزيئات. وحدة كمية المادة تسمى المول (الخلد).

المول هو كمية من المادة تحتوي على نفس عدد الجزيئات (الجزيئات) الموجودة في 0.012 كجم (12 جم) من الكربون 12 C. يتكون جزيء الكربون من ذرة واحدة.

يحتوي المول الواحد من المادة على عدد من الجزيئات أو الذرات يساوي ثابت أفوجادرو.

وبالتالي، فإن المول الواحد من أي مادة يحتوي على نفس العدد من الجزيئات (الجزيئات). يُسمى هذا الرقم بثابت أفوجادرو N A: N A = 6.02·10 23 مول –1.

يعد ثابت أفوجادرو أحد أهم الثوابت في نظرية الحركية الجزيئية.

يتم تعريف كمية المادة ν على أنها نسبة عدد N من جزيئات (جزيئات) المادة إلى ثابت أفوجادرو N A:

الكتلة المولية، M، هي نسبة الكتلة m لعينة معينة من المادة إلى الكمية n من المادة الموجودة فيها:

وهي تساوي عددياً كتلة المادة المأخوذة بمقدار مول واحد. يتم التعبير عن الكتلة المولية في نظام SI بالكيلو جرام / مول.

وبالتالي، فإن الكتلة الجزيئية أو الذرية النسبية للمادة هي نسبة كتلة جزيئها وذرتها إلى 1/12 من كتلة ذرة الكربون.

36. الحركة البراونية.

تشير العديد من الظواهر الطبيعية إلى الحركة الفوضوية للجسيمات الدقيقة والجزيئات وذرات المادة. وكلما ارتفعت درجة حرارة المادة، زادت كثافة هذه الحركة. ولذلك فإن حرارة الجسم هي انعكاس للحركة العشوائية للجزيئات والذرات المكونة له.

يمكن إثبات أن جميع ذرات وجزيئات المادة في حركة ثابتة وعشوائية عن طريق الانتشار - وهو تداخل جزيئات مادة مع أخرى.

وهكذا تنتشر الرائحة بسرعة في جميع أنحاء الغرفة حتى في غياب حركة الهواء. تؤدي قطرة الحبر إلى تحويل كوب الماء بالكامل إلى اللون الأسود بسرعة.

يمكن أيضًا اكتشاف الانتشار في المواد الصلبة إذا تم ضغطها معًا بإحكام وتركها لفترة طويلة. توضح ظاهرة الانتشار أن الجسيمات الدقيقة للمادة قادرة على الحركة التلقائية في جميع الاتجاهات. وتسمى حركة الجسيمات الدقيقة للمادة، وكذلك جزيئاتها وذراتها، بالحركة الحرارية.

الحركة البراونية - حركة عشوائية لجزيئات صغيرة معلقة في سائل أو غاز، تحدث تحت تأثير تأثيرات الجزيئات البيئية؛ اكتشفها ر. براون عام 1827

تظهر الملاحظات أن الحركة البراونية لا تتوقف أبدًا. في قطرة ماء (إذا لم تسمح لها بالجفاف)، يمكن ملاحظة حركة الحبوب لعدة أيام أو أشهر أو سنوات. ولا يتوقف لا في الصيف ولا في الشتاء، لا في النهار ولا في الليل.

ويكمن سبب الحركة البراونية في الحركة المستمرة التي لا تنتهي لجزيئات السائل الذي توجد فيه حبيبات المادة الصلبة. وبطبيعة الحال، فإن هذه الحبيبات أكبر بعدة مرات من الجزيئات نفسها، وعندما نرى حركة الحبيبات تحت المجهر، لا ينبغي لنا أن نعتقد أننا نرى حركة الجزيئات نفسها. لا يمكن رؤية الجزيئات بالمجهر العادي، ولكن يمكننا الحكم على وجودها وحركتها من خلال التأثيرات التي تنتجها، مما يدفع حبيبات الجسم الصلب ويتسبب في حركتها.

كان لاكتشاف الحركة البراونية أهمية كبيرة في دراسة بنية المادة. لقد أظهر أن الأجسام تتكون بالفعل من جزيئات فردية - جزيئات وأن الجزيئات في حركة عشوائية مستمرة.

تم تقديم تفسير للحركة البراونية فقط في الربع الأخير من القرن التاسع عشر، عندما أصبح واضحًا للعديد من العلماء أن حركة الجسيم البراوني ناتجة عن تأثيرات عشوائية لجزيئات الوسط (السائل أو الغاز) التي تخضع للحركة الحرارية. في المتوسط، تؤثر جزيئات الوسط على الجسيم البراوني من جميع الاتجاهات بقوة متساوية، ومع ذلك، فإن هذه التأثيرات لا تلغي بعضها البعض تمامًا، ونتيجة لذلك، تختلف سرعة الجسيم البراوني بشكل عشوائي من حيث الحجم والاتجاه. لذلك، يتحرك الجسيم البراوني على طول مسار متعرج. علاوة على ذلك، كلما كان حجم وكتلة الجسيم البراوني أصغر، أصبحت حركته أكثر وضوحًا.

وهكذا، فإن تحليل الحركة البراونية وضع أسس النظرية الحركية الجزيئية الحديثة لبنية المادة.

37. قوى التفاعل بين الجزيئات. 38. هيكل المواد الغازية. 39. هيكل المواد السائلة. 40. هيكل المواد الصلبة.

تحدد المسافة بين الجزيئات والقوى المؤثرة بينها خصائص الأجسام الغازية والسائلة والصلبة.

لقد اعتدنا على حقيقة أنه يمكن سكب السائل من وعاء إلى آخر، وسرعان ما يملأ الغاز كامل الحجم المقدم له. لا يمكن للمياه أن تتدفق إلا على طول مجرى النهر، والهواء فوقه لا يعرف حدودًا.

هناك قوى تجاذب بين الجزيئات بين جميع الجزيئات، يتناقص حجمها بسرعة كبيرة مع ابتعاد الجزيئات عن بعضها البعض، وبالتالي على مسافة تساوي عدة أقطار جزيئية، فإنها لا تتفاعل على الإطلاق.

وبالتالي، بين الجزيئات السائلة الموجودة بالقرب من بعضها البعض تقريبًا، تعمل قوى الجذب، مما يمنع هذه الجزيئات من التشتت في اتجاهات مختلفة. على العكس من ذلك، فإن قوى الجذب الضئيلة بين جزيئات الغاز غير قادرة على ربطها ببعضها البعض، وبالتالي يمكن للغازات أن تتوسع، وتملأ كامل الحجم المقدم لها. يمكن التحقق من وجود قوى التجاذب بين الجزيئات من خلال إجراء تجربة بسيطة - الضغط على قضيبين من الرصاص ضد بعضهما البعض. إذا كانت أسطح التلامس ناعمة بدرجة كافية، فسوف تلتصق القضبان ببعضها وسيكون من الصعب فصلها.

ومع ذلك، فإن قوى التجاذب بين الجزيئات وحدها لا يمكنها تفسير جميع الاختلافات بين خصائص المواد الغازية والسائلة والصلبة. لماذا، على سبيل المثال، من الصعب جدًا تقليل حجم سائل أو صلب، ولكن من السهل نسبيًا ضغط البالون؟ ويفسر ذلك حقيقة أنه لا توجد قوى جذابة بين الجزيئات فحسب، بل توجد أيضًا قوى تنافر بين الجزيئات، والتي تعمل عندما تبدأ الأغلفة الإلكترونية لذرات الجزيئات المجاورة في التداخل. هذه القوى التنافرية هي التي تمنع جزيءًا واحدًا من اختراق الحجم الذي يشغله بالفعل جزيء آخر.

عندما لا تؤثر أي قوى خارجية على جسم سائل أو صلب، فإن المسافة بين جزيئاتها تكون بحيث تكون قوى الجذب والتنافر الناتجة صفرًا. إذا حاولت تقليل حجم الجسم، فإن المسافة بين الجزيئات تنخفض، وتبدأ قوى التنافر المتزايدة الناتجة في التصرف من جانب الجسم المضغوط. على العكس من ذلك، عندما يتم تمديد الجسم، فإن القوى المرنة التي تنشأ ترتبط بزيادة نسبية في قوى الجذب، لأن عندما تبتعد الجزيئات عن بعضها البعض، فإن قوى التنافر تسقط بشكل أسرع بكثير من قوى التجاذب.

وتقع جزيئات الغاز على مسافات أكبر بعشرات المرات من أحجامها، ونتيجة لذلك لا تتفاعل هذه الجزيئات مع بعضها البعض، وبالتالي يتم ضغط الغازات بسهولة أكبر بكثير من السوائل والمواد الصلبة. الغازات ليس لها أي بنية محددة وهي عبارة عن مجموعة من الجزيئات المتحركة والمتصادمة.

السائل عبارة عن مجموعة من الجزيئات المتجاورة تقريبًا مع بعضها البعض. تسمح الحركة الحرارية للجزيء السائل بتغيير جيرانه من وقت لآخر، والقفز من مكان إلى آخر. وهذا ما يفسر سيولة السوائل.

تُحرم ذرات وجزيئات المواد الصلبة من القدرة على تغيير جيرانها، وتكون حركتها الحرارية مجرد تقلبات صغيرة نسبة إلى موضع الذرات أو الجزيئات المجاورة. يمكن أن يؤدي التفاعل بين الذرات إلى حقيقة أن المادة الصلبة تصبح بلورة، وتحتل الذرات الموجودة فيها مواقع في مواقع الشبكة البلورية. وبما أن جزيئات الأجسام الصلبة لا تتحرك بالنسبة لجيرانها، فإن هذه الأجسام تحتفظ بشكلها.

41. الغاز المثالي في النظرية الحركية الجزيئية.

الغاز المثالي هو نموذج للغاز المتخلخل الذي يتم فيه إهمال التفاعلات بين الجزيئات. قوى التفاعل بين الجزيئات معقدة للغاية. على مسافات قصيرة جدًا، عندما تقترب الجزيئات من بعضها البعض، تعمل قوى تنافر كبيرة بينها. عند المسافات الكبيرة أو المتوسطة بين الجزيئات، تعمل قوى الجذب الضعيفة نسبيًا. إذا كانت المسافات بين الجزيئات كبيرة في المتوسط، وهو ما لوحظ في الغاز المخلخل إلى حد ما، فإن التفاعل يتجلى في شكل تصادمات نادرة نسبيًا للجزيئات مع بعضها البعض عندما تطير بالقرب من بعضها البعض. في الغاز المثالي، يتم إهمال التفاعل بين الجزيئات تمامًا.

42. ضغط الغاز في النظرية الحركية الجزيئية.

الغاز المثالي هو نموذج للغاز المتخلخل الذي يتم فيه إهمال التفاعلات بين الجزيئات.

يتناسب ضغط الغاز المثالي طرديا مع حاصل ضرب تركيز الجزيئات ومتوسط ​​طاقتها الحركية.

الغاز يحيط بنا من كل جانب. في أي مكان على وجه الأرض، حتى تحت الماء، نحمل جزءًا من الغلاف الجوي، حيث تنضغط طبقاته السفلية تحت تأثير الجاذبية من الطبقات العليا. لذلك، من خلال قياس الضغط الجوي يمكننا الحكم على ما يحدث فوقنا والتنبؤ بالطقس.

43. متوسط ​​قيمة مربع سرعة جزيئات الغاز المثالي.

44. اشتقاق المعادلة الأساسية للنظرية الحركية الجزيئية للغاز. 45. اشتقاق صيغة تتعلق بالضغط ومتوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات الغاز.

الضغط p على مساحة سطحية معينة هو نسبة القوة F المؤثرة عموديًا على هذا السطح إلى المساحة S من مساحته المعطاة

وحدة الضغط في النظام الدولي للوحدات هي باسكال (Pa). 1 باسكال = 1 ن/م2.

دعونا نوجد القوة F التي يؤثر بها جزيء كتلته m0 على السطح الذي يرتد منه. عندما تنعكس من سطح ما، وتستمر لفترة زمنية Dt، فإن مكون سرعة الجزيء المتعامد مع هذا السطح، vy، يتغير إلى المعكوس (-vy). لذلك، عندما ينعكس الجزيء من السطح، يكتسب زخمًا قدره 2m0vy، وبالتالي، وفقًا لقانون نيوتن الثالث، 2m0vy = FDt، والذي منه:

الصيغة (22.2) تجعل من الممكن حساب القوة التي يضغط بها جزيء غاز واحد على جدار الوعاء خلال الفاصل الزمني Dt. لتحديد متوسط ​​قوة ضغط الغاز، على سبيل المثال، في ثانية واحدة، من الضروري معرفة عدد الجزيئات التي ستنعكس في الثانية من مساحة سطح المنطقة S، ومن الضروري أيضًا معرفة متوسط ​​السرعة vy من الجزيئات التي تتحرك في اتجاه سطح معين.

يجب أن يكون هناك n جزيئات لكل وحدة حجم من الغاز. دعونا نبسط مهمتنا بافتراض أن جميع جزيئات الغاز تتحرك بنفس السرعة، v. في هذه الحالة، يتحرك ثلث جميع الجزيئات على طول محور الثور، وبنفس الكمية على طول محوري Oy وOz (انظر الشكل 22ج). دع نصف الجزيئات تتحرك على طول محور أوي تتحرك نحو الجدار C، والباقي - في الاتجاه المعاكس. ومن ثم، فمن الواضح أن عدد الجزيئات لكل وحدة حجم تندفع نحو الجدار C سيكون n/6.

دعونا الآن نوجد عدد الجزيئات التي تصل إلى مساحة سطحية S (مظللة في الشكل 22ج) في ثانية واحدة. من الواضح أنه خلال 1 ثانية، فإن تلك الجزيئات التي تتحرك نحوها وتكون على مسافة لا تزيد عن v سيكون لديها الوقت للوصول إلى الجدار. لذلك، فإن 1/6 من جميع الجزيئات الموجودة في متوازي السطوح المستطيل الموضح في الشكل سوف تضرب هذه المنطقة من السطح. 22c، طوله v، ومساحة الأطراف النهائية هي S. وبما أن حجم هذا الموازي هو Sv، فإن العدد الإجمالي N من الجزيئات التي تضرب قسمًا من سطح الجدار في 1 ثانية سيكون مساويًا لـ :

باستخدام (22.2) و (22.3)، يمكننا حساب الدفع الذي ينقل، خلال ثانية واحدة، إلى جزيئات الغاز جزءًا من سطح جدار المساحة S. وسيكون هذا الدفع مساوٍ عدديًا لقوة ضغط الغاز، F:

ومن هنا، باستخدام (22.1)، نحصل على التعبير التالي المتعلق بضغط الغاز ومتوسط ​​الطاقة الحركية للحركة الانتقالية لجزيئاته:

حيث E CP هو متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات الغاز المثالي. تسمى الصيغة (22.4) بالمعادلة الأساسية للنظرية الحركية الجزيئية للغازات.

46. ​​التوازن الحراري. 47. درجة الحرارة. تغير درجة الحرارة. 48. أجهزة قياس درجة الحرارة.

لا يمكن تحقيق التوازن الحراري بين الأجسام إلا عندما تكون درجة حرارتها متساوية.

من خلال لمس أي شيء بيدنا، يمكننا بسهولة تحديد ما إذا كان دافئًا أم باردًا. إذا كانت درجة حرارة الجسم أقل من درجة حرارة اليد، يبدو الجسم باردا، وإذا، على العكس، يبدو دافئا. إذا كنت تحمل عملة معدنية باردة في قبضة يدك، فإن دفء اليد سيبدأ في تسخين العملة، وبعد فترة من الوقت ستصبح درجة حرارتها مساوية لدرجة حرارة اليد، أو كما يقولون، سيحدث التوازن الحراري. ولذلك، فإن درجة الحرارة تميز حالة التوازن الحراري لنظام مكون من جسمين أو أكثر لهما نفس درجة الحرارة.

تعتبر درجة الحرارة، بالإضافة إلى حجم الغاز وضغطه، من المعلمات العيانية. تستخدم موازين الحرارة لقياس درجة الحرارة. يسجل بعضها التغيرات في حجم السائل عند تسخينه، والبعض الآخر يسجل التغيرات في المقاومة الكهربائية، وما إلى ذلك. والأكثر شيوعًا هو مقياس درجة الحرارة المئوي، الذي سمي على اسم الفيزيائي السويدي أ. مئوية. للحصول على مقياس درجة الحرارة المئوية لمقياس الحرارة السائل، يتم غمره أولاً في ذوبان الجليد ويتم ملاحظة موضع نهاية العمود، ثم في الماء المغلي. ويقسم الجزء الواقع بين هذين الموضعين من العمود إلى 100 جزء متساوٍ، بافتراض أن درجة حرارة ذوبان الجليد تساوي صفر درجة مئوية، ودرجة حرارة الماء المغلي 100 درجة مئوية.

49. متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات الغاز عند التوازن الحراري.

المعادلة الأساسية لنظرية الحركة الجزيئية (22.4) تتعلق بضغط الغاز وتركيز الجزيئات ومتوسط ​​طاقتها الحركية. ومع ذلك، فإن متوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات، كقاعدة عامة، غير معروف، على الرغم من أن نتائج العديد من التجارب تشير إلى أن سرعة الجزيئات تزداد مع زيادة درجة الحرارة (انظر، على سبيل المثال، الحركة البراونية في الفقرة 20). يمكن الحصول على اعتماد متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات الغاز على درجة حرارتها من القانون الذي اكتشفه الفيزيائي الفرنسي ج. تشارلز عام 1787.

50. الغازات في حالة التوازن الحراري (وصف التجربة).

51. درجة الحرارة المطلقة. 52. مقياس درجة الحرارة المطلقة. 53. درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات.

يمكن الحصول على اعتماد متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات الغاز على درجة حرارتها من القانون الذي اكتشفه الفيزيائي الفرنسي ج. تشارلز عام 1787.

وفقًا لقانون تشارلز، إذا لم يتغير حجم كتلة معينة من الغاز، فإن ضغطها pt يعتمد خطيًا على درجة الحرارة t:

حيث t هي درجة حرارة الغاز المقاسة بـ o C، وp 0 هي ضغط الغاز عند درجة حرارة 0 o C (انظر الشكل 23 ب). وهكذا، من قانون تشارلز يترتب على ذلك أن ضغط الغاز الذي يشغل حجمًا ثابتًا يتناسب مع المجموع (t + 273 o C). ومن ناحية أخرى يستنتج من (22.4) أنه إذا كان تركيز الجزيئات ثابتا، أي. إذا لم يتغير الحجم الذي يشغله الغاز، فيجب أن يتناسب ضغط الغاز مع متوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات. وهذا يعني أن متوسط ​​الطاقة الحركية E SR لجزيئات الغاز يتناسب ببساطة مع القيمة (t + 273 o C):

حيث b هو المعامل الثابت الذي سنحدد قيمته لاحقا. ومن (23.2) يترتب على ذلك أن متوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات سيصبح مساوياً للصفر عند -273 درجة مئوية. وبناءً على ذلك، اقترح العالم الإنجليزي دبليو. كلفن في عام 1848 استخدام مقياس درجة الحرارة المطلقة، حيث تتوافق درجة الحرارة الصفرية إلى -273 درجة مئوية، وكل درجة حرارة ستكون مساوية لدرجة على مقياس مئوية. وهكذا، فإن درجة الحرارة المطلقة، T، ترتبط بدرجة الحرارة، t، المقاسة بالدرجة المئوية، على النحو التالي:

وحدة SI لدرجة الحرارة المطلقة هي كلفن (K).

وباعتبار (23.3) تتحول المعادلة (23.2) إلى:

وبالتعويض في (22.4) نحصل على ما يلي:

للتخلص من الكسر الموجود في (23.5) نستبدل 2b/3 بـ k، وبدلاً من (23.4) و(23.5) نحصل على معادلتين مهمتين للغاية:

حيث k هو ثابت بولتزمان، والذي سمي على اسم L. بولتزمان. أظهرت التجارب أن k=1.38.10 -23 J/K. وبالتالي، فإن ضغط الغاز ومتوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئاته يتناسبان مع درجة حرارته المطلقة.

54. اعتماد ضغط الغاز على تركيز جزيئاته ودرجة حرارته.

في معظم الحالات، عندما ينتقل الغاز من حالة إلى أخرى، تتغير جميع معلماته - درجة الحرارة والحجم والضغط. ويحدث هذا عندما يتم ضغط الغاز تحت المكبس الموجود في أسطوانة محرك الاحتراق الداخلي، مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارة الغاز وضغطه وانخفاض حجمه. ومع ذلك، في بعض الحالات، تكون التغييرات في أحد معلمات الغاز صغيرة نسبيًا أو حتى غائبة. تسمى هذه العمليات، حيث تظل إحدى المعلمات الثلاثة - درجة الحرارة أو الضغط أو الحجم دون تغيير - بالعمليات المتساوية، وتسمى القوانين التي تصفها بقوانين الغاز.

55. قياس سرعة جزيئات الغاز. 56. تجربة ستيرن.

بداية، دعونا نوضح المقصود بسرعة الجزيئات. دعونا نتذكر أنه بسبب الاصطدامات المتكررة، تتغير سرعة كل جزيء فردي طوال الوقت: يتحرك الجزيء بسرعة أحيانًا، وأحيانًا ببطء، ولبعض الوقت (على سبيل المثال، ثانية واحدة) تأخذ سرعة الجزيء العديد من القيم المختلفة . من ناحية أخرى، في أي لحظة، في العدد الهائل من الجزيئات التي تشكل حجم الغاز قيد النظر، هناك جزيئات ذات سرعات مختلفة للغاية. من الواضح أنه لتوصيف حالة الغاز، يجب أن نتحدث عن سرعة متوسطة. يمكننا أن نفترض أن هذه هي القيمة المتوسطة لسرعة أحد الجزيئات خلال فترة زمنية طويلة بما فيه الكفاية، أو أن هذه هي القيمة المتوسطة لسرعات جميع جزيئات الغاز في حجم معين في وقت ما.

هناك طرق مختلفة لتحديد سرعة حركة الجزيئات. واحدة من أبسط هذه الطرق هي الطريقة التي تم تنفيذها في عام 1920 في تجربة ستيرن.

أرز. 390. عندما يمتلئ الفراغ الموجود أسفل الزجاج A بالهيدروجين؛ ثم تخرج فقاعات من نهاية القمع، مغلقة بواسطة الوعاء المسامي B

لفهم ذلك، فكر في القياس التالي. عند إطلاق النار على هدف متحرك، لكي تصيبه، عليك أن تستهدف نقطة أمام الهدف. إذا قمت بالتصويب على هدف، فإن الرصاص سوف يضرب خلف الهدف. وهذا الانحراف لموقع التأثير عن الهدف سيكون أكبر كلما تحرك الهدف بشكل أسرع وانخفضت سرعة الرصاص.

تم تخصيص تجربة أوتو ستيرن (1888–1969) للتأكيد التجريبي وتصور توزيع سرعة جزيئات الغاز. هذه تجربة جميلة أخرى مكنت من "رسم" رسم بياني لهذا التوزيع حرفيًا في إعداد تجريبي. يتكون تركيب ستيرن من أسطوانتين مجوفتين دوارتين بمحاور متطابقة (انظر الشكل على اليمين؛ الأسطوانة الكبيرة ليست مرسومة بالكامل). وفي الاسطوانة الداخلية تم شد خيط من الفضة 1 مباشرة على طول محورها، ويمر من خلاله تيار كهربائي، مما أدى إلى تسخينه وذوبانه الجزئي ثم تبخر ذرات الفضة من سطحه. ونتيجة لذلك، تم ملء الأسطوانة الداخلية، التي كانت تحتوي في البداية على فراغ، بالتدريج بالفضة الغازية ذات التركيز المنخفض. وفي الاسطوانة الداخلية، كما هو موضح في الشكل، تم عمل شق رفيع 2، فاستقرت عليه معظم ذرات الفضة الواصلة إلى الاسطوانة. مر جزء صغير من الذرات عبر الفجوة وسقط في الاسطوانة الخارجية، حيث تم الحفاظ على الفراغ. وهنا لم تعد هذه الذرات تصطدم بذرات أخرى، وبالتالي تحركت في الاتجاه الشعاعي بسرعة ثابتة، لتصل إلى الأسطوانة الخارجية بعد زمن يتناسب عكسيا مع هذه السرعة:

أين نصف قطر الأسطوانات الداخلية والخارجية، وهو المكون الشعاعي لسرعة الجسيمات. ونتيجة لذلك، مع مرور الوقت، ظهرت طبقة من الطلاء الفضي على الاسطوانة الخارجية 3. في حالة الأسطوانات الساكنة، كانت هذه الطبقة على شكل شريط يقع تمامًا مقابل الفتحة الموجودة في الأسطوانة الداخلية. ولكن إذا كانت الأسطوانات تدور بنفس السرعة الزاوية، فبحلول الوقت الذي يصل فيه الجزيء إلى الأسطوانة الخارجية، تكون الأخيرة قد تحركت بالفعل لمسافة

مقارنة بالنقطة المقابلة مباشرة للشق (أي النقطة التي استقرت عليها الجسيمات في حالة الأسطوانات الثابتة).

57. اشتقاق معادلة حالة الغاز المثالي (معادلة مندليف-كلابيرون)

غالبًا ما تكون الغازات مواد متفاعلة ومنتجات في التفاعلات الكيميائية. ليس من الممكن دائمًا جعلهم يتفاعلون مع بعضهم البعض في ظل الظروف العادية. ولذلك، عليك أن تتعلم كيفية تحديد عدد مولات الغازات في ظل ظروف غير طبيعية.

للقيام بذلك، استخدم معادلة الحالة الغازية المثالية (وتسمى أيضًا معادلة كلابيرون-منديليف): PV = nRT

حيث n هو عدد مولات الغاز؛

ف – ضغط الغاز (على سبيل المثال، في أجهزة الصراف الآلي؛

V - حجم الغاز (باللتر)؛

T – درجة حرارة الغاز (بالكلفن)؛

R – ثابت الغاز (0.0821 لتر atm/molK).

لقد وجدت اشتقاقًا للمعادلة، لكنه معقد جدًا. لا يزال يتعين علينا أن ننظر.

58. عملية متساوية الحرارة.

العملية متساوية الحرارة هي تغير في حالة الغاز حيث تظل درجة حرارته ثابتة. ومن الأمثلة على هذه العملية نفخ إطارات السيارات بالهواء. ومع ذلك، يمكن اعتبار مثل هذه العملية متساوية الحرارة إذا قارنا حالة الهواء قبل دخوله إلى المضخة مع حالته في الإطار بعد تساوي درجة حرارة الإطار والهواء المحيط به. يمكن اعتبار أي عمليات بطيئة تحدث مع حجم صغير من الغاز محاطًا بكتلة كبيرة من الغاز أو السائل أو الصلب بدرجة حرارة ثابتة، متساوية الحرارة.

في عملية متساوية الحرارة، يكون حاصل ضرب ضغط كتلة معينة من الغاز وحجمها قيمة ثابتة. هذا القانون المسمى بقانون بويل ماريوت اكتشفه العالم الإنجليزي ر. بويل والفيزيائي الفرنسي إ. ماريوت وهو مكتوب على النحو التالي:

العثور على أمثلة!

59. عملية متساوية الضغط.

العملية متساوية الضغط هي تغير في حالة الغاز الذي يحدث عند ضغط ثابت.

في العملية متساوية الضغط، تكون نسبة حجم كتلة معينة من الغاز إلى درجة حرارتها ثابتة. يمكن كتابة هذا الاستنتاج، والذي يسمى قانون جاي-لوساك تكريما للعالم الفرنسي ج. جاي-لوساك، على النحو التالي:

أحد الأمثلة على العملية متساوية الضغط هو تمدد فقاعات الهواء الصغيرة وثاني أكسيد الكربون الموجودة في العجين عند وضعها في الفرن. ضغط الهواء داخل الفرن وخارجه هو نفسه، ودرجة الحرارة في الداخل أعلى بنسبة 50% تقريبًا من الخارج. ووفقا لقانون جاي لوساك، فإن حجم فقاعات الغاز في العجينة يزيد أيضا بنسبة 50٪، مما يجعل الكعكة جيدة التهوية.

60. عملية متساوية.

العملية التي تتغير فيها حالة الغاز، ولكن حجمه يبقى دون تغيير، تسمى عملية متساوية. يترتب على معادلة مندليف-كلابيرون أنه بالنسبة للغاز الذي يشغل حجمًا ثابتًا، يجب أن تكون نسبة ضغطه إلى درجة حرارته ثابتة أيضًا:

العثور على أمثلة!

61. التبخر والتكثيف.

البخار هو غاز يتكون من جزيئات لديها طاقة حركية كافية للهروب من السائل.

لقد اعتدنا على حقيقة أن الماء وبخاره يمكن أن يتحولا إلى بعضهما البعض. تجف البرك الموجودة على الأسفلت بعد هطول المطر، وغالبًا ما يتحول بخار الماء الموجود في الهواء إلى قطرات صغيرة من الضباب في الصباح. جميع السوائل لديها القدرة على التحول إلى بخار - إلى الحالة الغازية. وتسمى عملية تحول السائل إلى بخار بالتبخر. يسمى تكوين السائل من بخاره بالتكثيف.

تشرح النظرية الحركية الجزيئية عملية التبخر على النحو التالي. ومن المعلوم (انظر الفقرة 21) أن قوة تجاذب تعمل بين جزيئات السائل، فتمنعها من الابتعاد عن بعضها البعض، كما أن متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات السائل لا يكفي للتغلب على قوى الالتصاق فيما بينها. ومع ذلك، في أي لحظة من الزمن، يكون لجزيئات السائل المختلفة طاقة حركية مختلفة، ويمكن أن تكون طاقة بعض الجزيئات أعلى بعدة مرات من قيمتها المتوسطة. تتمتع هذه الجزيئات عالية الطاقة بسرعة حركة أعلى بكثير، وبالتالي يمكنها التغلب على قوى الجذب للجزيئات المجاورة وتطير خارج السائل، وبالتالي تشكل بخارًا فوق سطحه (انظر الشكل 26 أ).

تتحرك الجزيئات التي يتكون منها البخار الخارجة من السائل بشكل عشوائي، وتتصادم مع بعضها البعض بنفس الطريقة التي تفعلها جزيئات الغاز أثناء الحركة الحرارية. وفي الوقت نفسه، يمكن للحركة الفوضوية لبعض جزيئات البخار أن تأخذها بعيدًا عن سطح السائل بحيث لا تعود أبدًا إلى هناك. وبطبيعة الحال، تساهم الرياح أيضا في ذلك. على العكس من ذلك، فإن الحركة العشوائية للجزيئات الأخرى يمكن أن تعيدها إلى السائل، وهو ما يفسر عملية تكثيف البخار.

فقط الجزيئات التي لديها طاقة حركية أعلى بكثير من المتوسط ​​يمكنها أن تطير خارج السائل، مما يعني أنه أثناء التبخر ينخفض ​​متوسط ​​طاقة الجزيئات السائلة المتبقية. وبما أن متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات السائل، مثل الغاز (انظر 23.6)، يتناسب مع درجة الحرارة، أثناء التبخر تنخفض درجة حرارة السائل. ولهذا السبب نشعر بالبرد بمجرد خروجنا من الماء المغطى بطبقة رقيقة من السائل، والتي تبدأ على الفور في التبخر والبرودة.

62. البخار المشبع. ضغط البخار المشبع.

ماذا يحدث إذا تم إغلاق وعاء به حجم معين من السائل بغطاء (الشكل 26 ب)؟ في كل ثانية، ستستمر الجزيئات الأسرع في مغادرة سطح السائل، وستنخفض كتلتها، وسيزداد تركيز جزيئات البخار. وفي الوقت نفسه، ستعود بعض جزيئاته إلى السائل من البخار، وكلما زاد تركيز البخار، زادت كثافة عملية التكثيف هذه. وأخيرًا، سيصبح تركيز البخار فوق السائل مرتفعًا جدًا بحيث يصبح عدد الجزيئات العائدة إلى السائل في كل وحدة زمنية مساويًا لعدد الجزيئات الخارجة منه. وتسمى هذه الحالة بالتوازن الديناميكي، ويسمى البخار المقابل بالبخار المشبع. لا يمكن أن يكون تركيز جزيئات البخار فوق السائل أكبر من تركيزه في البخار المشبع. إذا كان تركيز جزيئات البخار أقل من تركيز البخار المشبع، فإن هذا البخار يسمى غير مشبع.

تخلق جزيئات البخار المتحركة ضغطًا، يتناسب حجمه، كما هو الحال في الغاز، مع حاصل ضرب تركيز هذه الجزيئات ودرجة الحرارة. لذلك، عند درجة حرارة معينة، كلما زاد تركيز البخار، زاد الضغط الذي يمارسه. يعتمد ضغط البخار المشبع على نوع السائل ودرجة الحرارة. كلما كان من الصعب تمزيق جزيئات السائل بعيدا عن بعضها البعض، كلما انخفض ضغط البخار المشبع. وبالتالي، فإن ضغط البخار المشبع للماء عند درجة حرارة 20 درجة مئوية يبلغ حوالي 2 كيلو باسكال، وضغط البخار المشبع للزئبق عند درجة حرارة 20 درجة مئوية يبلغ 0.2 باسكال فقط.

تعتمد حياة الإنسان والحيوان والنبات على تركيز بخار الماء (الرطوبة) في الغلاف الجوي، والذي يختلف بشكل كبير حسب المكان والوقت من السنة. عادة، بخار الماء من حولنا غير مشبع. الرطوبة النسبية هي نسبة ضغط بخار الماء إلى ضغط البخار المشبع عند نفس درجة الحرارة، معبرًا عنها بنسبة مئوية. أحد أدوات قياس رطوبة الهواء هو مقياس الحرارة، الذي يتكون من مقياسين حرارة متطابقين، أحدهما ملفوف بقطعة قماش مبللة.

63. اعتماد ضغط البخار المشبع على درجة الحرارة.

البخار هو غاز يتكون من تبخر جزيئات السائل، ولذلك تصح له المعادلة (23.7) المتعلقة بضغط البخار p وتركيز الجزيئات فيه n ودرجة الحرارة المطلقة T:

من (27.1) يترتب على ذلك أن ضغط البخار المشبع يجب أن يزداد خطيًا مع زيادة درجة الحرارة، كما هو الحال بالنسبة للغازات المثالية في العمليات المتساوية (انظر الفقرة 25). ومع ذلك، كما أظهرت القياسات، فإن ضغط البخار المشبع يزداد مع درجة الحرارة بشكل أسرع بكثير من ضغط الغاز المثالي (انظر الشكل 27 أ). يحدث هذا بسبب حقيقة أنه مع زيادة درجة الحرارة، وبالتالي متوسط ​​الطاقة الحركية، فإن المزيد والمزيد من الجزيئات السائلة تتركها، مما يزيد من تركيز البخار فوقها. ولأن وفقا لـ (27.1) يتناسب الضغط مع n، فإن هذه الزيادة في تركيز البخار تفسر الزيادة الأسرع في ضغط البخار المشبع مع درجة الحرارة مقارنة بالغاز المثالي. تفسر الزيادة في ضغط البخار المشبع مع درجة الحرارة الحقيقة المعروفة وهي أن السوائل تتبخر بشكل أسرع عند تسخينها. لاحظ أنه بمجرد أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى التبخر الكامل للسائل، يصبح البخار غير مشبع.

عندما يتم تسخين السائل الموجود في كل من الفقاعات، تتسارع عملية التبخر ويزداد ضغط البخار المشبع. تتوسع الفقاعات، وتحت تأثير قوة أرخميدس الطافية، تنفصل عن القاع، وتطفو للأعلى وتنفجر على السطح. في هذه الحالة، يتم نقل البخار الذي ملأ الفقاعات إلى الغلاف الجوي.

كلما انخفض الضغط الجوي، انخفضت درجة حرارة غليان هذا السائل (انظر الشكل 27ج). لذلك، في الجزء العلوي من جبل إلبروس، حيث يكون ضغط الهواء نصف المعدل الطبيعي، يغلي الماء العادي ليس عند 100 درجة مئوية، ولكن عند 82 درجة مئوية. على العكس من ذلك، إذا كان من الضروري زيادة درجة غليان السائل ثم يتم تسخينه تحت ضغط متزايد. وهذا، على سبيل المثال، هو أساس تشغيل طناجر الضغط، حيث يمكن طهي الأطعمة التي تحتوي على الماء عند درجة حرارة تزيد عن 100 درجة مئوية دون غليان.

64. الغليان.

الغليان هو عملية تبخر مكثفة تحدث في كامل حجم السائل وعلى سطحه. يبدأ السائل بالغليان عندما يقترب ضغط البخار المشبع من الضغط داخل السائل.

الغليان هو تكوين عدد كبير من فقاعات البخار التي تطفو وتنفجر على سطح السائل عند تسخينه. في الواقع، هذه الفقاعات موجودة دائمًا في السائل، لكن حجمها يزداد ولا تصبح ملحوظة إلا عند الغليان. أحد أسباب وجود فقاعات دقيقة دائمًا في السائل هو كما يلي. السائل عند سكبه في وعاء، يزيح الهواء من هناك، لكنه لا يستطيع القيام بذلك بشكل كامل، وتبقى فقاعاته الصغيرة في شقوق صغيرة ومخالفات في السطح الداخلي للسفينة. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي السوائل عادةً على فقاعات دقيقة من البخار والهواء ملتصقة بجزيئات الغبار الصغيرة.

عندما يتم تسخين السائل الموجود في كل من الفقاعات، تتسارع عملية التبخر ويزداد ضغط البخار المشبع. تتوسع الفقاعات، وتحت تأثير قوة أرخميدس الطافية، تنفصل عن القاع، وتطفو للأعلى وتنفجر على السطح. في هذه الحالة، يتم نقل البخار الذي ملأ الفقاعات إلى الغلاف الجوي. لذلك، يسمى الغليان التبخر، والذي يحدث في كامل حجم السائل. يبدأ الغليان عند درجة الحرارة التي تكون فيها فقاعات الغاز قادرة على التمدد، ويحدث هذا إذا تجاوز ضغط البخار المشبع الضغط الجوي. ومن ثم، فإن نقطة الغليان هي درجة الحرارة التي يكون عندها ضغط البخار المشبع لسائل معين مساويًا للضغط الجوي. وأثناء غليان السائل تظل درجة حرارته ثابتة.

إن عملية الغليان مستحيلة دون مشاركة قوة الطفو الأرخميدية. لذلك، في المحطات الفضائية في ظروف انعدام الوزن، لا يوجد غليان، وتسخين الماء يؤدي فقط إلى زيادة حجم فقاعات البخار ودمجها في فقاعة بخار كبيرة واحدة داخل وعاء به ماء.

65. درجة الحرارة الحرجة.

هناك أيضًا مفهوم مثل درجة الحرارة الحرجة؛ إذا كان الغاز عند درجة حرارة أعلى من درجة الحرارة الحرجة (فرد لكل غاز، على سبيل المثال لثاني أكسيد الكربون حوالي 304 كلفن)، فإنه لم يعد من الممكن تحويله إلى سائل، مهما كان الأمر. يتم تطبيق الضغط عليه. تحدث هذه الظاهرة بسبب حقيقة أن قوى التوتر السطحي للسائل تكون صفرًا عند درجة الحرارة الحرجة.

الجدول 23. درجة الحرارة الحرجة والضغط الحرج لبعض المواد

على ماذا يدل وجود درجة حرارة حرجة؟ ماذا يحدث عند درجات حرارة أعلى؟

تظهر التجربة أنه عند درجات حرارة أعلى من الدرجة الحرجة، لا يمكن أن تكون المادة إلا في حالة غازية.

تمت الإشارة إلى وجود درجة حرارة حرجة لأول مرة في عام 1860 من قبل ديمتري إيفانوفيتش مندليف.

وبعد اكتشاف درجة الحرارة الحرجة، أصبح من الواضح لماذا لا يمكن تحويل الغازات مثل الأكسجين أو الهيدروجين إلى سائل لفترة طويلة. درجة حرارتها الحرجة منخفضة جدًا (الجدول 23). ولتحويل هذه الغازات إلى سائل، يجب تبريدها إلى ما دون درجة حرارة حرجة. وبدون ذلك فإن كل محاولات تسييلها محكوم عليها بالفشل.

66. الضغط الجزئي. الرطوبة النسبية. 67. أجهزة قياس رطوبة الهواء النسبية.

تعتمد حياة الإنسان والحيوان والنبات على تركيز بخار الماء (الرطوبة) في الغلاف الجوي، والذي يختلف بشكل كبير حسب المكان والوقت من السنة. عادة، بخار الماء من حولنا غير مشبع. الرطوبة النسبية هي نسبة ضغط بخار الماء إلى ضغط البخار المشبع عند نفس درجة الحرارة، معبرًا عنها بنسبة مئوية. أحد أدوات قياس رطوبة الهواء هو السيكرومتر، ويتكون من مقياسين حرارة متطابقين، أحدهما ملفوف بقطعة قماش مبللة، وعندما تقل رطوبة الهواء عن 100%، يتبخر الماء من القماش، ويتبخر ميزان الحرارة ب. بارد، مما يدل على درجة حرارة أقل من A. وكلما انخفضت رطوبة الهواء، زاد الفرق Dt بين قراءات موازين الحرارة A و B. باستخدام جدول قياس نفسي خاص، يمكن تحديد رطوبة الهواء من خلال اختلاف درجة الحرارة هذا.

الضغط الجزئي هو ضغط غاز معين موجود في خليط غازي، والذي سيؤثره هذا الغاز على جدران الوعاء الذي يحتوي عليه إذا كان وحده يشغل كامل حجم الخليط عند درجة حرارة الخليط.

لا يتم قياس الضغط الجزئي بشكل مباشر، ولكن يتم تقديره بناءً على الضغط الكلي وتركيبة الخليط.

كما أن الغازات الذائبة في الماء أو أنسجة الجسم تمارس ضغطًا لأن جزيئات الغاز الذائبة تكون في حركة عشوائية ولها طاقة حركية. إذا اصطدم غاز مذاب في سائل بسطح ما، مثل غشاء الخلية، فإنه يمارس ضغطًا جزئيًا بنفس الطريقة التي يمارس بها الغاز في خليط الغاز.

لا يمكن قياس ضغط الضغط مباشرة، بل يتم حسابه على أساس الضغط الكلي وتركيبة الخليط.

العوامل التي تحدد مقدار الضغط الجزئي للغاز المذاب في السائل. يتم تحديد الضغط الجزئي للغاز في المحلول ليس فقط من خلال تركيزه، ولكن أيضًا من خلال معامل ذوبانه، أي. ترتبط بعض أنواع الجزيئات، مثل ثاني أكسيد الكربون، فيزيائيًا أو كيميائيًا بجزيئات الماء، بينما يتم صد بعضها الآخر. تسمى هذه العلاقة بقانون هنري ويتم التعبير عنها بالمعادلة التالية: الضغط الجزئي = تركيز الغاز المذاب / معامل الذوبان.

68. التوتر السطحي.

الميزة الأكثر إثارة للاهتمام للسوائل هي وجود سطح حر. السائل، على عكس الغازات، لا يملأ كامل حجم الحاوية التي يُسكب فيها. ويتكون سطح بيني بين السائل والغاز (أو البخار) وهو في ظروف خاصة مقارنة ببقية السائل. الجزيئات الموجودة في الطبقة الحدودية للسائل، على عكس الجزيئات الموجودة في عمقه، لا تكون محاطة بجزيئات أخرى من نفس السائل من جميع الجوانب. إن قوى التفاعل بين الجزيئات المؤثرة على أحد الجزيئات داخل السائل من الجزيئات المجاورة يتم تعويضها بشكل متبادل في المتوسط. ينجذب أي جزيء في الطبقة الحدودية إلى الجزيئات الموجودة داخل السائل (يمكن إهمال القوى المؤثرة على جزيء سائل معين من جزيئات الغاز (أو البخار). ونتيجة لذلك، تظهر قوة معينة موجهة إلى عمق السائل. يتم سحب جزيئات السطح إلى السائل بواسطة قوى الجذب بين الجزيئات. لكن جميع الجزيئات، بما في ذلك جزيئات الطبقة الحدودية، يجب أن تكون في حالة توازن. يتم تحقيق هذا التوازن عن طريق تقليل المسافة بين جزيئات الطبقة السطحية وأقرب جيرانها داخل السائل قليلاً. كما يظهر في الشكل. 3.1.2، عندما تقل المسافة بين الجزيئات، تنشأ قوى التنافر. إذا كان متوسط ​​المسافة بين الجزيئات داخل السائل يساوي r0، فإن جزيئات الطبقة السطحية تكون معبأة بشكل أكثر كثافة إلى حد ما، وبالتالي يكون لديها مصدر إضافي من الطاقة الكامنة مقارنة بالجزيئات الداخلية (انظر الشكل 3.1.2) . يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه بسبب الانضغاطية المنخفضة للغاية، فإن وجود طبقة سطحية أكثر كثافة لا يؤدي إلى أي تغيير ملحوظ في حجم السائل. إذا تحرك الجزيء من السطح إلى السائل، فإن قوى التفاعل بين الجزيئات ستقوم بعمل إيجابي. على العكس من ذلك، من أجل سحب عدد معين من الجزيئات من أعماق السائل إلى السطح (أي زيادة مساحة سطح السائل)، يجب أن تؤدي القوى الخارجية عملاً موجبًا ΔAext، يتناسب مع التغير ΔS لـ مساحة السطح: ΔAext = σΔS.

يسمى المعامل σ بمعامل التوتر السطحي (σ > 0). وبالتالي فإن معامل التوتر السطحي يساوي الشغل اللازم لزيادة مساحة سطح السائل عند درجة حرارة ثابتة بمقدار وحدة واحدة.

في النظام الدولي للوحدات، يتم قياس معامل التوتر السطحي بالجول لكل متر مربع (J/m2) أو بالنيوتن لكل متر (1 N/m = 1 J/m2).

من المعروف من الميكانيكا أن حالات توازن النظام تتوافق مع القيمة الدنيا لطاقة الوضع. ويترتب على ذلك أن السطح الحر للسائل يميل إلى تقليل مساحته. ولهذا السبب، تأخذ قطرة السائل الحرة شكلًا كرويًا. يتصرف السائل كما لو أن القوى المؤثرة بشكل عرضي على سطحه تتقلص (تسحب) هذا السطح. وتسمى هذه القوى بقوى التوتر السطحي.

إن وجود قوى التوتر السطحي يجعل سطح السائل يبدو وكأنه فيلم مرن مشدود، مع الاختلاف الوحيد في أن القوى المرنة في الفيلم تعتمد على مساحة سطحه (أي على كيفية تشوه الفيلم)، والتوتر السطحي. القوى لا تعتمد على مساحة سطح السوائل.

بعض السوائل، مثل الماء والصابون، لديها القدرة على تكوين أغشية رقيقة. فقاعات الصابون المعروفة لها شكل كروي منتظم - وهذا يوضح أيضًا تأثير قوى التوتر السطحي. إذا قمت بخفض إطار سلكي، أحد جوانبه متحرك، في محلول صابون، فسيتم تغطية الإطار بأكمله بفيلم سائل.

69. ترطيب.

يعلم الجميع أنك إذا وضعت قطرة من السائل على سطح مستو، فإنها إما أن تنتشر عبره أو تأخذ شكلًا دائريًا. علاوة على ذلك، فإن الحجم والتحدب (قيمة ما يسمى بزاوية الاتصال) للقطرة الكاذبة يتم تحديدهما من خلال مدى بلل سطح معين. ويمكن تفسير ظاهرة التبول على النحو التالي. إذا كانت جزيئات السائل تنجذب إلى بعضها البعض أكثر من انجذابها إلى جزيئات المادة الصلبة، فإن السائل يميل إلى تكوين قطيرة.

تحدث زاوية التلامس الحادة على سطح قابل للبلل (ليوفوبيا)، بينما تحدث زاوية تلامس منفرجة على سطح غير قابل للبلل (كاره للجفاف).

هذه هي الطريقة التي يتصرف بها الزئبق على الزجاج، أو الماء على البارافين، أو على الأسطح "الدهنية". على العكس من ذلك، إذا كانت جزيئات السائل تنجذب إلى بعضها البعض بقوة أقل من جزيئات المادة الصلبة، فإن السائل "ينضغط" على السطح وينتشر فوقه. يحدث هذا مع قطرة زئبق على طبق من الزنك أو مع قطرة ماء على زجاج نظيف. في الحالة الأولى يقولون إن السائل لا يبلل السطح (زاوية التلامس أكبر من 90 درجة)، وفي الحالة الثانية يبلله (زاوية التلامس أقل من 90 درجة).

إنه مادة تشحيم طاردة للماء تساعد العديد من الحيوانات على الهروب من البلل الزائد. على سبيل المثال، أظهرت الدراسات التي أجريت على الحيوانات والطيور البحرية - فقمة الفراء، والفقمات، وطيور البطريق، والغواصات - أن شعرها الناعم وريشها له خصائص كارهة للماء، في حين أن الشعر الواقي للحيوانات والجزء العلوي من الريش المحيطي للطيور مبلل جيدًا بالماء. ونتيجة لذلك، يتم إنشاء طبقة هوائية بين جسم الحيوان والماء، والتي تلعب دورًا مهمًا في التنظيم الحراري والعزل الحراري.

لكن التشحيم ليس كل شيء. يلعب الهيكل السطحي أيضًا دورًا مهمًا في ظاهرة الترطيب. يمكن أن تعمل التضاريس الوعرة أو الوعرة أو المسامية على تحسين التبول. لنتذكر، على سبيل المثال، الإسفنج والمناشف التي تمتص الماء بشكل مثالي. ولكن إذا كان السطح "خائفا" من الماء في البداية، فإن الإغاثة المتقدمة لن تؤدي إلا إلى تفاقم الوضع: ستتجمع قطرات الماء على الحواف وتتدحرج.

70. الظواهر الشعرية.

الظواهر الشعرية هي صعود أو انخفاض السائل في الأنابيب ذات القطر الصغير - الشعيرات الدموية. ترتفع السوائل المبللة عبر الشعيرات الدموية، بينما تنزل السوائل غير المبللة.

في التين. يوضح الشكل 3.5.6 أنبوبًا شعريًا بنصف قطر معين r، يتم إنزاله عند نهايته السفلية إلى سائل مبلل بكثافة ρ. الطرف العلوي من الشعيرات الدموية مفتوح. يستمر صعود السائل في الشعيرات الدموية حتى تصبح قوة الجاذبية المؤثرة على عمود السائل في الشعيرات الدموية مساوية في الحجم لقوى التوتر السطحي Fн الناتجة التي تعمل على طول حدود تلامس السائل مع سطح الشعيرات الدموية: Fт = Fн، حيث Fт = mg = ρhπr2g، Fн = σ2πr cos θ.

هذا يعني:

الشكل 3.5.6.

صعود السائل المرطب في الشعيرات الدموية.

مع التبول الكامل θ = 0، cos θ = 1. في هذه الحالة

مع عدم التبلل الكامل θ = 180°، cos θ = –1، وبالتالي h< 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

يبلل الماء السطح الزجاجي النظيف بالكامل تقريبًا. وعلى العكس من ذلك، فإن الزئبق لا يبلل سطح الزجاج بالكامل. ولذلك، ينخفض ​​مستوى الزئبق في الوعاء الشعري الزجاجي إلى ما دون المستوى الموجود في الوعاء.

71. الأجسام البلورية وخصائصها.

على عكس السوائل، لا تحتفظ المادة الصلبة بحجمها فحسب، بل أيضًا بشكلها ولها قوة كبيرة.

يمكن تقسيم مجموعة متنوعة من المواد الصلبة التي تمت مواجهتها إلى مجموعتين تختلفان بشكل كبير في خصائصهما: البلورية وغير المتبلورة.

الخصائص الأساسية للأجسام البلورية

1. الأجسام البلورية لها درجة حرارة انصهار معينة لا تتغير أثناء عملية الذوبان عند ضغط ثابت (الشكل 1، المنحنى 1).

2. تتميز الأجسام البلورية بوجود شبكة بلورية مكانية، وهي عبارة عن ترتيب منظم للجزيئات أو الذرات أو الأيونات، يتكرر في كامل حجم الجسم (ترتيب بعيد المدى). وتتميز أي شبكة بلورية بوجود مثل هذا العنصر في هيكلها، والذي يمكن أن يؤدي تكراره المتكرر في الفضاء إلى إنتاج البلورة بأكملها. هذه بلورة واحدة. تتكون البلورات المتعددة من العديد من البلورات المفردة الصغيرة جدًا المندمجة معًا، والتي يتم توجيهها بشكل عشوائي في الفضاء.

الدرس 4. التسارع. السرعة عند التحرك بتسارع مستمر.

هدف : - تكوين علامات حركة الجسم بتسارع مستمر.

يخطط : 1) اللحظة التنظيمية. تحديث المعرفة. التحقق من الواجبات المنزلية.

3) توحيد ما تم تعلمه. ملخص الدرس. الواجب المنزلي وشرحه. حل المشاكل

خلال الفصول الدراسية:

1) اللحظة التنظيمية. تحديث المعرفة.

أسئلة

في الحركة الخطية المنتظمة، تتوافق السرعة اللحظية مع السرعة المتوسطة. لماذا؟

لماذا، في حالة الحركة المستقيمة المنتظمة، لأي فترات زمنية متساوية، يتحرك الجسم نفس المسافة؟

كيف يمكنك تحديد إزاحة الجسم في حركة مستقيمة منتظمة من رسم بياني للسرعة مقابل الزمن؟

كيف يعتمد ميل الرسم البياني للحركة الخطية المنتظمة على السرعة؟

2) دراسة مواد جديدة.

اليوم في الفصل سنتعلم: المعنى الجسديالتسارع، الرسوم البيانية للحركة مع تسارع ثابت.

عندما تتحرك الأجسام، تتغير سرعتها عادةً إما من حيث الحجم أو الاتجاه، أو في نفس الوقت من حيث الحجم والاتجاه.

المثال 1 (مقطع فيديو)

المثال الثاني (مقطع فيديو)

المثال 3 (مقطع فيديو)

تسمى الكمية التي تميز معدل التغير في السرعة بالتسارع.

تسارع الجسم هو نهاية نسبة التغير في السرعة إلى فترة من الزمن ، والتي حدث خلالها هذا التغيير، في حين تميل إلى الصفر.

في النظام الدولي (SI)، تعتبر وحدة التسارع هي تسارع حركة موحدة تتغير فيها سرعة الجسم المتحرك بمقدار 1 في 1 ثانية. تسمى هذه الوحدة 1 متر في الثانية المربعة ويرمز لها بـ 1

دراسة الحركة المتسارعة والمتباطئة للكرة (نموذج تفاعلي).

حركة متسارعة بشكل منتظم (تسارع الجسم)، إذا ، أ = ثابت.

بالحركة البطيئة (يبطئ الجسم)، إذا ، أ = ثابت.

دراسة الرسم البياني لسرعة الحركة المتسارعة بشكل منتظم (نموذج تفاعلي)

المهمة 1. املأ الجدول.

ستظهر الرسوم البيانية للسرعة السرعة مقابل الوقت.

توقعات السرعة. عند حساب التسارع، يتم استخدام إسقاطات السرعة ومتجهات التسارع على المحور X 3) توحيد ما تم تعلمه. ملخص الدرس. الواجب المنزلي وشرحه.

العمل في المنزل. §11، 12، 13، الأسئلة، التمرين 3(1,2)

1. يبدأ راكب دراجة يسافر بسرعة 18 كم/ساعة في النزول من جبل. أوجد سرعة راكب الدراجة بعد 6 s إذا كانت سرعته 0.8 m/s 2 .

2. تصل سرعة القطار إلى 90 م/ث بعد 20 ثانية من بدء الحركة. ما المدة التي تصبح فيها سرعة القطار بعد بدء الحركة 3 m/s؟

3. انخفضت سرعة السيارة من 10 إلى 6 م/ث خلال 10 ث. اكتب صيغة التبعيةالخامس(ر) السرعة مقابل الزمن، ارسم هذا الاعتماد واستخدم الرسم البياني لتحديد السرعة بعد 20 ثانية.

4. كيف يتم توجيه تسارع المصعد عندما:

أ) يبدأ التحرك من الطابق الأول؟

ب) يتباطأ في الطابق العلوي؟

ج) يتباطأ في الطابق الثالث ويتحرك للأسفل؟

د) يبدأ التحرك في الطابق الثالث، ويتحرك للأعلى؟

تعتبر حركة المصعد أثناء التسارع والتباطؤ متسارعة بشكل منتظم.

5. يتم التعبير عن اعتماد إسقاط السرعة على الوقت المحدد للجسم الأول بوحدات SI بواسطة الصيغة وللثانية – بالصيغة .

أ) ارسم رسومًا بيانية لكل جسم.

ب) في أي لحظة تكون سرعات الأجسام متساوية (في الحجم والاتجاه)؟

ج) في أي لحظات تكون سرعات الأجسام متساوية في الحجم؟