Основы молекулярной физики и термодинамики.

Основы молекулярной физики и термодинамики

Одной из главных задач этого раздела являются углубление знаний учащихся о строении и свойствах вещества и тепловых явлений, первоначальные сведении о которых они получили в восьмилетней школе.

По сравнению с первой ступенью курса физики, где закладываются основы атомно – молекулярных представлений, новый этап в изучении молекулярной физики теплоты характеризуется более широким охватов научных понятий и явлений, связанных с движением и взаимодействием молекул; количественным описание их свойств, дальнейшим развитием понятий “внутренняя энергия” , “количество теплоты” и “температура” , использованием законы сохранения энергии применительно к тепловым процессам, углублением знаний о переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое.

В этом разделе учащихся более подробно знакомится с основными молекулярно – кинетической теории, объясняющая тепловые явления, строение и свойства тел на основе понятий о молекулах, их взаимодействии и движении (микроскопический уровень), а так же с элементами термодинамики, объясняющей тепловые явления на макроскопическом уровне. Следует отметить, что применение молекулярно – кинетической (статистической) и термодинамического методов к объяснению одних и тех же тепловых явлений является весьма плодовитым и способствует более глубокому осмысливанию учебного материала. Одновременно учащиеся убеждаются в том, что в науке существуют различные методы исследования одних и тех же физических явлений. При этом очень важно показать мощь физических методов исследования законов природы. Разве не удивительно, что физики изучают микромир, устанавливают количественные зависимости между свойствами микрочастиц и свойствами макротел и при этом непосредственно не видят молекул. Но, используя опытные факты и теоретические предпосылки (физические модели), учёные устанавливают общие закономерности тепловых явлений.

Изучение в курсе физики тепловых явлений как с макроскопической, так и с микроскопической точке зрения позволяет познакомить учащихся с новыми для них статическими закономерностями (частными случаями которых являются законы молекулярно – кинетической теории газов с их понятиями о средних значениях физических значений физических величин и понятиям вероятности ) и их особенностями по сравнению с динамическими закономерностями, существо которых обусловлено причинно – следственными связями физических явлений (это было хорошо видно ни примере законов классической механики). Таким образом, в сознании учащихся постепенно формируется качественно новый, более высокий уровень познания явлений и законов природы.

При изучении элементов термодинамики у учащихся развивается представления о термодинамическом состоянии тепловой системы, о её параметрах и уравнении состояния. Важно отметить, что в термодинамике обычно рассматривается только равновесные состояния, т.е. состояния системы, во всех частях который её параметры (p, V, T) не изменяются во времени или меняются очень медленно, равновесно. Уравнения стояния идеального газа Клапейрона – Менделеева pV=m/MRT и следствия из него справедливы только для равновесных состояний системы. Понятия теплового равновесия позволяет делать термодинамическое и молекулярно – кинетическое истолкования температуры и указать способы её измерения.

При изучении тепловых явлений на макроскопическом уровне обычно используют два эмпирических закона – начало термодинамики.

Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения и превращения энергии для тепловых процессов. Из него следует, что две формы передачи энергии ( теплопередача и работа) эквиваленты. Это положение рассказывается учащимся при ознакомлении их с понятиями внутренней энергии U, являющихся функцией состояния системы. Первый закон термодинамики для конечного изменения системы математических выражений так: U=A+Q. Из этого уравнения вытекает, что изменения внутренней энергии U термодинамической системы равно сумме работ внешних сил А и сообщённого системе количества теплоты Q. Если А=0 и Q=0 то U=0 и U=const, т.е. внутренняя энергия изолированной термодинамической системы остаётся величиной постоянной. Эти два положения являются формулировками первого начала термодинамики. В учебнике для техникумов первый закон термодинамики записан в виде уравнения Q= U+A. В этом случае его формулируют следующим образом: поведении к системе количество теплоты Q идёт на увеличение внутренней энергии системы U и на совершение этой системы работы А против внешних сил.

В настоящее время учебная программа для средних специальных учебных заведений предусматривает изучение второго начала термодинамики, так как этот закон имеет большое познавательное и мировоззренческое значение и представляет собой закон о направленности физических процессов при превращении различных видов энергии. Учитывая важность этого закона, следует дать хотя бы в ознакомительном плане одну из возможных его формулировок: теплота сама собой не может переходить от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой (формулировка Клаузиуса); невозможен вечный двигатель второго рода (формулировка Томсона), т.е. такой термодинамический процесс, единственный результатом которого было бы превращение теплоты в работу вследствие охлаждения тела. Далее на конкретных примерах следует разъяснить учащимся идею о направленности и тем самым – необратимости тепловых процессов. Например, при работе тепловых двигателей энергия, полученная от нагревателя, лишь частично идёт на полезную работу, а друга часть передаётся холодильнику. Эта часть энергии потеряна для данного двигателя, но без нее он не может работать.

Рассказывая перед учащимися сущность законов термодинамики, следует указать и границы их применимости. Как известно, закон сохранения энергии справедлив для всех без исключений явлений в макромире и микромире, чего нельзя сказать о начале термодинамике. Объясняется это тем, что начало термодинамики устанавливают различные между двумя формами передачи энергии: работой (макрофизическая форма передачи энергии) и теплопередачей (микрофизическая форма передачи энергии, характеризуемая количеством теплоты). Поэтому нижняя граница определяется микросистемами, сравнимыми с размерами молекул, когда для них различие двух форм передачи энергии исчезает и разделение процессов на обратимые и необратимые теряет физический смысл. При переходе же к явлениям во Вселенной первое начало термодинамики сохраняется, а второе начало – нет, так как здесь уже неприменимо понятие “замкнутой системы”. Иначе говоря второе начало термодинамики имеет верхнюю границу применимости.

Нижней границей применимости второго начала термодинамики является наличие флуктуаций – самопроизвольных отклонений микроскопических областей от равновесного состояния. Типичными проявлением флуктуаций давления является броуновское движение, изучение которого предусмотрено программой.

Таким образом, первое и второе начало термодинамики применимы лишь к макроскопическим системам, состоящим из очень большого числа частиц (атомов, молекул, ионов).

Раздел “Основы молекулярной физики и термодинамики” – раскрывает большие возможности дл формирования у учащихся научного мировоззрения. По мере его изучения они убеждаются: мир материален. Это убеждение должно сначала формироваться в процессе знакомства с тепловой формой движения материалов (оно хаотично и необратимо), качественно отличающейся от ранее изученной – механической (в идеальном случае – упорядоченной и обратимой). Далее они убеждаются в том, что невозможно совести тепловую форму движении материи к механической, поскольку молекулярно – кинетическая теория связывает обратимость механического движения каждой молекулы с необратимостью тепловых явлений в ценном. Изучение свойств вещества в различных агрегатных состояниях позволяет проиллюстрировать закон перехода количественных изменений в качественные.

При изучении молекулярной физике и термодинамике широко используются мысленные и вещественные модели. К мысленным моделям относятся: идеальный газ (молекулы принимаются за материальные точки, между которыми отсутствуют взаимодействие), идеальна жидкость (абсолютно упругая, без внутреннего трения), абсолютно упругое твёрдое тело. При рассмотрении реальных газов молекулы уподобляются шарикам, связанным убывающим с расстояния силами притяжения. Для демонстрации внутренней структуры кристаллов служит пространственная решетка, отражающая упорядоченность в расположении частиц определенного вида, а иногда и их взаимное положение относительно друг друга. Более точной моделью кристалла служит плотная упаковка шариков, предающая относительные размеры частиц и их взаимное расположение.