1. Какое состояние называют состоянием теплового равновесия?
Состоянием теплового равновесия называют состояние системы, при котором все её части имеют одинаковую температуру, и между ними не происходит теплообмена. В таком состоянии макроскопические параметры системы, такие как температура и давление, остаются неизменными во времени.
2. Чем температура как параметр состояния теплового равновесия отличается от других параметров?
Температура как параметр теплового равновесия отличается тем, что именно она определяет направление теплообмена между телами. В отличие от других параметров, температура служит мерой интенсивности теплового движения молекул и является единственным параметром, одинаковое значение которого во всех частях системы означает тепловое равновесие.
3. Как строятся эмпирические температурные шкалы? В чём их недостаток?
Эмпирические температурные шкалы, такие как шкала Цельсия и Фаренгейта, строятся на основе фиксированных физических явлений (например, температура замерзания и кипения воды при стандартном атмосферном давлении). Их недостаток в том, что они зависят от свойств конкретных веществ, таких как вода, и не универсальны для всех термодинамических систем.
4. Как строится термодинамическая шкала температур? Какие точки выбраны на ней в качестве реперных?
Термодинамическая шкала температур, также известная как шкала Кельвина, строится на основе фундаментальных законов термодинамики и независима от свойств конкретных веществ. На ней в качестве реперных точек выбраны абсолютный ноль (0 К), где полностью прекращается тепловое движение частиц, и тройная точка воды (273,16 К), при которой вода, лёд и водяной пар находятся в равновесии.
5. Как связана средняя кинетическая энергия теплового движения молекул с термодинамической температурой?
Средняя кинетическая энергия теплового движения молекул Eср связана с термодинамической температурой T следующим образом: Eср = (3/2)kT, где k — постоянная Больцмана. Это выражение показывает, что кинетическая энергия частиц прямо пропорциональна абсолютной температуре, и её рост сопровождается увеличением скорости теплового движения молекул.
1. Раскройте понятие температуры с точки зрения термодинамики и с точки зрения молекулярно-кинетической теории строения вещества. Покажите связь термодинамической и молекулярно-кинетической трактовок понятия «температура».
Температура в термодинамике определяется как мера средней энергии теплового движения молекул, составляющих тело. Температура связана с направлением теплопередачи, то есть тепло всегда переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, пока не наступит тепловое равновесие.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории, температура является мерой средней кинетической энергии молекул, из которых состоит вещество. Чем выше температура, тем больше средняя кинетическая энергия теплового движения молекул.
Эти два подхода связаны через формулу средней кинетической энергии молекул газа. В молекулярно-кинетической теории средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы газа связана с абсолютной температурой Т следующим образом: E = (3/2) kT, где k — постоянная Больцмана. Эта формула показывает, что температура прямо пропорциональна средней кинетической энергии молекул, что является связующим звеном между термодинамическим и молекулярно-кинетическим трактовками температуры.
2. Чему равна температура кипения спирта по термодинамической шкале, если она составляет 78 °C?
Температура кипения спирта по шкале Цельсия составляет 78 градусов. Чтобы перевести её в термодинамическую шкалу (Кельвины), используем формулу T = t + 273, где t — температура в градусах Цельсия.
Подставляем значение T = 78 + 273 = 351 К
3. Температура вещества в недрах Земли на расстоянии 100 км от её поверхности равна 1200 К. Чему равна эта температура по шкале Цельсия?
Температура вещества в недрах Земли составляет 1200 К. Чтобы перевести её в шкалу Цельсия, используем формулу t = T - 273, где T — температура в Кельвинах.
Подставляем значение t = 1200 - 273 = 927 градусов
4. Определите температуру газа, если средняя кинетическая энергия теплового движения его молекул 8,1*10^-21 Дж.
Формула для средней кинетической энергии молекул: E = (3/2) kT, где k = 1.38 на 10^-23 Дж/К — постоянная Больцмана.
Выразим температуру T = (2E) / (3k)
Подставляем значения T = (2 * 8.1 * 10^-21) / (3 * 1.38 * 10^-23)≈391 К
5*. Рассчитайте и сравните между собой средние квадратичные скорости теплового движения при 0 °C молекул водорода (m = 3,3*10^-27 кг), кислорода (m = 5,3*10^-26 кг) и азота (m = 46,5*10^-27 кг).
Найдем средние квадратичные скорости теплового движения молекул водорода, кислорода и азота при температуре 0 градусов Цельсия, или 273 К. Формула для средней квадратичной скорости молекулы: v =√(3kT / m), где T — температура, k — постоянная Больцмана, m — масса молекулы.
Для водорода (m = 3.3 * 10^-27 кг): v =√(3 * 1.38 * 10^-23 * 273 / 3.3 * 10^-27)≈1830 м/с
Для кислорода (m = 5.3 * 10^-26 кг): v =√(3 * 1.38 * 10^-23 * 273 / 5.3 * 10^-26)≈460 м/с
Для азота (m = 4.65 * 10^-26 кг): v =√(3 * 1.38 * 10^-23 * 273 / 4.65 * 10^-26)≈500 м/с
Достижим ли абсолютный нуль температуры?
Абсолютный нуль температуры, который составляет 0 К или -273,15 °C, является теоретическим пределом, но его достижение невозможно. Вблизи этого предела движение частиц практически останавливается, и вещество теряет тепловую энергию. Согласно законам термодинамики, при попытках приблизиться к абсолютному нулю требуется всё больше энергии для удаления оставшейся тепловой активности, что создает барьер, который невозможно преодолеть полностью. Хотя экспериментально были достигнуты температуры очень близкие к абсолютному нулю, они всегда остаются чуть выше него.