Физика концентрация: 2.3. Концентрация вещества

Исследование-1. Применение. Определите среднюю кинетическую энергию атомов газа.
Задача. Видимая атмосфера Солнца (фотосфера), можно сказать, состоит из водородного газа. Концентрация атомов в водородном газе фотосферы приблизительно равна n = 1,6 ⋅ 10^-21м^-3, давление же равно p = 1,25 ⋅ 10²Па. Чему будет равна средняя кинетическая энергия поступательного движения атомов водородного газа фотосферы, если принять его за идеальный газ?

• Какова связь между средней кинетической энергией поступательного движения молекул (атомов) идеального газа и его давлением?

Применение в повседневной жизни: Предположим, что окружающий нас воздух состоит из одинаковых молекул. С какой средней квадратичной скоростью эти молекулы, при нормальных условиях, наносят нам удары? При нормальных условиях давление воздуха равно 10⁵Па, а плотность — 1,29 кг/м³.

ЧТО ВЫ УЗНАЛИ? Запишите в рабочем листке определения для следующих понятий: “идеальный газ”, “микроскопические параметры газа”,“ макроскопические параметры газа”, “основное уравнение МКТ идеального газа”, “концентрация молекул”, “средняя квадратичная скорость молекул”, “давление идеального газа”.

Идеальный газ — определение, свойства, условия

В жизни мы встречаем вещества в газообразном состоянии, когда чувствуем запахи. Запах очень легко распространяется, потому что газ не имеет ни формы, ни объема (занимает весь предоставленный объем) и состоит из хаотично движущихся молекул, расстояние между которыми больше, чем размеры молекул.

Агрегатных состояний точно три?

На самом деле есть еще четвертое — плазма. Звучит как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ — газ, в котором, помимо нейтральных частиц, есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Модель идеального газа

В физике есть такое понятие, как модель. Модель — это что-то идеализированное, она нужна в случаях, когда можно пренебречь некоторыми параметрами объекта или процесса.

Идеальный газ — это модель реального газа. Молекулы идеального газа представляют собой материальные точки, которые не взаимодействуют друг с другом на расстоянии, но взаимодействуют при столкновениях друг с другом или со стенками сосуда. При работе с идеальным газом можно пренебречь потенциальной энергией молекул (но не кинетической).

Важно знать

Модель идеального газа не может описать ситуацию, когда газ сжимают так сильно, что он конденсируется — переходит в жидкое состояние.

В повседневной жизни идеальный газ, конечно, не встречается. Но реальный газ может вести себя почти как идеальный. Такое случается, если среднее расстояние между молекулами во много раз больше их размеров, то есть если газ очень разреженный.

Свойства идеального газа

1. Расстояние между молекулами значительно больше размеров молекул.

2. Молекулы газа очень малы и представляют собой упругие шары.

3. Силы притяжения между молекулами пренебрежимо малы.

4. Молекулы взаимодействуют только при соударениях.

5. Молекулы движутся хаотично.

6. Молекулы движутся по законам Ньютона.

Среднеквадратичная скорость

Потенциальной энергией молекул газа пренебречь можно, а вот кинетической — никак нельзя. Потому что кинетическая энергия — это энергия движения, а мы не можем пренебрегать скоростью движения молекул.

На графике показано распределение Максвелла — то, как молекулы распределяются по скоростям. Судя по графику, большинство молекул движутся со средним значением скорости.

Но наш газ идеальный, а в идеальном газе случаются чудеса. Одно из таких чудес — то, что все молекулы идеального газа двигаются с одинаковой скоростью. Эта скорость называется средней квадратичной.

Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!

Давление идеального газа

Молекулы газа беспорядочно движутся.

Например, в комнате, в которой вы сейчас находитесь, за одну секунду на каждый квадратный сантиметр молекулы воздуха наносят столько ударов, что их количество выражается двадцатитрехзначным числом.

Хотя сила удара отдельной молекулы мала, действие всех молекул на стенки сосуда приводит к значительному давлению. Представьте, что комар пытается толкать машину — она не сдвинется с места. Но если за работу возьмется пара сотен миллионов комаров, то машину получится сдвинуть.

Эксперимент

Чтобы смоделировать давление газа, возьмите песок и лист бумаги, зажатый между двумя книгами. Песчинки будут выступать в роли молекул газа, а лист — в роли сосуда, в котором этот газ находится. Когда вы начинаете сыпать песок на лист бумаги, бумага отклоняется под воздействием множества песчинок. Так же и молекулы газа оказывают давление на стенки сосуда, в котором находятся.

Зависимость давления от других величин

Зависимость давления от объема

В механике есть формула давления, которая показывает, что давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади, на которую эта сила оказывается.

То есть если наши двести миллионов комаров будут толкать легковую машину, они распределятся по меньшей площади, чем если бы толкали грузовой автомобиль, — просто потому, что легковушка меньше грузовика.

Рассмотрим аналогичный пример с двумя сосудами разной площади.

Давление в левом сосуде будет больше, чем во втором, потому что его площадь меньше. А раз меньше площадь сосуда, то меньше и его объем. Значит, давление зависит от объема следующим образом: чем больше объем, тем меньше давление, и наоборот.

При этом зависимость будет не линейная, а примет вот такой вид (при условии, что температура постоянна):

Зависимость давления от объема называется законом Бойля-Мариотта. Она экспериментально проверяется с помощью такой установки:

Объем шприца увеличивают с помощью насоса, а манометр измеряет давление. Эксперимент показывает, что при увеличении объема давление действительно уменьшается.

Зависимость давления от температуры

Рассмотрим зависимость давления газа от температуры при условии неизменного объема определенной массы газа.

В ходе эксперимента газ нагревали в большой колбе, соединенной с ртутным манометром в виде узкой изогнутой трубки. Незначительным увеличением объема колбы при нагревании можно пренебречь, как и столь же незначительным изменением объема при смещении ртути в узкой манометрической трубке. Таким образом, объем газа можно считать неизменным.

Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, ученый измерял температуру газа термометром, а давление — манометром.

Эксперимент показал, что давление газа увеличивается с увеличением температуры. Это связано с тем, что при нагревании молекулы газа движутся быстрее, из-за чего чаще ударяются о стенки сосуда.

С температурой все проще. Зависимость давления от температуры при постоянных объеме и массе будет линейной:

Эта зависимость называется законом Шарля в честь ученого, открывшего ее.

Основное уравнение МКТ

Основная задача молекулярно-кинетической теории газа заключается в том, чтобы установить соотношение между давлением газа и его микроскопическими параметрами: массой молекул, их средней скоростью и концентрацией. Это соотношение называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории газа или кратко — основным уравнением МКТ.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три положения.

1. Все вещества образованы из мельчайших частиц — молекул, которые состоят из атомов.

   Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, то есть состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, которые имеют электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Мы уже выяснили, что причина давления газа на стенки — это удары молекул. Давление напрямую зависит от количества молекул — чем их больше, тем больше ударов о стенки и тем больше давление. А количество молекул в единице объема — это концентрация. Значит, давление газа зависит от концентрации.

Также давление пропорционально квадрату скорости, так как чем больше скорость молекулы, тем чаще она бьется о стенку сосуда. Расчеты показывают, что основное уравнение молекулярно-кинетической теории для идеального газа имеет следующий вид.

Коэффициент 1/3 обусловлен трехмерностью пространства: во время хаотического движения молекул все три направления равноправны.

Важный нюанс: средняя квадратичная скорость сама по себе не в квадрате! Ее формула указана выше, а в основном уравнении МКТ (да и не только в нем) она возведена в квадрат. Это значит, что формулу средней квадратичной скорости нужно подставлять не вместо v², а вместо v — и потом уже возводить эту формулу в квадрат. Это часто провоцирует путаницу.

Мы знаем, что кинетическая энергия вычисляется по следующей формуле:

Для молекулы газа формула примет вид:

Из этой формулы можно выразить m₀v² и подставить в основное уравнение МКТ. Подставим и получим, что давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы.

Хранение и транспортировка газов

Если нужно перевезти значительное количество газа из одного места в другое или если газ необходимо длительно хранить, его помещают в специальные прочные металлические сосуды. Из-за того, что при уменьшении объема увеличивается давление, газ можно закачать в небольшой баллон, но он должен быть очень прочным.

Сосуды, предназначенные для транспортировки газов, выдерживают высокие давления. Поэтому с помощью специальных насосов (компрессоров) туда можно закачать значительные массы газа, которые в обычных условиях занимали бы в сотни раз больший объем.

Поскольку давление газов в баллонах даже при комнатной температуре очень велико, их ни в коем случае нельзя нагревать. Например, держать под прямыми лучами солнца или пытаться сделать в них отверстие — даже после использования.

физических концентраций | Физика | Университет Брауна

По физике присуждаются две степени бакалавра:

• Бакалавр наук (Sc.B.)
• Бакалавр искусств (AB)

Завершение концентрации физики позволяет студенту развивать

(1) глубокая способность к критическому количественному мышлению
(2) понимание основных законов физики и способов их применения в различных условиях
(3) понимание взаимодополняющих ролей, которые эксперимент и теория играют в интеллектуальном развитии человека поле
(4) способность сформулировать научный вопрос или проблему
(5) способность эффективно общаться

Треки концентрации ScB, которые требуют старшей диссертации, уделяют больше внимания результатам 4 и 5, чем стандартные треки концентрации AB. Концентраторы AB также могут выбрать диссертацию.

В целом, две степени отражают разницу в интенсивности и диапазоне изучения физики. Sc.B. Кандидаты имеют большее количество рекомендованных курсов по физике и могут выбрать больше нефизических факультативов в тесно связанных областях, таких как математика, прикладная математика, химия и т. д. A.B. концентраторы могут пройти те же углубленные курсы физики, что и доктор наук. студентов, но меньше, а также изучают более широкий и, возможно, более широкий спектр факультативов.
Набор на курсы на кафедре колеблется от 12 до 20 студентов после первых двух лет. Курсы чтения и самостоятельное изучение доступны в различных областях. Курсы повышения квалификации открыты для тех, кто установил соответствующую подготовку.
В Sc.B. студенты могут получить степень бакалавра физики или специализироваться на одном из трех направлений (требования к получению степени см. здесь):

• Математическая физика — это направление предназначено для студентов, интересующихся теоретической физикой и взаимодействием физики и математики. Учащиеся этого направления будут проходить большее количество курсов на факультете математики или прикладной математики. Этот трек также доступен для A.B. кандидаты.
• Биологическая физика — это направление предназначено для студентов, интересующихся физикой биологических систем. Студенты будут проходить специализированные курсы по биофизике, предлагаемые кафедрой, а также дополнительные курсы по биологии и химии.
• Астрофизика — это направление предназначено для студентов, интересующихся физикой космоса. Студенты этого направления будут проходить больше курсов по астрофизике или планетарной геологии.

Другие варианты степени:
В дополнение к стандартной четырехлетней программе Sc.B. и А.Б. программы на получение степени по физике, кафедра также предлагает

• пятилетний комбинированный Sc.B.-A.B. программа , в которой стандартная или независимая учебная концентрация завершается в области гуманитарных или социальных наук одновременно с физикой Sc. B., и
• a  Магистерская программа пятого курса
• А.Б. Степень в астрономии , для студентов, интересующихся астрономией, которые не хотят выполнять требования для получения степени бакалавра наук.

ТРЕБОВАНИЯ:
Требование к письму:   Требование ПИСЬМА может быть выполнено путем прохождения курсов физики 1560 и/или 0560 при условии, что учащийся получает оценку B или выше. Курсы должны быть завершены к 6 семестру.

Требования к курсу физики А.Б. степень:  
Физика 0070,0160 (или 0050,0060 или 0030,0040), Введение в физику
Физика 0470, Электричество и магнетизм
Физика 0500, Высшая классическая механика
Физика 0560, Лаборатория второго курса
Физика 1410, Квантовая механика A
Физика 1530, Термодинамика и статистическая механика

• Кроме того, требуется один дополнительный курс 1000 уровней по физике или один курс математики помимо математики 0170 или 0190.

Требования к курсу физики Sc.B. степень :
Физика 0070,0160 (или 0050,0060 или 0030,0040), Введение в физику
Физика 0470, Электричество и магнетизм
Физика 0500, Высшая классическая механика
Физика 0560, Лаборатория второкурсников
Физика 1410, Квантовая механика A
Физика 1420, Квантовая механика B
Физика 1510, Высшая электромагнитная теория

• Четыре курса помимо математики 0170/0190 или 0090, 0100, включая выбор из Прикладной математики и физики 720.
• Один дополнительный курс физики уровня 1000 или 2000 или курс более высокого уровня в смежных областях науки, выбранный студентом с согласия его или ее научного руководителя.
• Кроме того, рекомендуется как минимум один курс по вычислительным методам; такие как APMA или CSCI40.

Также требуется старшая диссертация  .

• Это должно быть подготовлено в связи с Физикой 1990 (или эквивалентным курсом по математике, технике или химии) под руководством научного руководителя факультета.

концентраций бакалавриата по физике | Кафедра физики

Введение

Физика в Корнелле очень гибкая и настраивается для каждого учащегося. Он структурирован как общий основной набор курсов, за которым следует концентрация. Концентрация должна представлять собой согласованную совокупность исследований, дополняющую основную часть.

Около половины наших студентов специализируются на физике: это означает, что они берут как минимум 15 дополнительных кредитов по физике, чтобы получить степень.

Другая половина концентрируется в дополнительной области. Правила заключаются в том, что он должен быть связным и дополнять ядро. Например, студент, заинтересованный в применении своих знаний по физике в медицинской профессии, может сосредоточиться на биологии. Точно так же студент, интересующийся аспектами права, связанными с технологиями, может получить степень по физике со специализацией в области права, бизнеса, истории или государственной политики. Учащиеся, заинтересованные в преподавании естественных наук в средней школе, могут получить степень по физике со специализацией в области образования. Другие естественные концентрации включают математику, астрономию, образование, информатику или экономику. Студентам предлагается разработать свою собственную концентрацию.

Студенты, изучающие физику бакалавриата, изучающие физику на уровне магистратуры, должны пройти курс для получения буквенной оценки, даже если этот класс настроен как вариант оценки.

Студенты обычно выбирают концентрацию в конце второго года обучения.

Концентрации в физике

Хотя в этом нет необходимости, учащимся, планирующим профессиональную или дипломную работу в области физики, рекомендуется пройти более продвинутые и аналитически строгие версии основных курсов — PHYS 1116, 1110, 2217, 2218, 2210, 3318 и 3327. Учащиеся с более слабой средней школой Подготовку может оказаться выгодным начать с уроков физики 1112 и 1110, а затем переключиться на продвинутую последовательность в последующих семестрах. Наиболее подготовленным учащимся, которые могут претендовать на получение кредита продвинутого уровня для PHYS 1112 и/или 2213, по-прежнему настоятельно рекомендуется начать с 1116 и 1110.

Концентрация изнутри состоит из дополнительных занятий по физике и математике на уровне 3000+ и предназначена в первую очередь для студентов, готовящихся к поступлению в аспирантуру по физике или смежным дисциплинам. Внутренние концентраторы должны пройти PHYS 4410 и PHYS 4230, а также 7 дополнительных единиц классов уровня 3000+ на физическом факультете. Внутренние концентраторы также должны пройти два дополнительных математических курса на уровне 3000+. Существует только один тип внутренней концентрации; студенты делают , а не , необходимо объявить подобласть (например, физика твердого тела или физика высоких энергий). Магистрам настоятельно рекомендуется участвовать в исследовательской деятельности Департамента. Если эта работа выполняется как независимый проект, PHYS 4490, на концентрацию может быть потрачено до 4 кредитных часов.

Кроме того, следующие курсы, не относящиеся к физике, могут быть засчитаны для концентрации по физике: ASTRO 3332, 4431-4432 и AEP 4340.

Концентрации вне физики

Для внешних концентраций курсы, засчитываемые как минимум в 15 кредитных часов сверх основного, должны иметь внутреннюю согласованность и вести к мастерству в области концентрации. Последовательность курса должна быть разработана и утверждена главным консультантом факультета. По крайней мере, 8 из 15 кредитных часов должны приходиться на курсы с номером выше 3000. Прошлые области концентрации включают астрономию, науки об атмосфере, бизнес, химическую физику, информатику, экономику, образование, геофизику, правительство, историю, право, математику, метеорологию, философия науки и государственная политика.