Естествознание физика

Явление, при котором молекулы пара собираются в капли и осаждаются на твердых телах, называется конденсацией.

Чем выше температура жидкости, тем выше скорость молекул, тем легче они могут оторваться от поверхности жидкости и тем быстрее происходит процесс испарения.

Во время испарения происходит охлаждение жидкости. Подтвердим это на опыте. Возьмем два одинаковых уличных термометра (рис. 162). Колбочку одного из термометров, в которой находится ртуть, обернем ватой, смоченной в воде. Через некоторое время температура, которую показывает этот термометр, будет несколько меньше, чем температура термометра без ваты.

Это явление связано с тем, что при отрыве молекулы с поверхности жидкости она забирает часть внутренней энергии жидкости. Чем интенсивнее испарение, тем сильнее охлаждается жидкость.

Рис. 162

Наблюдай и объясняй. Капни себе на руку каплю спирта и каплю воды. Опиши свои ощущения. Объясни, почему чувствуется разница.

7.2. Какие явления в природе связаны с процессами испарения и конденсации?

С явлениями испарения и конденсации мы часто сталкиваемся в природе. Летним утром во время восхода Солнца, когда происходит начальный прогрев земной поверхности, происходит и интенсивный процесс испарения. Над земной поверхностью образуется пелена тумана. Но чем больше молекул воды попадает в окружающий воздух, тем больше их собирается в капли воды и конденсируется. На земле образуются капельки росы.

Образование облаков и выпадение дождя -- это также процессы испарения и конденсации. С нагретой земной поверхности происходит испарение влаги, которую мы потом наблюдаем в виде облаков. При охлаждении облаков пар конденсируется и выпадает в виде дождя летом или в виде снега зимой (рис. 163).

Рис. 163

Чем выше температура пара, который поднимается с поверхности земли, тем выше он может подняться. Но чем выше он поднимается, тем больше он охлаждается и тем ниже становится его температура. В таком случае частицы пара соединяются в большие капли и замерзают. Обратно на землю они уже выпадают в виде града.

При испарении происходит охлаждение тела. Это свойство жидкостей используется в медицине и технике. Некоторые жидкости при интенсивном испарении способны создать отрицательные температуры. Они используются для заморозки. После купания даже в самую жаркую погоду, пока испаряется вода, чувствуется прохлада.

Выполни задание. Зимой у человека, находящегося на улице, изо рта идет пар (рис. 164). Чем температура ниже, тем пара больше. Летом это явление не наблюдается. Объясни почему.

Рис. 164

При испарении происходит охлаждение жидкости. При уменьшении температуры пара он собирается в капли и осаждается на твердые поверхности. Такое явление называется конденсацией.

8. Зависимость процесса кипения жидкости от давления и температуры

8.1. Какой процесс называется кипением жидкости?

Вспомни к уроку: * Пар * Давление

Пронаблюдаем еще за одним тепловым процессом, который происходит, если нагревать кастрюлю на плите. При нагревании кастрюли на ее дне и стенках образуются пузырьки воздуха. В воде всегда присутствует определенное количество воздуха, который в ней растворен. По мере нагревания воды из нее начинает выделяться воздух в виде пузырьков, в которых помимо воздуха находятся и молекулы воды, т. е. пар. С увеличением объема пузырьков увеличивается и действующая на них архимедова сила, и пузырьки начинают подниматься вверх. Когда вода нагревается до температуры 100 °С пузырьков с паром становится в ней все больше и они начинают уже образовываться во всем объеме воды.

Процесс, при котором испарение происходит по всему объему жидкости, называется кипением.

Во время кипения жидкости ее температура, а также температура пара остается постоянной до тех пор, пока не испарится вся жидкость. Температура, при которой происходит процесс кипения жидкости, называется температурой кипения. Температура кипения у разных веществ различна. Вода и молоко кипят при температуре 100 °С, спирт -- при температуре 78 °С, свинец -- 174 °С, железо -- 2750 °С.

Температура кипения зависит от давления, оказываемого на поверхность жидкости. При его увеличении кипение жидкости происходит при большей температуре, а при уменьшении -- при меньшей температуре.

Наблюдай и объясняй. Котелок на костре закипает за 30 мин (рис. 165). Что можно сделать для того, чтобы он закипел быстрее? Как ты думаешь, какой котелок закипит быстрее: закопченый или очищенный? Объясни свой ответ.



Рис. 165

8.2. Как работает скороварка?

То, что температура жидкости зависит от давления, нашло применение в некоторых бытовых устройствах, например в скороварке (рис. 166). Она представляет собой кастрюлю с плотной крышкой, в которой находится клапан. При приготовлении пищи в скороварке за счет интенсивного парообразования под крышкой создается давление больше атмосферного. Поэтому создается и повышенная температура. При повышенной температуре пища готовится быстрее. Клапан в скороварке служит для того, чтобы давление было не очень большим, иначе ее разорвет. Клапан скороварки должен быть всегда в рабочем состоянии.

Рис. 166

После того как клапан скороварки сработал первый раз, необходимо уменьшить его нагрев приблизительно в два-три раза, сделав его достаточным для поддержания давления пара в скороварке. При этом пар из клапана выходит с небольшим уровнем шума.

Вода кипит при температуре 100 °С при нормальном атмосферном давлении (примерно 101 000 Па или 760 мм рт. ст.). Если подниматься в горы, то атмосферное давление будет уменьшаться. На высоте 3000 м над уровнем моря вода будет закипать при температуре 90 °С, что потребует большего времени для приготовления пищи.

Выполни задание. Посмотри на рисунки 167, 168 и скажи, где кипящая вода горячее: на вершине горы или на уровне моря? Объясни свой ответ.

Рис. 167 Рис. 168

Процесс, при котором испарение происходит по всему объему жидкости, называется кипением.

Самое главное в главе V

Процесс передачи теплоты от более нагретых тел менее нагретым называется теплообменом. Передача теплоты происходит не сразу всему телу, а постепенно. Процесс передачи теплоты от более нагретых участков тела менее нагретым называется теплопроводностью. Тела из разных веществ имеют разную теплопроводность. Помимо теплопроводности существуют и другие виды теплопередачи, такие как конвекция и тепловые излучения.

При нагревании все тела увеличиваются в объеме с увеличением внутренней энергии. При уменьшении температуры тела внутренняя энергия уменьшается. Внутренняя энергия тела -- это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит само тело. Изменить внутреннюю энергию тела можно и совершая над ним работу. При увеличении внутренней энергии тела способны совершать работу. Например, в тепловой машине происходит преобразование внутренней энергии топлива в механическую энергию, которая расходуется на совершение работы.

При нагревании или охлаждении тел с ними могут происходить процессы перехода из газообразного состояния в жидкое, а затем в твердое и обратно.

Процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением. Обратный процесс -- переход вещества из жидкого состояния в твердое -- называется кристаллизацией. Процессы плавления и кристаллизации происходят при одной и той же температуре.

При испарении происходит охлаждение жидкости. При уменьшении температуры пара он собирается в капли и осаждается на твердые поверхности. Такое явление называется конденсацией.

Процесс, при котором испарение происходит по всему объему жидкости, называется кипением.

Объектом исследования является проводник тороидальной формы, обтекаемый переменным током с действующим значением I. Предполагается, что в проводнике имеет место резкий поверхностный эффект. Глубина проникновения значительно меньше радиуса сечения, ток и магнитное поле сосредоточены в поверхностном слое конечной толщины порядка нескольких .

Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея и правило Ленца. ЭДС индукции. Электронный механизм возникновения индукционного тока в металлах.

Явление электромагнитной индукции было открыто в 1831г. Майклом Фарадеем (Faraday M., 1791-1867), установившим, что в любом замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает электрический ток, названный им индукционным. Величина индукционного тока не зависит от способа, которым вызывается изменение потока магнитной индукции , но определяется скоростью ее изменения, то есть значением . При изменении знака меняется также направление индукционного тока.

Э.Х.Ленц (1804-1865) установил правило, согласно которому индукционный ток в контуре всегда направлен так, что создаваемый им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению магнитного потока, которое вызвало появление этого тока.

Для создания тока в замкнутой цепи необходимо наличие электродвижущей силы. Явление электромагнитной индукции свидетельствует о том, что при изменении магнитного потока в контуре возникает ЭДС индукции еi , величина и направление которой зависят от скорости изменения этого потока. Проанализировав результаты опытов Фарадея, Максвелл (Maxwell J., 1831-1879) придал основному закону электромагнитной индукции следующий современный вид:

Знак «-» в этой формуле соответствует правилу Ленца и означает, что направление ЭДС еi и направление скорости изменения потока магнитной индукции связаны между собой правилом левого винта. Подчеркнем, что говоря о «направлении» скалярных величин еi и , нужно понимать этот термин в том же смысле, какой вкладывается, например, в понятие направления тока.

Поток индукции магнитного поля через поверхность S, ограниченную контуром проводника определяется выражением:

Единицей измерения потока магнитной индукции в СИ является вебер: 1Вб = Т•м2. При скорости изменения потока индукции, равной 1Вб/с, в контуре индуцируется ЭДС, равная 1В.

Подставляя выражение для в закон Фарадея, будем иметь:

Отсюда видно, что появление ЭДС индукции и соответственно индукционного тока в проводящем контуре может быть вызвано каждой из двух причин: 1) в неподвижном контуре - за счет изменения во времени индукции магнитного поля (рис.14.1); 2) в движущемся проводнике - за счет пересечения силовых линий магнитного поля (рис.14.2).

Рис.14.1. Возникновение индукционного тока в неподвижном замкнутом контуре

В первом случае изменяющееся со временем магнитное поле порождает вихревое электрическое поле , силовые линии которого замкнуты и сцеплены с силовыми линиями магнитного поля. Под действием поля носители заряда в проводнике приходят в движение - возникает индукционный ток.

Во втором случае находящиеся в проводнике носители заряда движутся вместе с проводником в магнитном поле, при этом на каждый из зарядов действует сила Лоренца , направление которой перпендикулярно векторам и (рис.14.2). Под действием этой силы заряды приходят в движение, что и вызывает появление индукционного тока.

Рис.14.2. Возникновение индукционного тока в движущемся проводнике

В металлах носителями тока являются отрицательно заряженные электроны. Создаваемый ими ток в проводнике направлен в сторону, противоположную движению электронов. Легко видеть (см. рис.14.2), что магнитное поле индукционного тока внутри замкнутого контура направлено против внешнего поля, что находится в полном соответствии с правилом Ленца. Очевидно, что мы получим тот же результат, если носителями тока будут положительные заряды (например, «дырки» в полупроводниках р - типа).

Примеры применения закона электромагнитной индукции.

Рассмотрим ряд примеров на применение основного закона электромагнитной индукции Фарадея.

1) Движение проводника в однородном магнитном поле (рис.14.3).

Рис.14.3.

2) Вращение проводника в однородном магнитном поле (рис.14.4).

Рис.14.4.

Элементы теории ферромагнетизма. Представление об обменных силах и доменной структуре ферромагнетиков. Закон Кюри - Вейсса.

Движение заряженных частиц в постоянных электрическом и магнитном полях. Силы, действующие на заряженную частицу в электромагнитном поле. Сила Лоренца.

Практические применения силы Лоренца. Эффект Холла. К числу одного из известных проявлений силы Лоренца относится эффект, обнаруженный Холлом (Hall E., 1855-1938) в 1880г.

Явление самоиндукции. Индуктивность проводников. При любом изменении тока в проводнике его собственное магнитное поле также изменяется. Вместе с ним изменяется и поток магнитной индукции, пронизывающий поверхность, охваченную контуром проводника. В результате в этом контуре индуцируется ЭДС. Это явление называется явлением самоиндукции.

В связи с этим можно предложить следующий способ построения модели. Тороидальный проводник с током I заменяется геометрически подобным диэлектрическим тором, который помещается в электролитическую ванну. Ля возбуждения тока во внутренней области тора располагается двойной электрический слой постоянной мощности. Его физическая реализация - металлизированная с двух сторон диэлектрическая пластина, к которой приложено напряжение U0.



Строение атома

Модель атома Томсона

1897 г.- Дж. Томсоном выдвинута модель строения атома.

Атом имеет форму шара. По всему объему атома с постоянной плотностью распределен положительный заряд. Внутри (как изюм в кексе) расположены электроны.

В целом атом электрически нейтрален.

Когда электроны колеблются относительно центра сферы, атом излучает свет.

Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц

1906 г. - Э. Резерфорд проводит опыты для проверки состоятельности модели атома Томсона:

В вакууме в свинцовом стакане располагался источник радиоактивного излучения (альфа-частиц) - полоний(Ро).

Тонкая золотая фольга бомбардировалась положительно заряженными альфа-частицами, скорость которых около 20 ООО км /с.

На экране регистрировались вспышки от попадания на него альфа-частиц.

Кроме основного экрана следы от альфа-частиц были зафиксированы и на боковых экранах.

Зная о том, как взаимодействуют одноименно заряженные частицы, а они отталкиваются друг от друга, можно объяснить результаты опыта Резерфорда:

- частицы, которые отклонялись, пролетали недалеко от ядра

- частицы, которые отражались, попадали точно в ядро

- частицы, которые не испытывали отклонений, пролетали далеко от ядра

Понимание причин отклонения альфа-частиц позволило Э.Резерфорду выдвинуть собственную планетарную (иначе ядерную) модель строения атома.

Атом по Резерфорду

- это положительно заряженное ядро в центре атома и электроны на орбитах вокруг ядра

- характер движения электронов определяется действием кулоновских сил со стороны ядра

- диаметр ядра в 100000 раз меньше диаметра атома

- масса ядра составляет 99,4% от массы всего атома

- заряд ядра составляет 99,4% от заряда всего атома

- заряд ядра по модулю равен сумме зарядов электронов, поэтому атом в целом нейтрален.

Однако, возникли противоречия между законами классической механики и электродинамики и предложенной Резерфордом моделью атома:

1. Согласно классической механике по модели атома Резерфорда атомы должны быть неустойчивы, т.к.:

электроны движутся по орбитам с ускорением, поэтому должны излучать электромагнитные волны

излучая, должны терять энергию

в результате должны упасть на ядро

тогда атом должен прекратить свое существование.

Однако, реальные атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, не излучая электромагнитные волны.

2. По законам классической электродинамики, электрон, приближаясь к ядру, должен двигаться все быстрее, излучая все более короткие электромагнитные волны, поэтому спектр излучения атома должен быть сплошным.

Однако, у реальных атомов спектр излучения является линейчатым.

Понятие о квантовой механике

Квантовая механика -- область физики, рассматривающая поведение квантовых систем. Зародилась в начале двадцатого века, по определению является крайней противоположностью общей теории относительности.

химический элемент - это совокупность атомов с определенным зарядом ядра. Взаимосвязи химических элементов отражает Периодическая система химических элементов, структура которой тесно связана со строением атомов элементов.

Долгое время знаний о действительном строении атома не было. В конце XIX-начале XX в. было доказано, что атом является сложной частицей, состоящей из более простых (элементарных) частиц. В 1911 г. на основании экспериментальных данных английский физик Э. Резерфорд предложил ядерную модель атома с почти полной концентрацией массы в относительно малом объеме. Ядро атома, состоящее из протонов и нейтронов, имеет положительный заряд. Оно окружено электронами, несущими отрицательный заряд.

Электронное строение атома определяет его свойства, в том числе важнейшую для химии способность атомов образовывать химические соединения. Благодаря малым размерам и большой массе ядро атома можно приближенно считать точечным и покоящимся в центре масс. Обычно в химии детально рассматривают систему электронов, движущихся вокруг ядра. импульс физика атом энергия

Описать движение электронов в атоме с позиций классической механики и электродинамики невозможно, так как заряженная частица, двигающаяся по кругу, должна излучать электромагнитные волны, терять энергию и падать на ядро. В 1912 г. датский физик Н. Бор предложил решить эту проблему, выделив для электронов так называемые стационарные орбиты, двигаясь по которым, электрон не излучает энергию. Излучение может происходить лишь при переходе электрона с одной орбиты на другую. Со временем появились новые гипотезы, позволившие более точно представить движение электронов. Матричная механика немецкого физика-теоретика В.Гейзенберга описывала электрон как частицу, а волновая механика австрийского физика-теоретика Э. Шрёдингера - как волну. Эти теории были объединены в квантовой механике, которая в применении к химическим объектам получила свое развитие в квантовой химии.

Квантовомеханическая теория строения атома рассматривает атом как систему микрочастиц, не подчиняющихся законам классической механики. Первые ядерные модели строения атома были похожи на строение Солнечной системы. Однако описать движение электрона так же, как описывается движение планет, оказалось невозможным. С точки зрения квантовой механики, можно говорить лишь об определенном состоянии атома, характеризующемся некоторой энергией, которая, в соответствии с принципом дискретности, может измениться только при переходе атома из одного такого состояния в другое.

Кроме того, квантовая механика допускает, что электроны в атоме могут вести себя и как частицы, и как волны (принцип корпускулярно-волнового дуализма). И, наконец, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, невозможно определить траекторию движения электронов в атоме. В настоящее время благодаря методам квантовой механики известно электронное строение всех существующих видов атомов. Атом элемента описывается определенной электронной конфигурацией (электронной формулой), зная которую, можно сделать предположения о химических свойствах этого элемента.

Квантование энергии электрона в атоме

Некоторые физические величины, относящиеся к микрообъектам, изменяются не непрерывно, а скачкообразно. О величинах, которые могут принимать только вполне определенные, то есть дискретные значения (латинское "дискретус" означает разделенный, прерывистый), говорят, что они квантуются.

В 1900 г. немецкий физик М. Планк, изучавший тепловое излучение твердых тел, пришел к выводу, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций - квантов - энергии. Значение одного кванта энергии равно

ДE = hн,

где ДE - энергия кванта, Дж; н - частота, с^-1; h - постоянная Планка (одна из фундаментальных постоянных природы), равная 6,626·10^?34 Дж·с.

Кванты энергии впоследствии назвали фотонами.

Идея о квантовании энергии позволила объяснить происхождение линейчатых атомных спектров, состоящих из набора линий, объединенных в серии.

Еще в 1885 г. швейцарский физик и математик И.Я. Бальмер установил, что длины волн, соответствующие определенным линиям в спектре атомов водорода, можно выразить как ряд целых чисел. Предложенное им уравнение, позднее модифицированное шведским физиком Ю.Р. Ридбергом, имеет вид:

1 / л = R(1 / n₁² ? 1 / n₂²),

где л - длина волны, см; R - постоянная Ридберга для атома водорода, равная 1,097373·10⁵ см^?1, n₁ и n₂ - целые числа, причем n₁ < n₂.

Первая квантовая теория строения атома была предложена Н. Бором. Он считал, что в изолированном атоме электроны двигаются по круговым стационарным орбитам, находясь на которых, они не излучают и не поглощают энергию. Каждой такой орбите отвечает дискретное значение энергии.

Переход электрона из одного стационарного состояния в другое сопровождается излучением кванта электромагнитного излучения, частота которого равна

н = ДE / h,

где ДE - разность энергий начального и конечного состояний электрона, h - постоянная Планка.

Дискретность энергии электрона является важнейшим принципом квантовой механики. Электроны в атоме могут иметь лишь строго определенные значения энергии. Им разрешен переход с одного уровня энергии на другой, а промежуточные состояния запрещены.

Двойственная природа электрона

В классической механике рассматривается два вида движения: движение тела с локализацией перемещающегося объекта в каждой точке траектории в определенный момент времени и движение волны, делокализованной в пространстве среды. Для микрообъектов такое разграничение движения невозможно. Эту особенность движения называют корпускулярно-волновым дуализмом.

Корпускулярно-волновой дуализм - способность микрочастицы, обладающей массой, размерами и зарядом, одновременно проявлять и свойства, характерные для волн, например, способность к дифракции. В зависимости от того, какие свойства частиц изучаются, они проявляют либо одни, либо другие свойства.

Автором идеи корпускулярно-волнового дуализма стал А. Эйнштейн, который предложил рассматривать кванты электромагнитного излучения - фотоны - как движущиеся со скоростью света частицы, имеющие нулевую массу покоя. Их энергия равна

E = mc² = hн = hc / л,

где m - масса фотона, с - скорость света в вакууме, h - постоянная Планка, н - частота излучения, л - длина волны.

В 1924 г. французский физик Л. де Бройль предположил, что корпускулярно-волновыми свойствами обладает не только фотон, но и любая другая частица, движущаяся со скоростью v. Он получил уравнение, связывающее скорость движения частицы с длиной волны производимого ей электромагнитного излучения (уравнение де Бройля):

л = h / mv,

где m - масса частицы, v - ее скорость, h - постоянная Планка; величина л получила название длины волны де-Бройля.

Для объектов, обладающих сравнительно большой массой, волновые свойства обнаружить не удается. Так, для тела массой 1 г, летящего со скоростью 1 м/с, длина волны де-Бройля имеет порядок 1·10^?30 м, что на 15 порядков меньше размера ядра атома, и не поддается измерению. В то же время для нейтрона массой около 1,7·10^?27 кг, движущегося со скоростью 500 м/с, длина волны де Бройля составляет уже примерно 1·10^?9 м. Этой величиной пренебрегать уже нельзя.

Гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально. В 1927 г. американские физики К. Дэвиссон и Л. Джермер и независимо от них англичанин Дж.-П. Томсонобнаружили дифракцию электронов на кристалле никеля.

Соотношение неопределенностей Гейзенберга

В 1927 г. немецкий физик-теоретик В. Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, заключающийся в принципиальной невозможности одновременно точно определить положение микрочастицы в пространстве и ее импульс:

Дp_x · Д x ? h / 2р,

где Дp_x = m Дv_xx - неопределенность (ошибка в определении) импульса микрообъекта по координате х; Дx - неопределенность (ошибка в определении) положения микрообъекта по этой координате.

Таким образом, чем точнее определена скорость, тем меньше известно о местоположении частицы, и наоборот.

Поэтому для микрочастицы становится неприемлемым понятие о траектории движения, поскольку оно связано с конкретными координатами и импульсом частицы. Можно лишь говорить о вероятности обнаружить ее какой-то областях пространства.

Произошел переход от "орбит движения" электронов, введенных Бором, к понятию орбитали - области пространства, где вероятность пребывания электронов максимальна.

Размещено на Allbest.ru