The; стани ранку; повторно

Стани речовини

стани

1 Тепло і температура

1.1 Спека та досвід JOULE

Тепло - це кількість енергії, яка може передаватися від одного тіла до іншого. Це лише один із можливих способів, наприклад, механічна робота або електрика, наприклад, для передачі кількості енергії від одного тіла до іншого. На честь англійського фізика ДЖОУЛА (1818-1889), який показав еквівалентність між нагріванням та механічною роботою, визнаною в даний час одиницею тепла, роботи або енергії є джоуль (символ J).

Джоуль визначається як робота, що відповідає силі 1 Ньютон, точка прикладання якої рухається на 1 метр у напрямку та напрямку сили (1 Дж = 1 Н. 1 м). Однак зауважте, що його еквівалентність старій одиниці, що все ще використовується, калорії (символ кал):

1 кал = 4,18 Дж і, отже, 1 ккал (іноді записується як 1 кал) = 4,18 кДж

JOULE побудував експериментальний пристрій, проілюстрований нижче, і знайшов тепловий еквівалент (= тепло) механічної роботи (= зміщення маси).

Експеримент ДЖОУЛА з визначення теплової еквівалентності механічної роботи (малюнок Е. Вальравенса).

Маса 1 кг потрапляє під дію сили земного тяжіння і приводить в рух трос, який перетворює цілісний ротор з лопатями, що обертаються в калориметрі (= ідеально теплоізольований резервуар), наповненому водою. Під впливом руху лопатей підвищується температура водойми (зіткнення молекул). Це відповідає витраті тепла в Дж/кг води.

ДЖОУЛ зауважив, що маса м 1 кг повинна впасти з висоти h 426,8 м, щоб отримати кількість тепла w 4187 Джоулів, що є кількістю тепла, необхідного для збільшення на 1 ° C маси 1 кг d 'води . Ця маса m діє під дією сили f внаслідок прискорення сили тяжіння a.

Енергія = сила x відстань (w = f. D)

а сила = маса х прискорення (f = м. а)

Отже, енергія = маса х прискорення х відстань (ш = м. А. D)

w = m. g. h = 1 кг. 9,81 м/с 2 х 426,8 м = 4187 кг. М 2/с 2 = 4187 Дж

Таким чином, ми знаємо, що тепло, необхідне для підвищення температури маси 1 кг рідкої води на 1 ° C, дорівнює роботі 4187 Дж.

Температура - один із проявів збудження атомів або молекул, що утворюють речовину. Коли ми дмемо на занадто гарячий суп, щоб охолодити його, ми не замислюємось про генеруваний молекулярний процес: молекули, що одужуються безперервним і невпорядкованим рухом, трапляється, що деякі з них, більш розчаровані, ніж інші, отримують вищі енергія. Якщо вони виявляються поблизу поверхні рідини, вони можуть уникнути притягання інших молекул у рідині. Тоді досить подути, щоб остаточно видалити їх з рідини, в якій залишаються лише менш енергійні молекули.

Тому температура пов'язана з енергією молекул, але непрямим чином. Коли ми кидаємо сніжний ком, і тим самим ми передаємо енергію у вигляді твору, енергія кожної з його молекул збільшується на однакову величину, проте температура кульки не змінюється. Нагріваючи його, ви випадково та вибірково збільшуєте енергію певних молекул.

Тому температура пов’язана з часткою між дуже енергійними молекулами та молекулами з меншою енергією.

1.3 Різні температурні шкали

У різних країнах з’явилися різні температурні шкали. Навіть сьогодні використовуються три окремі шкали.

1.3.1 шкала Фаренгейта

NEWTON (1642-1727) припустив у 1701 р., Що температура людського тіла та температура замерзання води служать еталонами для калібрування термометра. У 1702 р. Датський астроном, фізик і виробник вимірювальних приладів ROEMER (1644-1710) побудував термометр, заснований на розширенні спирту в залежності від температури: тонка скляна трубка постійного діаметру наповнюється спиртом, а потім закупорюється. РОМЕР не опублікував метод, яким він користувався (або ці нотатки були знищені в Копенгагенському пожежі 1728 р.), Але в 1708 р. Польський фізик ФАХРЕНХАЙТ (1686-1736) спостерігав за його роботою і записував його спостереження.

Нуль спиртового термометра ROEMER був би встановлений за температурою замерзання розсолу води, льоду та хлориду амонію. Температуру кипіння води було встановлено на рівні 60 градусів (РОМЕР був астрономом!). Потім РУМЕР помітив, що температура замерзання чистої води відповідала одній восьмій її термометричної шкали (тобто 7,5 градусів). Тому він використав це значення як другу фіксовану точку, уникаючи кипіння води, для калібрування інших термометрів, призначених для метеорологічного використання, менш тривалих, оскільки не потрібно вимірювати високі температури.

ФАХРЕНХАЙТ використав ртуть, покращив масштаб, збільшивши кількість відділів, і встановив масштаб, який сьогодні носить його ім'я. Спочатку його шкала мала лише 12 поділок, але пізніше він поділив кожен поділ на 8 рівних градусів, отже, значення 96 градусів для верхньої позначки його шкали. ФАХРЕНХАЙТ вирішив встановити нуль для температури рівної суміші солі та талого льоду та 96 градусів як температуру крові. ФАХРЕНХАЙТ вдруге помітив, що вода замерзає при 32 градусах і кипить при 212 градусах. Через деякий час після смерті ФАХРЕНХАЙТ, щоб усунути певні неточності вимірювань, було вирішено провести калібрування шкали, прийнявши 32 ° F і 212 ° F як точки плавлення і кипіння чистої води. Як результат, температура тіла людини становить 98,6 ° F, а не 96 ° F.

Шкала Фаренгейта широко використовувалася в Європі, поки її не замінили шкалою Цельсія. Він використовується і сьогодні в США та деяких англомовних країнах.

1.3.2 шкала Цельсія або шкала Цельсія

Сентезімальну, градусну або Цельсієву шкалу розробив шведський фізик Цельсій (1701-1744), який у 1742 році побудував ртутний термометр, що позначив 100 ° у точці замерзання води та 0 ° у точці кипіння води. Але в 1745 р. Шведський натураліст LINNE (1707-1778) змінив температурну шкалу і представив Шведській академії ртутний термометр, який позначив 0 ° для танення льоду і 100 ° для окропу.

Ми повинні наполягати на тому, що ця шкала температур являє собою еталон температур, що дозволяє знаходити їх по відношенню один до одного, а не міру: було б абсурдним стверджувати, що тіло при 0 ° C не має відсутність температури, так само, як твердження, що тіло при температурі 20 ° C має температуру вдвічі вищу, ніж тіло при температурі 10 ° C; ці числові значення пов'язані з довільним вибором температури талого льоду для значення 0 ° С. Так само, якщо сказати, що температура є негативною за шкалою Цельсія, просто означає, що вона нижча, ніж температура талого льоду.

1.3.3 шкала KELVIN

Ми знаємо, що при постійному обсязі тиск газу зростає із збільшенням температури: наприклад, дуже небезпечно кидати аерозольний балон у вогонь, ризикуючи побачити його вибух. Якщо ми вимірюємо тиск постійної кількості газу (відсутність витоків), що міститься в постійному обсязі (жорсткий контейнер), як функцію температури, ми отримуємо прямо пропорційні значення, які розміщуються на прямій лінії на графіку. Ці вимірювання можна повторити для різних обсягів, завжди постійних. Якщо ми екстраполюємо результати шляхом графічного продовження отриманих ліній, ми бачимо, що повинна бути температура, при якій тиск повинен бути нульовим. Ця температура однакова для всіх газів незалежно від обсягу, який використовується для вимірювань.

Графік, що показує тиск тієї ж кількості газу при постійному обсязі в залежності від температури. Вимірювання проводили для 3 різних об'ємів (= 3 кольори), а лінії екстраполювали (світліші частини) у напрямку до низьких температур (оригінальна графіка зроблена Еріком Вальравенсом).

Таким чином, прогрес хімії в 18 столітті дозволив показати, що неможливо опуститися нижче цієї температури, яку називають абсолютним нулем і яка відповідає - 273,15 ° C. КЕЛЬВІН (1824-1907) запропонував температурну шкалу, відмінну від Цельсія. Він вирішив використовувати температуру, що відповідає нульовому тиску газу, як точку початку (0К), але зберегти значення градусів Цельсія для вимірювання різниці температур. Таким чином, шкала Кельвіна - це простий перехід на 273 градуси в напрямку низьких температур шкали Цельсія, щоб уникнути негативних температур. З 1954 року Кельвін офіційно є одиницею виміру температури і є єдиним, що використовується у фізичних або хімічних формулах. Зверніть увагу, що, щоб уникнути плутанини між градусами Цельсія та Кельвіном, ми говоримо про Кельвіна, а не про градуси Кельвіна.

1.3.4 Перетворення температури в різні шкали

Для перетворення заданої температури в різні шкали слід пам’ятати, що:

  • абсолютна температура 0 ° C становить 273K і 32 ° F;
  • збільшення (або зменшення) на 1 ° C відповідає збільшенню (або зменшенню) на 1K або 1,8 ° F порівняно з відомою температурою в кожній з шкал; отже, збільшення (або зменшення) X ° C відповідає збільшенню (або зменшенню) XK або X 1,8 ° F щодо відомої температури в кожній з шкал та збільшенню (або зменшенню) Y ° F відповідає збільшенню (або зменшенню) Y/1,8 ° C або Y/1,8K порівняно з відомою температурою в кожній з шкал.

Ми можемо узагальнити ці розрахунки за кількома формулами, які ми знайдемо шляхом відображення та за допомогою малюнка нижче:

  • ° C = K - 273
  • K = ° C + 273
  • ° C = 5/9. (° F - 32)
  • ° F = (9/5. C) + 32
  • ° F = (9/5. (K - 273)) + 32
  • K = ((° F -32) .5/9) + 273

Порівняння температурних шкал і точок перетворення (оригінальна схема, виготовлена ​​Еріком Вальравенсом).

2 Стани речовини

Макроскопічно три стани речовини відрізняються своєю плинністю і стисливістю:

  • тверді тіла тверді (вони мають пам'ять про форми!) і нестисливі (металева балка жорстка і підтримує, тому передає сили, не деформуючись);
  • рідини є текучими і нестисливими (вода або масло використовуються для передачі тиску, наприклад в гідравлічних трансмісійних системах);
  • гази рідкі і стисливі (згадайте велосипедний насос або форсунку, заповнену повітрям, об’єм якої можна зменшити, операцію неможливо виконати, якщо вона наповнена рідиною, наприклад водою).

З молекулярної точки зору, речовини відрізняються більшою чи меншою рухливістю їх атомів:

Ілюстрація положення (креслення зверху) та руху молекул (нижні ділянки) у твердому (лівому), рідкому (середньому) та газоподібному (правому) станах речовини.

  • В екстремальних температурних умовах, вище 10000 ° С, зв'язки між атомами розриваються, і атоми вивільняють свої електрони. Потім матеріал має форму плазми, свого роду електропровідного газу. Поширений у всіх зірок, цей стан можна відтворити в лабораторії.

Оригінальна діаграма, що називає зміни стану (режисер Ерік Вальравенс).