Molekulaarfüüsika. (1)

Füüsika harud
Mehaanika Liikumine
Soojusõpetus Soojusnähtused
Akustika Heli
Elektrodünaamika Elektrivool
Optika Valgus
Aatomi ja tuumafüüsika
Kosmoloogia
Soojusõpetus
Soojusõpetus tegeleb:
1) Mateeria liikumise soojusliku vormiga. See on:
Soojuse üleminek ühelt kehalt
teisele,soojuspaisumine ja muud
makroskoopilised nähtused
Molekulide kaootiline ehk soojusliikumine
1) Molekulide liikumise iseloomu ja
molekulidevahelise vastastikmõjuga
SOOJUSÕPETUS
TERMODÜNAAMIKA MOLEKULAARFÜÜSIKA
·Soojusülekanne
·Soojuspaisumine
GAASIDE AINE EHITUS
MOLEKULAARKINEETILINE
TEOORIA
·Molekulidevaheline
·Molekulide soojusliikumine vastastikmõju
"Atomistid"
Demokritos ja Leukippos V saj e.Kr.
Epikuros (341 ­ 270 e.Kr.)
Lucretios (I saj. e. Kr)
Tõid füüsikasse aatomi mõiste
­ "jagamatu" kreeka keeles
"Atomistid"
Kreeka filosoof
Demokritos
Maailm koosneb aatomitest ja
tühjusest.
Aatom - "tomos"(lõikama) + "a" =
"atomos" ­ lõikamatu,jagamatu
Ei suutnud seda kuidagi tõestada ­
mida pole näha, seda pole olemas
Aristoteles: kogu maailm koosneb
neljast elemendist ­ tuli, vesi, maa ja
õhk. Nende olemasolu ei olnud vaja
tõestada.
455 - 370 e.m.a.
Ludvig Edward Boltzmann
Sündis 20.02.1844 Viinis
Suri 5.10.1906 Duinos
Juhtis teoreetilise füüsika õppetooli Grazis,
matemaatika õppetooli Viinis ja
eksperimentaalfüüsika õppetooli jälle
Grazis ja siis teoreetilise füüsika õppetooli
Viinis.
1900 aastast korraks Leizigis aga seal oli
töökaaslaseks tema kõige suurem oponent
Wilhelm Ostwald
Tähtsamad avastused statistilise
mehaanika, elektromagnetismi ja
termodünaamika alal
Molekul
Molekul on aine väikseim osake millel säilivad selle aine
keemilised omadused. Nii on see keemias.
Füüsikas on teisiti ­ üksikul molekulil ei ole neid füüsikalisi
omadusi, mis on ainel tervikuna(kõvadus, läbipaistvus,
elektritakistus jne.)
Füüsikas võib molekuliks nimetada nii molekuli keemilises mõttes
kui üksikut aatomit.
Molekulide mõõtmed on suurusjärgus 107 ­ 108 cm
Gaaside molekulaarkineetilise teooria
põhialused
Gaaside molekulaarkineetiline teooria seletab
gaaside omadusi lähtudes kolmest põhilisest
eeldusest:
­ Kõik gaasid koosnevad molekulidest.
Tõestus: Molekule võib näha ja pildistada
­ Molekulid on pidevas kaootilises liikumises
Tõestus: Browni liikumine
­ Molekulide vahel on vastastikmõju
Tõestus: Kehade olemasolu ja võimatus neid lõputult kokku
suruda
KUI SUUR ON VEE MOLEKULI
MASS?
·Vee keemiline valem on H2O
· Vee molekulmass on 18 süsinikuühikut
· 1u(süsinikuühiku) mass on 1,6 · 1027 kg
· Vee molekuli mass on seega
·18 · 1,6 · 1027 = 2,88 · 1026 kg
KUI SUUR ON VEE MOLEKULI
LÄBIMÕÕT?
Kasutame kaudset määramist 1 kilomool vett
RUUMALA KAUDU
KUI SUUR ON VEE MOLEKULI
LÄBIMÕÕT?
· Ühe kilomooli vee mass M on 18 kg
· Ühe kilomooli vee ruumala on arvutatav valemist = M/V => V =
M/, kus on vee tihedus ( = 1000 kg/ m3 )
· Ühe kilomooli vee ruumala V on
V = 18:1000 => V = 18 · 103 m3
· Ühes kilomoolis on 6,02 · 1026 molekuli (Avogadro arv)
· 18 · 103 m3 :6,02 · 1026 = 3 · 1029 m3 on ühe molekuli ruumala
· Molekuli läbimõõt on suurusjärgus 1010 m
BROWNI LIIKUMINE
BROWNI LIIKUMINE
BROWNI LIIKUMINE
MOLEKULAARJÕUD
TÕUKEJÕUD ON ÜLEKAALUS KUI R R0 1
F ~
R R9
TÕMBEJÕUD ON ÜLEKAALUS KUI R > R0
1
R0 R F ~
R7
Makrokäsitlus aine uurimisel
Makrokäsitluses vaadeldakse kehi tervikuna. See on
oluline praktiliste ülesannete lahendamisel
Makrokäsitlusel kasutatakse makroparameetreid.
Makroparameetrid on
­ rõhk(p);
­ ruumala(V);
­ temperatuur(T).
­ Need kolm on põhilised, sest määravad gaasi oleku. Kasutusel
on ka muid makroparameetreid
Mikrokäsitlus aine uurimisel
Mikrokäsitluses lähtutakse aine molekulaarsest
ehitusest. See on oluline aine ehituse ja aines
asetleidvate protsesside puhul.
Mikrokäsitlusel kasutatakse mikroparameetreid.
Mikroparameetrid on
­ molekuli mass(m0 ):
­ molekuli kiirus(v);
­ molekulide kontsentratsioon(n)
MÕLEMAD KÄSITLUSED MOODUSTAVAD
TERVIKU.
MIKS JUST GAASID?
Gaas on molekulaarkineetilise teooria
seisukohast lähtudes kõige kergemini uuritav
sest gaas:
­ Täidab alati kogu ruumi
­ On kergesti kokkusurutav
­ Gaasi rõhku ja temperatuuri on lihtne mõõta
Seepärast alustasid molekulaarkineetilise
teooria rajajad uuringuid just gaasidest.
Mudelite kasutamine
Mudel on mingi keeruka seadme või nähtuse
lihtsustatud jäljendus
Mudelid luuakse kui reaalse objekti või
probleemi uurimine on kas
­ Võimatu
­ Keerukas
­ Kulukas
Ideaalse gaasi mudel.
· Gaaside uurimine on keeruline ja kulukas. Seepärast
kasutatakse uurimiseks gaasi mudelit
· Lihtsaim gaasi mudel, mida kasutatakse gaaside
uurimiseks on ideaalne gaas.
· Ideaalse gaasi mudel:
a) Molekulid on punktmassid
b) Molekulide põrked anuma seintega on
absoluutselt elastsed
c) Molekulide vahel ei ole vastastikmõju
Ideaalse gaasi rõhk
Molekulide põrkumisel vastu anuma
seina mõjutavad need seinu jõuga F.
Selle jõu suurus sõltub molekuli
massist, molekulide arvust, molekulide
keskmisest kiirusest
m0 ­ molekuli mass; n ­ molekulide kontsentratsioon; v
molekulide keskmise kiirus
p = 1/3 nm0v2
Molekulaarkineetilise teooria põhivõrrand
Molekulide keskmine kineetiline energia
p = 1/3 nm0v2
Ek = m0v2 => p = 2/3 nEk
2
Gaasi rõhk p on makroparameeter, mis on
avaldatav mikroparameetrite kaudu
Rõhu ühik on 1Pa. Praktikas kasutatakse ka teisi ühikuid
1at = 9,81 N/cm2 760 mmHg = 1at = 1,013 · 105 Pa
SOE VÕI KÜLM?
Temperatuur
Temperatuur iseloomustab keha soojuslikku
seisundit.
Temperatuur on makroparameeter.
Temperatuuri mõõtmisel kasutatakse ainete
soojuspaisumist ­ gaasi(vedeliku) ruumala
muutumist temperatuuri muutumisel
Erinevad temperatuuriskaalad
ajaloost
Réaumuri skaala(1731 ) ­ nullpunkt vee
külmumispunkt, vee keemistemperatuur 80º.
Joseph-Nicolas Delisle skaala ­ nullpunkt vee
keemistemperatuur, skaala tavapärasele
vastupidine ­ temperatuuri tegeliku langemise
juures selle skaala järgi näit aina kasvab ja
negatiivseid temperatuure ei olegi.
Rene Antoine Ferchault de
Reaumur (16831757).
Prantsuse füüsik
Näitas süsiniku tähtsust
terasetootmises
Avaldas kuueköitelise töö
putukatest
Inkubaatori leiutaja
Arendas vee ja
alkoholitermomeetrit
Reaumuri temperatuuriskaala
autor.
Daniel Gabriel Fahrenheit
Elas aastail 1686 - 1736
Saksa füüsik ja teaduslike
instrumentide looja
Alkoholitermomeetri
leiutaja (1709)
Elavhõbedatermomeeter
(1714)
Fahrenheiti skaala
temperatuuri mõõtmiseks
Skaala on senini kasutusel
USA -s
Fahrenheiti skaala
Daniel Gabriel Fahrenheit võttis skaala nullpunktiks
jää ja salmiaagi segu temperatuuri ning andis
väärtuse 30 kraadi vee külmumispunktile ning 90
kraadi inimkeha normaaltemperatuurile. Hiljem on
nendest saanud temperatuurid 32 kraadi ja 96 kraadi
Käesoleval ajal on vee külmumispunkt 32° ja vee keemistemperatuur
212°. Vahemik jagatud 180-ks Nii on saadud temperatuuri ühik 1º F
Skaala oli kuni aastani 1970 kasutatav enamikus inglisekeelsetes
riikides, hiljem on enamuses üle mindud Celsiuse skaalale
F = (9/5 C) + 32 ­ seos Celsisuse ja Fahrenheiti skaala vahel
Anders Celsius 1701-1744
Celsiuse temperatuuriskaala looja
Algselt oli skaala nullpunkt vee
keemistemperatuur ja 100 kraadi vee
külmumistemperatuur. Hiljem pöörati
tuntud loodusteadlase C. Linne'i
soovitusel skaala ümber.
Skaala nullpunkt on vee
külmumistemperatuur
Vee keemistemperatuur normaalrõhul on
võetud väärtusega 100 kraadi.
Vahe on jagatud sajaks osaks ja nii saadi
temperatuuri ühik 1º C
Erinevad temperatuuriskaalad
FAHRENHEIT REAUMUR CELSIUS
+2120F +800R +1000C Vesi keeb
+960F +29,40R +36,60C Inimkeha
+320F 00R 00C Jää sulab
00F -14,220R -17,780C Jää ja
salmiaagi
segu
Absoluutne temperatuur
V
V100
V0
273,15 t 0C
100
Temperatuuri absoluutne nullpunkt
William Thomson(lord Kelvin) 1824
1907
Soti matemaatik ja füüsik
Jäädvustas end panusega mitmesse
füüsika harusse
Kasutas elektromagnetiliste mõjutuste
kirjeldamiseks välja mõistet.
Tõi teadusesse universumi
soojussurma mõiste
Treatise on Natural Philosophy (1867)
Principles of Mechanics and
Dynamics by Dover Publications).
Kelvini skaala
Kelvini skaala nullpunkt on temperatuuri
Kelvini skaala
absoluutne nullpunkt ja ühe kraadi väärtus
sama mis Celsiuse skaalal
T = t + 273,15 0K t =T 273,15 0C T0 =2730C
k ­ Boltzmanni
3
Ek = kT konstant
2
k = 1,380622 1023 J/K
Temperatuur on määratud molekulide liikumise
keskmise kineetilise energiaga.
p = 2/3 nEk 3
Ek = kT
2
p = 2/3 n Ek
p = 2/3 nEk 3
Ek = kT
2
p = nkT
p = 2/3 n 3/2 kT