5 · Solids, liquids and gases

สสารภายใต้แรงดัน

สารเดียวกันอาจอยู่ในสถานะของแข็ง ของเหลว หรือแก๊ส และโมเลกุลของมันไม่หยุดเคลื่อนที่ ส่วนนี้วัดคุณสมบัติของสสาร: ความหนาแน่นและแรงดัน, (P) พลังงานที่ใช้เพื่อให้ความร้อนหรือหลอมละลายวัตถุ, และพฤติกรรมของแก๊สอุดมคติที่เชื่อมโยงแรงดัน ปริมาตร และอุณหภูมิเข้าด้วยกัน

Edexcel International GCSE Physics 4PH1, ส่วน 5 (ข้อความ 5.1–5.22). หน่วยรวมพาสคาล (Pa), เคลวิน (K) และ (P) J/kg °C

ความหนาแน่นและแรงดัน

ความหนาแน่นวัดโดยตรง — มวลด้วยตาชั่ง, ปริมาตรด้วยการแทนที่ (ของแข็งรูปร่างไม่สม่ำเสมอ) หรือขนาด (รูปร่างสม่ำเสมอ) แรงดันในของไหลที่อยู่นิ่งกระทำ เท่ากันทุกทิศทาง และความต่างของแรงดันระหว่างระดับความลึกสองระดับเกิดจากน้ำหนักของของไหลระหว่างระดับนั้น

แบบฝึกหัดตัวอย่าง นักดำน้ำอยู่ที่ 10 เมตร ในน้ำ ($\rho = 1000\ \mathrm{kg/m^3}$, $g = 10$ N/kg): ความต่างของความดัน $= 10 \times 1000 \times 10 = 100\,000$ Pa เหนือความดันบรรยากาศ

การเปลี่ยนสถานะ (P)

การให้ความร้อนเพิ่มพลังงานสะสมในระบบ — อาจทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น หรือที่ จุดหลอมเหลว หรือ จุดเดือด พลังงานส่วนเกินจะทำลายพันธะในขณะที่อุณหภูมิ คงที่อนุภาค: ของแข็งสั่นรอบตำแหน่งที่กำหนด; ของเหลวเคลื่อนที่แบบสุ่มแต่สัมผัสกัน; ก๊าซเคลื่อนที่เร็ว, ห่างกันมาก, เป็นเส้นตรงระหว่างการชนกัน ความร้อนจำเพาะ คือพลังงานที่ต้องใช้เพื่อ升高 1 kg โดย 1 °C:

แบบฝึกหัดตัวอย่าง ให้ความร้อน 2 kg ของน้ำ ($c = 4200\ \mathrm{J/(kg\ °C)}$) โดย 30 °C: $\Delta Q = 2 \times 4200 \times 30 = 252\,000$ J

โมเลกุลของก๊าซในอุดมคติ

โมเลกุลของก๊าซเคลื่อนที่ แบบสุ่ม, สร้างแรง — และดังนั้น ความดัน — กับผนังทุกครั้งที่ชน ศูนย์สัมบูรณ์ (−273 °C) คืออุณหภูมิที่พลังงานจลน์ของโมเลกุลมีค่าต่ำสุด: K = °C + 273. อุณหภูมิสูงขึ้น → ความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลเร็วขึ้น, และ อุณหภูมิเคลวินแปรผันตรงกับพลังงานจลน์เฉลี่ย ของโมเลกุล

สำหรับมวลก๊าซคงที่: ที่อุณหภูมิคงที่, ความดัน × ปริมาตร เป็นค่าคงที่ (บีบแล้วโมเลกุลชนผนังบ่อยขึ้น); ที่ปริมาตรคงที่, ความดัน/อุณหภูมิ (K) เป็นค่าคงที่ (โมเลกุลร้อนชนหนักขึ้น):

แบบฝึกหัดตัวอย่าง ก๊าซที่ 100 kPa และ 300 K ถูกให้ความร้อน (ปริมาตรคงที่) เป็น 450 K: $p_2 = 100 \times 450/300 = 150$ kPa. บีบจาก 2 dm³ เป็น 0.5 dm³ ที่อุณหภูมิคงที่: $p_2 = 100 \times 2/0.5 = 400$ kPa

ตรวจสอบความเข้าใจของคุณเอง

1. บล็อกขนาด 240 g มีปริมาตร 40 cm³. คำนวณความหนาแน่นเป็น kg/m³
2. เขียนสมการความดันและหน่วยของมัน
3. คำนวณความดันใต้ส้นรองเท้าสูงขนาด 500 N ที่มีพื้นที่ 0.01 m²
4. (P) อะไรคงที่ในอุณหภูมิของสารขณะมันหลอมเหลว?
5. (P) คำนวณพลังงานเพื่อให้ความร้อน 0.5 kg ของอะลูมิเนียม (c = 900 J/(kg °C)) โดย 40 °C
6. แปลง 27 °C เป็น kelvin, และ 373 K เป็น °C
7. ทำไมก๊าซจึงสร้างความดันกับภาชนะของมัน?
8. ความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น?
9. ก๊าซที่ 120 kPa ใน 3 dm³ ถูกบีบอัดเป็น 1 dm³ ที่อุณหภูมิคงที่. หาความดันใหม่
10. ระบุเงื่อนไขสองอย่างที่ทำให้ความดันของก๊าซเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า

คำตอบ: 1 $m = 0.24$ กก., $V = 4.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{m^3}$; $\rho = 0.24/4.0\times10^{-5} = 6000\ \mathrm{kg/m^3}$; 2 $p = F/A$, ในพาสคาล (N/m²); 3 $p = 500/0.01 = 50\,000$ Pa; 4 (P) อุณหภูมิ — พลังงานใช้สลายพันธะระหว่างโมเลกุล ไม่ใช่ทำให้โมเลกุลเคลื่อนที่เร็วขึ้น; 5 (P) $\Delta Q = 0.5 \times 900 \times 40 = 18\,000$ J; 6 300 K; 100 °C; 7 โมเลกุลชนกับผนัง Each การชนแต่ละครั้ง exerting แรง; แรงรวมต่อหน่วยพื้นที่คือความดัน; 8 มันเพิ่มขึ้น; 9 $p_2 = 120 \times 3/1 = 360$ kPa; 10 การเพิ่มอุณหภูมิ Kelvin เป็นสองเท่าที่ปริมาตรคงที่ หรือลดปริมาตรลงครึ่งหนึ่งที่อุณหภูมิคงที่