Лекции по "Физике"

(индекс m для простоты опускаем)

Т.к. в критической  точке все три корня совпадают  и равны V_K, то уравнение можно привести к виду:

Т.к. уравнения (2) и (3) тождественны, следовательно в них равны  коэффициенты при неизвестных соответствующих  степеней, т.е.

Решая их, получим коэффициенты:

Проведем через крайние  точки горизонтальных участков семейство изотерм – кривую AKM.

Эта кривая и критическая  изотерма делят диаграмму PV под изотермой на области: Ж – область жидкого состояния, Ж + П – область двух фазных состояний (жидкость и насыщенный пар), П – область пара, Г – область газа.

Пар отличается от остальных газообразных состояний тем, что при изотермическом сжатии претерпевает процесс сжижения. Газ при температуре выше критической  не может быть превращен в жидкость ни при каком давлении.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВНУТРЕННЯЯ  ЭНЕРГИЯ РЕАЛЬНОГО ГАЗА.

Внутренняя энергия  реального газа складывается из кинетической энергии теплового движения его  молекул, которая определяет внутреннюю энергию идеального газа и потенциальную  энергию межмолекулярного взаимодействия. Потенциальная энергия реального газа обусловлена только силами притяжения между молекулами. Наличие сил притяжения приводит к возникновению внутреннего давления на газ

Работа, которая затрачивается  на преодоление сил притяжения, действующих между молекулами газа, идет на увеличение потенциальной энергии системы.

где постоянная интегрирования принята равной нулю. Знак «–» означает, что молекулярные силы, создающие  внутреннее давление P¢, являются силами притяжения. Учитывая оба слагаемых, получим, что внутренняя энергия моля реального газа

растет с повышением температуры и увеличением объема. Если газ расширяется без теплообмена  с окружающей средой, т.е. dQ = 0, и не совершает внешней работы, т.е. dA = 0, то на основании первого начала термодинамики получим, что

U₁ = U₂               (2).

Следовательно, при адиабатическом расширении без совершения внешней  работы внутренняя энергия газа не изменяется. Равенство (2) формально  справедливо как для идеального, так и для реального газа, но физический смысл для обоих случаев совершенно различен.

Для идеального газа равенство (2) означает равенство температур, т.е. T₁ = T₂, и при адиабатическом расширении идеального газа в вакуум его температура не изменяется.

Для реального газа из равенства (2) для моля газа

Т.к. V₂ > V₁, то T₁ > T₂, т.е. газ при адиабатическом расширении в вакуум охлаждается и наоборот, при адиабатическом сжатии в вакуум реальный газ нагревается.

ИСПАРЕНИЕБ СУГЛЕМАЦИЯБ ПЛАВЛЕНИЕ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ. АМОРФНЫЕ ТЕЛА.

Как в жидкостях, так  и в твердых телах всегда имеется  некоторое число молекул, энергии  которых достаточно для преодоления  притяжения к другим молекулам, и  которые способны оторваться от поверхности  жидкости или твердого тела и перейти в окружающее их пространство. Этот процесс для жидкости называется испарением, или парообразованием, для твердых тел – суглемацией, или возгонкой.

Испарение жидкостей  идет при любой температуре, но его  интенсивность с повышением температуры возрастает. Если число молекул, покидающих жидкость за единицу времени через единицу поверхности равно числу молекул, переходящих из пара в жидкость, то наступает динамическое равновесие между процессами испарения и конденсацией. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.

Для большинства твердых  тел процесс суглемации при обычных  температурах не значителен, а давление пара над поверхностью твердого тела мало (оно повышается при повышении  температуры). Интенсивно суглемируют такие вещества как амфора, нафталин, и обнаруживаются по резкому, свойственному им, запаху. Особенно интенсивно суглемация происходит в вакууме, этим пользуются для изготовления зеркал. Самый известный пример суглемации – это превращение льда в пар (мокрое белье высыхает на морозе).

Если твердое тело нагревать, то его внутренняя энергия, которая складывается из энергии  колебания частиц в узлах решетки, и энергия их взаимодействия возрастают и при повышении температуры  амплитуда колебания частиц увеличивается до тех пор, пока кристаллическая решетка не разрушится, т.е. твердое тело плавится.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По мере сообщения твердому телу количества теплоты, его температура  повышается до температуры плавления. При температуре плавления начинается переход из твердого состояния в жидкое. Нагревание тела до температуры плавления еще не переводит его в жидкое состояние, поскольку энергия частиц должна быть достаточна для того, чтобы разрушить кристаллическую решетку. В процессе плавления теплота, сообщенная веществу, идет на совершение работы по разрушению кристаллической решетки и поэтому температура плавления постоянна до расплавления всего кристалла. Затем подводимая теплота идет на увеличение энергии частиц жидкости и ее температура начнет повышаться. Количество теплоты, которое енобходимо для плавления 1 кг вещества, называется удельной теплотой плавления. Если жидкость охлаждать, то процесс происходит в обратном направлении.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сначала температура  жидкости понижается, затем при постоянной температуре, раной температуре плавления, начинается кристаллизация. После ее завершения температура кристалла начнет понижаться. Для кристаллизации вещества необходимо наличие так называемых центров кристаллизации, которыми могут быть не только кристаллики образующегося вещества, но также примеси: пыль, сажа и т.д. Отсутствие центров кристаллизации в чистой жидкости затрудняет образование микроскопических кристалликов и вещество, оставаясь в жидком состоянии, охлаждается до температуры меньшей температуры кристаллизации, оставаясь в жидком состоянии, при этом образуется переохлажденная жидкость (на рисунке ей соответствует штриховая кривая). При сильном переохлаждении начинается спонтанное образование центров кристаллизации и вещество быстро кристаллизуется. Из-за большой вязкости, сильно переохлажденные жидкости теряют текучесть, сохраняя, как и твердые тела, свою форму. Эти тела получили название аморфных твердых тел. К ним относится воск, сургуч, смолы и т.д.

Аморфные тела, являясь  переохлажденными жидкостями, изотропны, т.е. их свойства во всех направлениях одинаковы. Для них, как и для жидкостей, характерен ближний порядок расположения частиц. В них, в отличие от жидкостей, подвижность частиц довольно мала. Особенностью аморфных тел является отсутствие у них определенной точки плавления, т.е. невозможно указать определенную температуру, выше которой можно было бы констатировать жидкое состояние, а ниже – твердое. Из опыта известно, что в аморфных телах со временем может наблюдаться процесс кристаллизации. Например, в стекле появляются кристаллики, оно, теряя прозрачность, начинает мутнеть и превращается в поликристаллическое тело.

В последнее время  широкое распространение получили полимеры – это органические аморфные тела, молекулы которых состоят из большого числа одинаково длинных молекулярных цепочек, соединенных химическими связями. К полимерам относятся естественные (крахмал, белок, каучук, клетчатка и т.д.) и искусственные (пластмасса, резина, полистирол, лавсан, капрон и т.д.). Полимерам присуще прочность и эластичность. Некоторые из них выдерживают растяжение в 5-10 раз превышающие их первоначальную длину. Это объясняется тем, что длинные молекулярные цепочки могут при деформации либо сворачиваться в плотные клубки, либо вытягиваться в прямые линии. Эластичность полимеров проявляется только в определенном интервале температур, ниже которого они становятся твердыми и хрупкими, а выше – пластичными. Самым распространенным полимером является заменитель кожи.