Термодинамические параметры Основы физической кинетики Цикл Карно и его КПД Кристаллическое состояние Жидкое состояние Семинарское занятие Лекции и конспекты

Основы термодинамики

Жидкое состояние

Поверхностное натяжение Молекулы жидкости располагаются настолько близко друг к к другу, что силы притяжения между ними имеют значительную величину.

Давление под изогнутой поверхностью жидкости Рассмотрим поверхность жидкости, опирающуюся на некоторый плоский контур (рис. 117.1, а)..

Явления на границе жидкости и твердого тела Все сказанное об особых условиях, в которых находятся молекулы поверхностного слоя, целиком относится также и к твердым телам.

Капиллярные явления Существование краевого угла приводит к тому, что вблизи стенок сосуда наблюдается искривление поверхности жидкости.

Фазовые равновесия и превращения В термодинамике фазой называется совокупность однородных, одинаковых по своим свойствам частей системы.

Под колоколообразной кривой располагается область двухфазных состояний ( жидкость + пар).

Фазовая диаграмма – это график, выражающий кривую Р = Р(Т), на которой две фазы находятся в равновесии.

Уравнение Клайперона-Клаузиуса и фазовая диаграмма для превращения Т«Г. Тройная точка. Диаграмма состояния.

Строение жидкостей

Жидкое состояние, занимая промежуточное положение между газами и кристаллами, сочетает в себе некоторые черты обоих этих состояний. В частности, для жидкостей, как и для кристаллических тел, характерно наличие определенного объема, и вместе с тем жидкость, подобно газу, принимает форму того сосуда, в котором она находится. Далее, для кристаллического состояния характерно упорядоченное расположение частиц (атомов или молекул), в газах в этом смысле царит полный хаос. Согласно рентгенографическим исследованиям, в отношении характера расположения частиц жидкости также занимают промежуточное положение. В расположении частиц жидкости наблюдается так называемый ближ­ний порядок. Это означает, что по отношению к любой частице расположение ближайших к ней соседей является упорядоченным. Однако по мере удаления от данной частицы расположение по отношению к ней других частиц становится все менее упорядочен­ным, и довольно быстро порядок в расположении частиц полностью исчезает. В кристаллах имеет место дальний порядок: упорядоченное расположение частиц по отношению к любой частице наблюдается в пределах значительного объема.

Наличие в жидкостях ближнего порядка служит причиной того, что структуру жидкостей называют квазикристаллической (кристаллоподобной).

Из-за отсутствия дальнего порядка жидкости, за немногими исключениями, не обнаруживают анизотропии, характерной для кристаллов с их правильным расположением частиц. В жидкостях с удлиненными молекулами наблюдается одинаковая ориентация молекул в пределах значительного объема, чем обусловливается анизотропия оптических и некоторых других свойств. Такие жидкости получили название жидких кристаллов. У них упорядочена только ориентация молекул, взаимное же расположение молекул, как и в обычных жидкостях, дальнего порядка не обнаруживает. Кинематика материальной точки. Перемещение материальной точки происходит в пространстве и изменяется со временем. Реальное пространство трехмерно, положение любой момент времени полностью определяется тремя числами — ее координатами выбранной системе отсчета. Число независимых величин, задание которых необходимо для однозначного определения положения тела, называется числом его степеней свободы. В качестве системы координат выберем прямоугольную, или декартову, систему координат. Для описания движения точки, кроме координат, еще иметь устройство, с помощью которого можно измерять различные отрезки времени.

Промежуточным положением жидкостей обусловлено то обстоятельство, что жидкое состояние оказывается особенно сложным по своим свойствам. Поэтому его теория гораздо менее развита, чем теория кристаллического и газообразного состояний. До сих пор нет вполне законченной и общепризнанной теории жидкостей. Зна­чительные заслуги в разработке ряда проблем теории жидкого состояния принадлежат советскому ученому Я. И. Френкелю.

Согласно Френкелю, тепловое движение в жидкостях имеет следующий характер. Каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия. Время от времени молекула меняет место равновесия, скачком перемещаясь в новое положение, отстоящее от предыдущего на расстояние порядка размеров самих молекул. Таким образом, молекулы лишь медленно перемещаются внутри жидкости, пребывая часть времени около определенных мест. По образному выражению Я. И. Френкеля, молекулы странствуют по всему объему жидкости, ведя кочевой образ жизни, при котором кратковременные переезды сменяются относительно длинными периодами оседлой жизни. Длительности этих стоянок весьма различны и беспорядочно чередуются друг с другом, но средняя длительность колебаний около одного и того же положения равновесия оказывается у каждой жидкости определенной величиной, резко убывающей при повышении температуры. В связи с этим при повышении температуры сильно возрастает подвижность молекул, что в свою очередь влечет за собой уменьшение вязкости жидкостей.

Существуют твердые тела, которые во многих отношениях оказываются ближе к жидкостям, чем к кристаллам. Такие тела, называемые аморфными, не обнаруживают анизотропии. В расположении их частиц имеется, как и у жидкостей, только ближний" порядок. Переход от аморфного твердого тела к жидкости при нагревании осуществляется непрерывно, в то время как переход от кристалла к жидкости совершается скачком (подробнее об этом будет сказано в § 125). Все это дает основание рассматривать аморфные твердые тела как переохлажденные жидкости, частицы которых вследствие сильно возросшей вязкости имеют ограниченную подвижность.

Типичным примером аморфного твердого тела служит стекло. К числу аморфных тел относятся также смолы, битумы и т. п.

Теплоемкость твердых тел

 В качестве модели твердого тела рассмотрим правильно построенную кристаллическую решетку, в узлах которой частицы (атомы, ионы, молекулы), принимаемые за материальные точки, колеблются около своих положений равновесия — узлов решетки — в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Таким образом, каждой составляющей кристаллическую решетку частице приписывается три колебательных степени свободы, каждая из которых, согласно закону равнораспределения энергии по степеням свободы, обладает энергией .

 Внутренняя энергия моля твердого тела

,

где  - постоянная Авогадро;  ( - молярная газовая постоянная).

Молярная теплоемкость твердого тела

,

т. е. молярная (атомная) теплоемкость химически простых тел в кристаллическом состоянии одинакова (равна ) и не зависит от температуры. Этот закон носит название закона Дюлонга и Пти.


Задачи по электротехнике, физике