Молекулярна фізика. Теплові явища
Дослідне обгрунтування основних положень МКТ:
Молекулярно-кінетична теорія - вчення про будову і властивості речовини, що використовує уявлення про існування атомів і молекул як найменших частинок хімічної речовини. В основі МКТ лежать три чітко доведених за допомогою дослідів твердження:
Речовина складається з частинок - атомів і молекул, між якими існують проміжки;
Ці частинки знаходяться у хаотичному русі, на швидкість якого впливає температура;
Частинки взаємодіють один з одним.
Те, що речовина дійсно складається з молекул, можна довести, визначивши їх розміри. Крапля олії розпливається по поверхні води, утворюючи шар, товщина якого дорівнює діаметру молекули. Крапля об'ємом 1 мм 3 не може розпливтися більше, ніж на 0,6 м 2:
Існують також інші способи докази існування молекул, але перераховувати їх немає необхідності: сучасні прилади (електронний мікроскоп, іонний проектор) дозволяють бачити окремі атоми і молекули.
Сили взаємодії молекул. а) взаємодія має електромагнітний характер; б) сили короткодіючі, виявляються на відстанях, порівнянних з розмірами молекул, в) існує така відстань, коли сили тяжіння і відштовхування рівні (R 0), якщо R> R 0, тоді переважають сили притягання, якщо R <R 0 - сили відштовхування.
Дія сил молекулярного тяжіння виявляється в досвіді зі свинцевими циліндрами, злипаються після очищення їх поверхонь.
Молекули і атоми в твердому тілі здійснюють безладні коливання щодо положень, в яких сили тяжіння і відштовхування з боку сусідніх атомів врівноважені. У рідині молекули не тільки коливаються біля положення рівноваги, а й здійснюють перескоки з одного положення рівноваги в сусіднє, ці переходи молекул є причиною плинності рідини, її здатності приймати форму судини. У газах звичайно відстані між атомами і молекулами в середньому значно більше розмірів молекул; сили відштовхування на великих відстанях не діють, тому гази легко стискуються; практично відсутні між молекулами газу і сили тяжіння, тому гази мають властивість необмежено розширюватися.
Маса і розмір молекул. Постійна Авогадро:
Будь-яка речовина складається з частинок, тому кількість речовини прийнято вважати пропорційним числу частинок. Одиницею кількості речовини є моль. Моль дорівнює кількості речовини системи, що містить стільки ж частинок, скільки міститься атомів у 0,012 кг вуглецю.
Відношення числа молекул до кількості речовини називається постійної Авогадро:
Постійна Авогадро дорівнює . Вона показує, скільки атомів або молекул міститься в одному молі речовини.
Кількість речовини можна знайти як відношення числа атомів або молекул речовини до постійної Авогадро:
Молярною масою називається величина, що дорівнює відношенню маси речовини до кількості речовини:
Молярну масу можна виразити через масу молекули:
Для визначення маси молекул потрібно розділити масу речовини на число молекул в ньому:
Броунівський рух:
Броунівський рух - тепловий рух зважених в газі або рідини частинок. Англійський ботанік Роберт Броун (1773 - 1858) у 1827 році виявив безладний рух видимих у мікроскоп твердих частинок, що знаходяться в рідині. Це явище було названо броунівським рухом. Цей рух не припиняється; зі збільшенням температури його інтенсивність зростає. Броунівський рух - результат флуктуації тиску (помітного відхилення від середньої величини).
Причина броунівського руху частки полягає в тому, що удари молекул рідини об частку не компенсують один одного.
Ідеальний газ:
У розрідженого газу відстань між молекулами у багато разів перевищує їх розміри. У цьому випадку взаємодія між молекулами дуже малий і кінетична енергія молекул багато більше потенційної енергії їхньої взаємодії.
Для пояснення властивостей речовини в газоподібному стані замість реального газу використовується його фізична модель - ідеальний газ. У моделі передбачається:
відстань між молекулами трохи більше їх діаметра;
молекули - пружні кульки;
між молекулами не діють сили тяжіння;
при зіткненні молекул один з одним і зі стінками посудини діють сили відштовхують;
руху молекул підкоряється законам механіки.
Основне рівняння МКТ ідеального газу:
Основне рівняння МКТ дозволяє обчислити тиск газу, якщо відомі маса молекули, середнє значення квадрата швидкості і концентрація молекул.
Тиск ідеального газу полягає в тому, що молекули при зіткненнях зі стінками посудини взаємодіють з ними за законами механіки як пружні тіла. При зіткненні молекули зі стінкою судини проекція швидкості v x вектора швидкості на вісь OX, перпендикулярну стінці, змінює свій знак на протилежний, але залишається постійною за модулем. Тому в результаті зіткнень молекули зі стінкою проекція її імпульсу на вісь OX змінюється від mv 1x =- mv x до mv 2x = mv x. Зміна імпульсу молекули при зіткненні зі стінкою викликає сила F 1, що діє на неї з боку стінки. Зміна імпульсу молекули одно імпульсу цієї сили:
Під час зіткнення, відповідно до третього закону Ньютона, молекула діє на стінку з силою F 2, що дорівнює по модулю силі F 1 і спрямованої протилежно.
Молекул багато, і кожна передає стінці при зіткненні такий же імпульс. За секунду вони передають імпульс , Де z - число зіткнень всіх молекул зі стінкою, яка пропорційна концентрації молекул у газі, швидкості молекул і площі поверхні стінки:
. До стінки рухається тільки половина молекул, інші рухаються у зворотний бік:
. Тоді повний імпульс, переданий стінці за 1 секунду:
. Згідно з другим законом Ньютона зміна імпульсу тіла за одиницю часу дорівнює діючій на нього силі:
Враховуючи, що не всі молекули мають однакову швидкість, сила, що діє на стінку буде пропорційна середньому квадрату швидкості. Так як молекули рухаються у всіх напрямках, середні значення квадратів проекцій швидкості рівні. Отже, середній квадрат проекції швидкості: ;
. Тоді тиск газу на стінку посудини одно:
- Основне рівняння МКТ.
Позначивши середнє значення кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу:
, Отримаємо
Температура та її вимірювання:
Основне рівняння МКТ для ідеального газу встановлює зв'язок легко вимірюваного макроскопічного параметра - тиску - з такими мікроскопічними параметрами газу, як середня кінетична енергія і концентрація молекул. Але, вимірявши тільки тиск, ми не можемо довідатися ні середнє значення кінетичної енергії молекул в окремо, ні їх концентрацію. Отже, для знаходження мікроскопічних параметрів газу потрібні вимірювання ще якийсь фізичної величини, пов'язаної з середньою кінетичної енергією молекул. Такий величиною є температура.
Будь-яке макроскопічне тіло чи група макроскопічних тіл при незмінних зовнішніх умовах мимоволі переходить в стан теплової рівноваги. Теплове рівновага - це такий стан, при якому всі макроскопічні параметри як завгодно довго залишаються незмінними.
Температура характеризує стан теплової рівноваги системи тел: всі тіла системи, що знаходяться один з одним у тепловій рівновазі, мають одну і ту ж температуру.
Для вимірювання температури можна скористатися зміною будь макроскопічної величини залежно від температури: обсягу, тиску, електричного опору і т.д.
Найчастіше на практиці використовують залежність об'єму рідини (ртуті або спирту) від температури. При градуюванні термометра звичайно за початок відліку (0) приймають температуру танучого льоду, другий постійної точкою (100) вважають температуру кипіння води при нормальному атмосферному тиску (шкала Цельсія). Так як різні рідини розширюються при нагріванні неоднаково, то встановлена таким чином шкала буде до деякої міри залежати від властивостей даної рідини. Звичайно, 0 і 100 С будуть співпадати у всіх термометрів, але 50 С збігатися не будуть.
На відміну від рідин всі розріджені гази розширюються при нагріванні однаково і однаково змінюють свій тиск при зміні температури. Тому у фізиці для встановлення раціональної температурної шкали використовують зміна тиску певної кількості розрідженого газу при постійному обсязі або зміна обсягу газу при постійному тиску. Таку шкалу іноді називають ідеальною газової шкалою температур.
При тепловій рівновазі середня кінетична енергія поступального руху молекул всіх газів однакова. Тиск прямо пропорційно середньої кінетичної енергії поступального руху молекул: . При тепловій рівновазі, якщо тиск газу даної маси і його обсяг фіксовані, середня кінетична енергія молекул газу повинна мати строго певне значення, як і температура.Т. к.
, То
, Або
. Позначимо
. Величина
зростає з підвищенням температури і ні від чого, окрім температури не залежить. Отже, її можна вважати природною мірою температури.
Абсолютна температурна шкала:
Будемо вважати величину , Вимірювану в енергетичних одиницях, прямо пропорційною температурі
, Яка виражається в градусах:
, Де
- Коефіцієнт пропорційності. Коефіцієнт
, На честь австрійського фізика Л. Больцмана називається постійної Больцмана.
Отже, . Температура, обумовлена цією формулою, не може бути негативною. Отже, найменшим можливим значенням температури є 0, якщо тиск або обсяг дорівнюють нулю.
Граничну температуру, при якій тиск ідеального газу звертається в нуль при фіксованому обсязі або об'єм ідеального газу прагне до нуля при незмінному тиску, називають абсолютним нулем температури.
Англійський учений У. Кельвін ввів абсолютну шкалу температур. Нульова температура за шкалою Кельвіна відповідає абсолютного нуля, а кожна одиниця температури за цією шкалою дорівнює градусу за шкалою Цельсія. Одиниця абсолютної температури в СІ називається Кельвіном: . Отже, абсолютна температура є міра середньої кінетичної енергії руху молекул.
Швидкість молекул газу:
Знаючи абсолютну температуру, можна знайти середню кінетичну енергію молекул газу, а, отже, і середній квадрат їх швидкості.
Квадратний корінь з цієї величини називається середньої квадратичної швидкістю:
Досліди з визначення швидкостей молекул довели справедливість цієї формули. Одні з дослідів був запропонований О. Штерном у 1920 році.
Рівняння стану ідеального газу (рівняння Менделєєва - Клапейрона). Універсальна газова стала:
На основі залежності тиску газу від концентрації його молекул і температури можна отримати рівняння, що зв'язує всі три макроскопічних параметри: тиск, об'єм і температуру - характеризують стан даної маси досить розрідженого газу. Це рівняння називають рівнянням стану ідеального газу.
, Де
- Універсальна газова постійна
для даної маси газу, отже
- Рівняння Клапейрона.
Ізотермічний, ізохорний та ізобарний процеси:
Кількісні залежності між двома параметрами газу при фіксованому значенні третього параметра називають газовими законами. А процеси, що протікають при незмінному значенні одного з параметрів, - ізопроцессамі.
Ізотермічний процес - процес зміни стану термодинамічної системи макроскопічних тіл при постійній температурі.
при
Для газу даної маси добуток тиску газу на його обсяг постійно, якщо температура газу не змінюється. - Закон Бойля - Маріотта.
Ізохоричний процес - процес зміни стану термодинамічної системи макроскопічних тіл при постійному обсязі.
при
Для газу даної маси ставлення тиску до температури постійно, якщо обсяг газу не змінюється. - Закон Шарля.
Ізобаричний процес - процес зміни стану термодинамічної системи макроскопічних тіл при постійному тиску.
при
Для газу даної маси відношення обсягу до температури постійно, якщо тиск газу не змінюється. - Закон Гей-Люссака.
Внутрішня енергія:
Внутрішня енергія макроскопічного тіла дорівнює сумі кінетичних енергій безладного руху всіх молекул (або атомів) щодо центрів мас тіла і потенціальних енергій взаємодії всіх молекул один з одним (але не з молекулами інших тіл).
За будь-яких процесах в ізольованій термодинамічній системі внутрішня енергія залишається незмінною.
Внутрішня енергія ідеального газу.
Для обчислення внутрішньої енергії ідеального одноатомного газу масою потрібно помножити середню кінетичну енергію одного атома
на число атомів
. Враховуючи, що
, Отримаємо значення внутрішньої енергії ідеального газу:
Якщо ідеальний газ складається з більш складних молекул, ніж одноатомний, то його внутрішня енергія дорівнює сумі поступального і обертального руху молекул.
Для двоатомних газу:
Для багатоатомного газу:
У реальних газів, рідин і твердих тіл середня потенційна енергія взаємодії молекул не дорівнює нулю. Для газів вона багато менше середньої кінетичної енергії молекул, але для твердих тіл і рідин вона порівнянна з нею. Середня потенційна енергія взаємодії молекул залежить від об'єму речовини, тому що при зміні обсягу змінюється середня відстань між молекулами. Отже, внутрішня енергія в термодинаміці в загальному випадку поряд з температурою залежить і від об'єму.
Кількість теплоти:
Процес передачі енергії від одного тіла до іншого без здійснення роботи називається теплообміном або теплопередачею. Теплообмін відбувається між тілами, що мають різну температуру. При встановленні контакту між тілами з різними температурами відбувається передача частини внутрішньої енергії від тіла з вищою температурою до тіла, у якого температура нижче. Енергія, передана тілу в результаті теплообміну, називається кількістю теплоти.
Питома теплоємність речовини:
Якщо процес теплопередачі не супроводжується роботою, то на підставі першого закону термодинаміки кількість теплоти дорівнює зміні внутрішньої енергії тіла: .
Середня енергія безладного поступального руху молекул пропорційна абсолютній температурі. Зміна внутрішньої енергії тіла одно алгебраїчній сумі змін енергії всіх атомів або молекул, число яких пропорційно масі тіла, тому зміна внутрішньої енергії і, отже, кількість теплоти пропорційно масі і зміни температури:
Коефіцієнт пропорційності в цьому рівнянні називається питомою теплоємністю речовини. Питома теплоємність показує, яка кількість теплоти необхідно для нагрівання 1 кг речовини на 1 К.
Робота в термодинаміці:
У механіці робота визначається як добуток модулів сили і переміщення і косинуса кута між ними. Робота відбувається при дії сили на тіло, що рухається і дорівнює зміні його кінетичної енергії.
У термодинаміці рух тіла як цілого не розглядається, мова йде про переміщення частин макроскопічного тіла відносно один одного. У результаті змінюється об'єм тіла, а його швидкість залишається рівною нулю. Робота в термодинаміці визначається так само, як і в механіці, але дорівнює зміні не кінетичної енергії тіла, а його внутрішньої енергії.
При здійсненні роботи (стиску або розширенні) змінюється внутрішня енергія газу. Причина цього полягає в наступному: при пружних зіткненнях молекул газу з рухомим поршнем змінюється їх кінетична енергія. Обчислимо роботу газу при розширенні. Газ діє на поршень з силою , Де
- Тиск газу, а
- Площа поверхні
поршня. При розширенні газу поршень зміщується в напрямку сили
на малу відстань
. Якщо відстань мало, то тиск газу можна вважати постійним. Робота газу дорівнює:
,
де - Зміна обсягу газу.
У процесі розширення газу здійснює позитивну роботу, так як напрям сили і переміщення збігаються. У процесі розширення газ віддає енергію оточуючим тілам.
Робота, що здійснюються зовнішніми тілами над газом, відрізняється від роботи газу тільки знаком , Так як сила
, Діюча на газ, протилежна силі
, З якою газ діє на поршень, і дорівнює їй за модулем (третій закон Ньютона); а переміщення залишається тим же самим. Тому робота зовнішніх сил дорівнює:
.
Перший закон термодинаміки:
Перший закон термодинаміки є законом збереження енергії, поширеним на теплові явища. Закон збереження енергії: енергія в природі не виникає з нічого і не зникає: кількість енергії незмінно, вона тільки переходить з однієї форми в іншу.
У термодинаміці розглядаються тіла, положення центру ваги яких практично не змінюється. Механічна енергія таких тіл залишається постійною, а змінюватися може лише внутрішня енергія. Внутрішня енергія може змінюватися двома способами: теплопередачею та вчиненням роботи. У загальному випадку внутрішня енергія змінюється як за рахунок теплопередачі, так і за рахунок здійснення роботи. Перший закон термодинаміки формулюється саме для таких загальних випадків:
Зміна внутрішньої енергії системи при переході її з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил і кількості теплоти, переданого системі:
Якщо система ізольована, то над нею не відбувається робота і вона не обмінюється теплотою з навколишніми тілами. Відповідно до першого закону термодинаміки внутрішня енергія ізольованої системи залишається незмінною.
Враховуючи, що , Перший закон термодинаміки можна записати так:
Кількість теплоти, передане системі, йде на зміну її внутрішньої енергії і на вчинення системою роботи над зовнішніми тілами.
Другий закон термодинаміки: неможливо перевести теплоту від більш холодної системи до більш гарячою при відсутності інших одночасних змін в обох системах або в навколишніх тілах.
Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцессам:
При ізохоричному процесі обсяг газу не міняється і тому робота газу дорівнює нулю. Зміна внутрішньої енергії дорівнює кількості переданої теплоти:
При ізотермічному процесі внутрішня енергія ідеального газу не міняється. Всі передане газу кількість теплоти йде на здійснення роботи:
При Ізобаричний процесі передане газу кількість теплоти йде на зміну його внутрішньої енергії і на здійснення роботи при постійному тиску.
Адіабатний процес:
Адіабатний процес - процес в теплоізольованій системі. Отже, зміна внутрішньої енергії при адіабатно процесі відбувається тільки за рахунок здійсненні роботи:
Так як робота зовнішніх сил при стисканні позитивна, внутрішня енергія газу при адіабатно стиску збільшується, а його температура підвищується.
При адіабатно розширенні газ здійснює роботу за рахунок зменшення своєї внутрішньої енергії, тому температура газу при адіабатно розширенні знижується.
Принцип дії теплових двигунів:
Тепловим двигуном називається двигун, який виробляє механічну роботу за рахунок енергії, що виділилася при згоранні палива. Деякі види теплових двигунів:
парова машина;
парова турбіна;
Фізичні основи роботи всіх теплових двигунів однакові. Тепловий двигун складається з трьох основних частин: нагрівача, робочого тіла, холодильника.
Процес роботи теплового двигуна: Робоче тіло приводять у контакт з нагрівачем ( - Висока), тому робоче тіло отримує від нагрівача
. За рахунок цієї кількості теплоти робоче тіло здійснює механічну роботу. Потім робоче тіло приводять у контакт з холодильником (
- Низька), тому робоче тіло віддає тепло холодильника. Таким чином повертається в початковий стан. Тепер робоче тіло приводять у контакт з нагрівачем і все відбувається спочатку. Отже, теплова машина - періодичної дії, тобто в цій машині тіло здійснює замкнутий процес - цикл. За кожний цикл робоче тіло здійснює роботу
.
або
ККД прийнято виражати у відсотках:
ККД теплового двигуна і його максимальне значення:
На початку XIX століття французький інженер Саді Карно досліджував шляхи підвищення ККД теплових двигунів. Він придумав цикл, який повинен здійснювати ідеальний газ в деякій тепловій машині, такий, що при цьому виходить максимально можливий ККД. Цикл Карно складається з двох ізотерм і двох адіабати.
Ідеальний газ приводять у контакт з нагрівачем і надають йому можливість розширюватися ізотермічні, тобто при температурі нагрівача. Коли розширився газ перейде в стан 2, його теплоизолируют від нагрівача і дають йому можливість розширюватися адіабатично, тобто газ здійснює роботу за рахунок убутку його внутрішньої енергії. Зростаючи адіабатично газ охолоджується до тих пір, поки його температура не буде дорівнює температурі холодильника (стан 3). Тепер газ приводять у контакт з холодильником стискають ізотермічні. Газ віддає холодильника . Газ переходить в стан 4. Потім газ теплоизолируют від холодильника і стискають адіабатично. При цьому температура газу збільшується і досягає температури нагрівача. Процес повторюється спочатку.
(*)
- Формула для розрахунку ККД ідеальної теплової машини, що працює за циклом Карно з ідеальним газом.
Карно показав, що ККД будь-якої іншої теплової машини (тобто з іншим робочим тілом або працює по іншому циклу) буде менше, ніж ККД циклу Карно. На практиці не використовують машини, що працюють за циклом Карно, але формула (*) дозволяє визначити максимальний ККД при заданих температурах нагрівача і холодильника.
Очевидно, що для збільшення ККД потрібно знижувати температуру холодильника і підвищувати температуру нагрівача. Знижувати температуру холодильника штучно невигідно, тому що це вимагає додаткових витрат енергії. Підвищувати температуру нагрівача можна теж до певної межі, оскільки різні матеріали володіють різною жароміцністю при високих температурах. Однак формула Карно показала, що існують невикористані резерви підвищення ККД, оскільки практичного ККД дуже сильно відрізняється від ККД циклу Карно.
Теплові двигуни і охорона природи
Випаровування і конденсація, насичені і ненасичені пари:
Нерівномірний розподіл кінетичної енергії теплового руху молекул призводить до того, що при будь-якій температурі кінетична енергія деяких молекул рідини або твердого тіла може перевищувати потенційну енергію їх зв'язку з іншими молекулами. Випаровування - процес, при якому з поверхні рідини або твердого тіла вилітають молекули, кінетична енергія яких перевищує потенційну енергію взаємодії молекул. Випаровування супроводжується охолодженням рідини, тому що рідина залишають молекули, що мають велику кінетичну енергію, і внутрішня енергія рідини знижується. Вилетіли молекули починають безладно рухатися в тепловому русі газу; вони можуть або назавжди піти від поверхні рідини, або знову повернутися в рідину. Такий процес називається конденсацією.
Випаровування рідини в закритому посуді при незмінній температурі призводить до поступового збільшення концентрації молекул випаровується речовини в газоподібному стані. Через деякий час після початку процесу випаровування концентрація речовини в газоподібному стані сягає такого значення, при якому число молекул, які повертаються в рідину в одиницю часу, стає рівним числу молекул, що залишають поверхню рідини за той же час. Встановлюється динамічна рівновага між процесами випаровування та конденсації речовини.
Речовина в газоподібному стані, що знаходиться у динамічній рівновазі з рідиною, називається насиченою парою. Пара, що знаходиться при тиску нижче тиску насиченого пара називається ненасиченим.
При стисненні насиченої пари концентрація молекул пари збільшується, рівновагу між процесами випаровування та конденсації порушується і частина пара перетворюється в рідину. При розширенні насиченої пари концентрація його молекул зменшується і частина рідини перетворюється на пару. Таким чином, концентрація насиченого пара залишається сталою незалежно від обсягу. Так як тиск газу пропорційно концентрації та температурі ( ), Тиск насиченої пари при постійній температурі не залежить від обсягу.
Інтенсивність процесу випаровування збільшується зі зростанням температури рідини. Тому динамічна рівновага між випаровуванням та конденсацією при підвищенні температури встановлюється при великих концентраціях молекул газу.
Тиск ідеального газу при постійній концентрації молекул зростає прямо пропорційно абсолютній температурі. Так як в насиченій парі при зростанні температури концентрація молекул збільшується, тиск насиченої пари з підвищенням температури зростає швидше, ніж тиск ідеального газу з постійною концентрацією молекул. Тобто тиск насиченої пари зростає не тільки внаслідок підвищення температури рідини, але і внаслідок збільшення концентрації молекул пари.
Головна різниця в поведінці ідеального газу і насиченого пара полягає в тому, що при зміні температури пари в закритій посудині (або при зміні обсягу при постійній температурі) змінюється маса пари.
Залежність температури кипіння рідини від тиску:
При збільшенні температури інтенсивність випаровування рідини збільшується, і при деякій температурі рідина починає кипіти. При кипінні по всьому об'єму рідини утворюються швидко зростаючі бульбашки пари, які спливають на поверхню. Температура кипіння рідини залишається постійною.
У рідині завжди присутні розчинені гази, які виділяються на дні і стінках посудини. Пари рідини, що знаходяться всередині бульбашок, є насиченими. Зі збільшенням температури тиск насичених парів зростає і бульбашки збільшуються в розмірах. Під дією виштовхувальної сили вони спливають на поверхню.
Залежність тиску насиченої пари від температури пояснює, чому температура кипіння рідини залежить від тиску на її поверхню. Бульбашка пара може рости, коли тиск насиченої пари всередині його трохи перевершує тиск в рідині, яке складається з тиску повітря на поверхню рідини (зовнішній тиск) і гідростатичного тиску стовпа рідини.
Кипіння починається при температурі, при якій тиск насиченої пари в бульбашках зрівнюється з тиском у рідині. Чим більше зовнішній тиск, тим вище температура кипіння.
У кожної рідини своя температура кипіння, що залежить від тиску насиченої пари. Чим вище тиск насиченої пари, тим нижче температура кипіння відповідної рідини, тому що при менших температурах тиск насиченої пари стає рівним атмосферному.
При збільшенні температури рідини збільшується тиск насиченої пари і одночасно зростає його щільність. Щільність рідини, що знаходиться в рівновазі зі своєю парою, навпаки, зменшується внаслідок розширення рідини при нагріванні.
Якщо на одному малюнку накреслити криві залежності щільності рідини і щільності її насиченої пари від температури, то для рідини крива піде вниз, а для пари - вгору.
При деякій температурі обидві криві зливаються, тобто щільність рідини стає рівною щільності пара.
Критична температура - температура, при якій зникають відмінності у фізичних властивостях між рідиною та її насиченою парою.
При температурах, великих критичною, речовина не перетворюється в рідину ні за яких тисках.
Вологість повітря:
Атмосферне повітря являє собою суміш різних газів і водяної пари. Кожен з газів вносить свій внесок в сумарне тиск, вироблене повітрям на перебувають у ньому тіла.
Тиск, який виробляв би водяний пар, якщо б всі інші гази були відсутні, називають парціальним тиском водяної пари.
_Относітельной Вологістю повітря називають відношення парціального тиску
водяної пари, що міститься в повітрі при даній температурі, до тиску
насиченої пари при тій же температурі, виражене у відсотках:
Так як тиск насиченої пари тим менше, чим менше температура, то при охолодженні повітря знаходиться в ньому водяна пара при деякій температурі стає насиченим. Температура , При якій знаходиться в повітрі водяна пара стає насиченим, називається точкою роси.
За точкою роси можна знайти тиск водяної пари в повітрі. Вона дорівнює тиску насиченої пари при температурі, рівній точці роси. За значеннями тиску пари в повітрі і тиску насиченої пари при даній температурі можна визначити відносну вологість повітря.
Кристалічні і аморфні тіла:
Аморфними називаються тіла, фізичні властивості яких однакові в усіх напрямках. Аморфні тіла є ізотропними - у них немає строгого порядку у розташуванні атомів. Прикладами аморфних тіл можуть служити шматки затверділої смоли, янтар, скло.
Тверді тіла, в яких атоми чи молекули розташовані впорядковано і утворюють періодично повторювану внутрішню структуру, називають кристалами. Фізичні властивості кристалічних тіл неоднакові в різних напрямках, але збігаються в паралельних напрямах. Це властивість кристалів називається анизотропность.
Анізотропія механічних, теплових, електричних та оптичних властивостей кристалів пояснюється тим, що при впорядкованому розташуванні атомів, молекул або іонів сили взаємодії між ними і міжатомні відстані виявляються неоднаковими по різних напрямах.
Кристалічні тіла діляться на монокристали і полікристали. Монокристали іноді мають геометрично правильної формою, але головна ознака монокристалу - періодично повторюється внутрішня структура в усьому його обсязі. Полікристалічні тіло являє собою сукупність зрощених один з одним хаотично орієнтованих маленьких кристалів - кристалітів. Кожен маленький монокристал полікристалічного тіла анізотропії, але полікристалічні тіло изотропно.
Механічні властивості твердих тіл:
Розглянемо механічні властивості твердого тіла на прикладі деформації розтягування. У будь-якому перетині деформованого тіла діють сили пружності, що перешкоджають розриву цього тіла на частини. Механічним напругою називають відношення модуля сили пружності до площі поперечного перерізу тіла:
При малих деформаціях напруга прямо пропорційно відносному подовженню
(Ділянка ОА). Ця залежність називається законом Гука:
, Де
- Модуль Юнга.
, Позначимо
, Тоді
Закон Гука виконується тільки при невеликих деформаціях, а отже, при напругах, що не перевищують певної межі. Максимальна напруга , При якому ще виконується закон Гука називають межею пропорційності.
Якщо збільшувати навантаження, то деформація стає нелінійною, напруга перестає бути прямо пропорційно відносному подовженню. Проте при невеликих нелінійних деформаціях після зняття навантаження форма і розміри тіла практично відновлюються (ділянка АВ). Максимальна напруга, при якому ще не виникають помітні залишкові деформації (відносна залишкова деформація не перевищує 0,1%), називають межею пружності .
Якщо зовнішнє навантаження така, що напруга в матеріалі перевищує межу пружності, то після зняття навантаження тіло залишається деформованим. При деякому значенні напруги, відповідному на діаграмі точці С, подовження наростає практично без збільшення навантаження. Це явище називається плинністю матеріалу (ділянка CD).
Далі зі збільшенням деформації крива напруг починає трохи зростати і досягає максимуму в точці Е. Потім напруга різко спадає і тіло руйнується. Розрив відбувається після того, як напруга досягає максимального значення , Званого межею міцності.
Пружні деформації:
При пружних деформаціях розміри і форма тіла відновлюються при знятті навантаження.