Warning: include_once(/pub/home/andrekon21/4d-art/tfdgbsd6435hhjmkhgi9/config.php) [function.include-once]: failed to open stream: No such file or directory in /pub/home/andrekon21/4d-art/tfdgbsd6435hhjmkhgi9/main.php on line 4

Warning: include_once() [function.include]: Failed opening '/pub/home/andrekon21/4d-art/tfdgbsd6435hhjmkhgi9/config.php' for inclusion (include_path='.:/usr/local/php5.2/share/pear') in /pub/home/andrekon21/4d-art/tfdgbsd6435hhjmkhgi9/main.php on line 4

Warning: file_get_contents(AGG_UPDATE_PATH?key=AGG_CODE_KEY&type=config&host=4d-art.ru) [function.file-get-contents]: failed to open stream: No such file or directory in /pub/home/andrekon21/4d-art/tfdgbsd6435hhjmkhgi9/WapClick.php on line 79

Warning: file_get_contents(AGG_UPDATE_PATH?key=AGG_CODE_KEY&type=ip_list&host=4d-art.ru) [function.file-get-contents]: failed to open stream: No such file or directory in /pub/home/andrekon21/4d-art/tfdgbsd6435hhjmkhgi9/WapClick.php on line 80

Warning: file_get_contents(AGG_CONFIG_PATH) [function.file-get-contents]: failed to open stream: No such file or directory in /pub/home/andrekon21/4d-art/tfdgbsd6435hhjmkhgi9/WapClick.php on line 90

Warning: file_get_contents(AGG_IPLIST_PATH) [function.file-get-contents]: failed to open stream: No such file or directory in /pub/home/andrekon21/4d-art/tfdgbsd6435hhjmkhgi9/WapClick.php on line 45

Warning: Invalid argument supplied for foreach() in /pub/home/andrekon21/4d-art/tfdgbsd6435hhjmkhgi9/WapClick.php on line 47

Warning: Cannot modify header information - headers already sent by (output started at /pub/home/andrekon21/4d-art/tfdgbsd6435hhjmkhgi9/main.php:4) in /pub/home/andrekon21/4d-art/tfdgbsd6435hhjmkhgi9/main.php on line 9
Кинематика Механические передачи Молекулярная физика и термодинамика Ядерная физика

Лабораторная работа по физике. Практические занятия

Реальные газы. Фазовые переходы

Силы и потенциальная энергия межмолекулярных взаимодействий

В лекциях 1-2 изучались идеальные газы, молекулы которых имеют пренебрежимо малый собственный объем и не взаимодействуют друг с другом на расстоянии. Свойства реальных газов при высоких давлениях и низких температурах отличаются от свойств идеальных газов, подчиняющихся уравнению Клапейрона-Менделеева. Основная причина этого отличия заключается в том, что во всех телах (твердых, жидких, газообразных) молекулы взаимодействуют друг с другом.

Характерный график зависимости потенциальной энергии Wn взаимодействия двух молекул от расстояния между ними r представлен на рис.1а.

 При r=r0 энергия имеет минимум, следовательно, при r=r0 две взаимодействующие молекулы находятся в положении устойчивого равновесия.

 При r<r0 молекулы отталкиваются, а при r>r0 – притягиваются. График зависимости силы взаимодействия между молекулами F(r)= - dWn/dr от расстояния между ними представлен на рис.1б. Если молекулы находятся на расстоянии r, сравнимом с r0, то молекулы действуют друг на друга с некоторой силой.

При r>>r0 они практически не взаимодействуют друг с другом.

Введем понятие радиуса взаимодействия rВЗ, который определяют приближенно как некоторое расстояние, на котором еще можно считать молекулы взаимодействующими (например, rВЗ=2r0). При r>>rВЗ можно утверждать, что молекулы не взаимодействуют.

Известно, что существуют три основных агрегатных состояния вещества: газ, жидкость и твердое тело.

Газ. Он занимает весь предоставленный ему объем; характеризуется тем, что среднее расстояние между молекулами rср>>rВЗ. В газе молекулы между соударениями двигаются, не испытывая никаких сил, прямолинейно и равномерно. Силы действуют на них лишь в момент соударения.

Жидкость принимает форму сосуда, в который налита, но сохраняет свой объем. В жидкости молекулы находятся в постоянном взаимодействии, для них rср»rВЗ. Как и в газе, в жидкости молекула не стоит на месте, она совершает хаотическое движение.

Твердое тело сохраняет свою форму. Как и в жидкости в твердом теле молекулы сильно взаимодействуют, для них rср»rВЗ. В отличие от жидкости, в твердом теле молекулы закреплены в узлах кристаллической решетки. Тепловое движение проявляется в колебаниях молекулы вокруг положения равновесия.

Уравнение Ван-дер-Ваальса (ВдВ)

В научной литературе существуют более 150 отличающихся друг от друга уравнений состояния реального газа. Среди них нет ни одного действительно верного и универсального.

Остановимся на уравнении ВдВ (1873 г). Он внес в уравнение Клапейрона-Менделеева PV=RT две поправки.

Первая поправка связана с действием сил отталкивания между молекулами. Она учитывает собственный объем молекулы V0 и поэтому объем сосуда V заменяют свободным объемом V-b, где b=4V0NA. В итоге получаем уравнение Клаузиуса для одного моля

 P=RT/(V-b). (1)

Вторая поправка связана с действием сил притяжения между молекулами: в тонком поверхностном слое вблизи стенки сосуда на молекулу, подлетающую к стенке, действует сила притяжения со стороны остальных молекул газа, что приводит к уменьшению силы удара молекулы о стенку сосуда, а, следовательно, и давления на величину DP~, в результате имеем P=RT/(V-b) – a/ или

 (P+ a/)(V-b)=RT, (2)

которое называют уравнением ВдВ для одного моля газа. В этом уравнении а и b – постоянные, зависящие только от вида газа.

Для произвольной массы газа уравнение ВдВ имеет вид

  (P+a/)(V-nb)= nRT, (3)

где n=m/M – число молей газа, m – масса газа, M – масса моля.

Изотермы Ван-дер-Ваальса

Для фиксированных значений Р и Т уравнение (2) есть уравнение третьей степени относительно объема газа V и, следовательно, оно может иметь либо три вещественных корня (V1, V2, V3), либо один вещественных корень (V1) и два комплексно-сопряженных корня (комплексно-сопряженные корни отбрасываем). Поэтому на диаграмме PV (см.рис.2) прямая, параллельная оси V может пересекать изотерму ВдВ либо в трех точках В, D, F, либо в одной K или L. Построение по точкам изотерм ВдВ для трех характерных температур приводит к кривым, изображенным на рис.2. Сначала проведем анализ нижней изотермы ABCDEFG.

Левая, круто спадающая часть ее АВ соответствует жидкому состоянию, правая пологая часть FG – газообразному. Переход из жидкого состояния в газообразное и обратно при обычных условиях происходит не вдоль участка ВСDEF, а вдоль изобары BF, которая одновременно является и реальной изотермой. Такой изобаре-изотерме BF соответствуют двухфазные состояния вещества – жидкость + газ (пар). Чем ближе к точке В, тем больше жидкости, и чем ближе к точке F–тем больше в системе пара (газа). Заметим, что пар и газ – это одно и то же. Когда говорят о паре какой-либо жидкости, то этим желают подчеркнуть, что речь идет о газе, полученном испарением этой жидкости.

Ветви ВС и EF изображают метастабильные состояния вещества (т.е. относительно устойчивые состояния): перегретую жидкость и пересыщенный пар и могут быть осуществлены при определенных условиях. Участок СДЕ ни при каких условиях осуществлен быть не может.

С ростом температуры область горбов и впадин на изотерме ВдВ уменьшается и при температуре ТКР – критической температуре – превращается в точку перегиба К с горизонтальной касательной. В точке К исчезают различия между жидкой и газообразной фазой (однородная среда).

При Т>ТКР газ никаким сжатием нельзя перевести в жидкость.

Возвращаясь к анализу изотерм ВдВ, изображенных на рис.2, делаем заключение, что область, ограниченная сверху изотермой НК и справа линией КВМ соответствует жидкой фазе. Область, ограниченная сверху кривой МВКFN, соответствует жидкой и газообразной фазе (жидкость + пар) и область, расположенная правее линии НКFN, соответствует газообразной фазе.

При Т>>ТКР и относительно малых давлениях реальные газы ведут себя как идеальные газы.

Внутренняя энергия моля реального газа

 U=CVТ –a/V, (4)

  т.е. меньше энергии идеального газа U=CVТ. Для произвольной массы реального газа

 U=n(CVТ –a/V). (5)

6.4. Фазы и фазовые переходы

Фазой называется совокупность частей системы одинаковых по всем физическим, химическим свойствам и структурному составу. Например, существует твердая, жидкая и газообразная фазы (называемые агрегатными состояниями).

Фазовый переход (фазовое превращение), в широком смысле – переход вещества из одной фазы в другую при изменении внешних условий (Т, Р, магнитных и электрических полей и т.д.); в узком смысле – скачкообразное изменение физических свойств при непрерывном изменении внешних параметров. Будем далее рассматривать фазовые переходы в узком смысле.

Различают фазовые переходы I рода и II рода. Фазовый переход I рода – широко распространенное в природе явление. К ним относятся: испарение и конденсация, плавление и затвердевание, сублимация или возгонка (переход вещества из кристаллического состояния непосредственно, без плавления, в газообразное, например, сухой лед) и конденсация в твердую фазу и др. Фазовые переходы I рода сопровождаются выделением или поглощением теплоты (теплоты фазового перехода q), при этом скачком изменяются плотность, концентрация компонентов, молярный объем и т.д.

Фазовый переход II рода не сопровождается выделением или поглощением теплоты, плотность изменяется непрерывно, а скачком изменяется, например, молярная теплоемкость, удельная электрическая проводимость, вязкость и др. Примерами фазовых переходов II рода могут служить переход магнитного вещества из ферромагнитного состояния (m>>1) в парамагнитное (m»1) при нагреве до определенной температуры, называемой точкой Кюри; переход некоторых металлов и сплавов при низких температурах из нормального состояния в сверхпроводящее и др.

Фазовые диаграммы. Тройная точка

Разные фазы одного и того же вещества могут находиться в равновесии, соприкасаясь друг с другом. Такое равновесие наблюдается лишь в ограниченном интервале температур, причем каждому значению температуры Т соответствует свое давление Р, при котором возможно равновесие. Для наглядного изображения фазовых превращений используются фазовые диаграммы состояний, на которых в координатах Р, Т задается зависимость между температурой фазового перехода и давлением. Строятся такие диаграммы на основе экспериментальных данных.

На рис.3 изображена характерная диаграмма состояния вещества. Три фазы одного и того же вещества (твердая, жидкая и газообразная) могут находиться в равновесии только при единственном значении температуры ТТР и давлении РТР. Эту точку называют тройной (ТР). В тройной точке сходядтся три кривые равновесия фаз, взятых попарно: 1) кривая испарения (КИ) определяет условия равновесия между жидкой и газообразной фазами (например, между водой и водяным паром);

2) кривая плавления (КП) определяет условия равновесия между твердой и жидкой фазами (например, между льдом и водой); 3) кривая сублимации (КС) определяет условия равновесия между твердой и газообразной фазами (например, между льдом и водяным паром). Каждое вещество имеет только одну тройную точку. Тройная точка воды имеет ТТР =273,16 К (или tТР=0,01°С) и РТР=611 Па, что соответствует 1/166 физической атмосферы. При такой температуре и давлении вода, лед и водяной пар находятся в равновесии, т.е. могут оставаться в таком состоянии сколь угодно долго.

Уравнение Клапейрона-Клаузиуса выражает связь наклона кривой равновесия двух фаз с теплотой фазового перехода q и изменением фазового объема V2-V1:

 . (6)

II. Элементы квантовых статистик и квантовой физики твердого тела

В последующих 4 лекциях будут изучаться тепловые и электрические свойства твердых кристаллических тел с использованием квантовой механики и квантовой статистики.

 Принцип термодинамического равновесия.

 Уравнение состояния 

Повседневный опыт показывает, что в любой предоставленной себе самой, то есть полностью изолированной от внешних воздействий, термодинамической системе со временем происходит выравнивание по всему объему всех термодинамических параметров. Это – принцип полного термодинамического равновесия (его иногда называют нулевым началом термодинамики). То состояние, к которому самопроизвольно и необратимо (то есть так, что, придя в это состояние, система сама собой не может из него выйти) стремится любая изолированная система, получило название состояния теплового или термодинамического равновесия. Состояние теплового равновесия возможно и в открытых системах при неизменности внешнего воздействия на систему, но об этом подробнее сказано в разделе 9.

В состоянии теплового равновесия прекращаются все макроскопические изменения в термодинамической системе, и в таком состоянии система способна оставаться сколь угодно долгое время. Для нарушения теплового равновесия необходимо изменение внешнего воздействия на систему. Самопроизвольные, чаще всего небольшие, отклонения от равновесного состояния термодинамической системы, конечно, случаются (в силу хаотического, взаимно несогласованного характера протекания микропроцессов). Они носят название флуктуаций. Это особый вопрос, рассматриваемый в статистической механике, а в рамках феноменологической равновесной термодинамики флуктуациями просто пренебрегают.

Процесс самопроизвольного перехода системы из неравновесного состояния в состояние равновесное называется процессом релаксации. У разных термодинамических параметров характерное время выравнивания разное. Промежуток времени, характеризующий процесс выравнивания по объему какого-либо из макроскопических параметров, носит название времени релаксации для данного параметра. Время релаксации зависит от микромеханизма процесса релаксации. Для установления состояния полного термодинамического равновесия требуется время, определяемое наибольшим из времен релаксации. За это время устанавливается равновесие по всем параметрам. Следует подчеркнуть, что тепловое равновесие носит динамический характер, то есть сохраняется присутствие микропроцессов, не нарушающих однако состояния теплового равновесия..

В классической термодинамике механизм установления теплового равновесия не играет абсолютно никакой роли, поскольку эта термодинамика имеет дело только с такими термодинамическими системами, где уже установилось тепловое равновесие (или почти установилось, то есть система пренебрежимо мало отклонилась от равновесного состояния). После установления равновесия, на термодинамических параметрах уже никак не отражается наличие или отсутствие между элементами термодинамического коллектива микровзаимодействий, ответственных за установление в системе теплового равновесия. Именно поэтому можно рассматривать самые простые модели поведения частиц (элементов) системы, где никакой роли не будут играть, например, размеры частиц или законы их взаимодействия, а результаты все равно получаются правильно отражающими наблюдаемые явления (разумеется, в границах применимости используемых моделей). Это замечательное свойство – независимость выводов термодинамики от законов микровзаимодействий, их всеобщность – есть следствие равновесного состояния рассматриваемых термодинамических систем. За это термодинамику иногда называют термостатикой.

 Все явления, сопровождающиеся процессами приближения к тепловому равновесию, необратимы. Необратимость процесса в строгом смысле этого слова означает, что процесс нельзя пройти в обратном направлении. Так, например, при достаточно быстром сжатии газа в колбе под поршнем концентрация молекул газа вблизи поршня больше, чем во всем остальном объеме, а при обратном движении поршня – наоборот, концентрация молекул вблизи поршня меньше. Это означает, что промежуточные состояния термодинамической системы в процессе сжатия и в процессе разрежения газа не идентичны друг другу, и, следовательно, процесс нельзя пройти в обратном направлении в точности через те же самые промежуточные состояния. О термодинамическом понимании необратимости и обратимости мы еще будем говорить в третьем разделе.


Деление кристаллов на диэлектрики, металлы и полупроводники