10. Реаьные газы, жидкости и тв тела

Отличие реального газа от идеального заключается в том, что в реальном газе в твй или иной мере проявляются силы молекулярного взаимодействия, и в том, что фактически молекулы его занимают хотя и очень малые, но, тем не менее, вполне конкретные конечные по величине объемы. Чем дальше отстоят молекулы газа друг от друга и чем меньше их линейные размеры по сравнению с расстояниями, отделяющими их друг от друга, тем меньше становятся силы взимодействия между ними и тем меньше реальный газ будет отличаться от идеального.

Силы и потенц энергия межмолекулярного взаимодействия Между молекулами вещ-ва действуют силы притяжения(отрицательные) и отталкивания (положительные). На расстоянии r=r_o результирующая сила F=0. т.е. силы притяжения уравновешивают др др. Т.о. расстояние r_o соотв равновесному расстоянию между молекулами, на котором бы они находились в отсутствие теплового движения. При r<r_o преобладают сила отталкивания (F>0), при r>r_o - силы притяжения. (F<0) На расстояниях r>10^-9м межмолекулярные силы взаимодействия практически отсутствуют (F→ 0).

Ван-дер-Ваальса уравнение:

одно из первых уравнений состояния реального газа, предложенное голландским физиком Я. Д. Ван-дер-Ваальсом (1873):

Здесь: р — давление газа; Т — его температура; V— объём одного моля вещества; R — универсальная газовая постоянная; а и b — константы, учитывающие отклонение свойств реального газа от свойств идеального. Членa/V², имеющий размерность давления, учитывает притяжение между молекулами газа за счёт ван-дер-ваальсовых сил (см. Межмолекулярное взаимодействие). Константа b является поправкой на собственный объём молекул газа и учитывает отталкивание молекул на близких расстояниях. Константы а и b обычно определяются из экспериментальных данных. При бV можно пренебречь обеими поправками и В. у. переходит в уравнение состояния идеального газа (см. Клапейрона уравнение).

В. у. является приближённым и количественно описывает свойства реальных газов лишь в области высоких t и низких давлений. Однако качественно оно позволяет описывать поведение газа при высоких давлениях, конденсацию газа в жидкость и критическое состояние(см. такжеУравнение состояния).

На рис. изображено семейство изотерм (кривых зависимости р от при постояннойt), рассчитанных по В. у. Это уравнение, кубическое относительно , имеет три корня. При низкихt все три корня — действительные, а выше определённой температуры Тк, называемой критической, остаётся лишь один действительный корень. Физически это означает, что при Т > Тк вещество может находиться лишь в одном (газообразном) состоянии, а ниже Тк — в трёх состояниях (двух стабильных — жидком и газообразном— и одном нестабильном). Графически это выражается так: при Т < Тк изотерма имеет три точки пересечения с прямой ac, параллельной оси объёмов. Точки прямой ac отвечают равновесию жидкости и её насыщенного пара. В условиях равновесия, например в состоянии, соответствующем точке b, относительные количества жидкости и пара определяются отношением отрезков bc/ba («правило моментов»). Равновесию фаз при определённой температуре соответствуют давление насыщенного пара рнп и интервал объёмов отдо. При более низких давлениях (правее) изотерма характеризует свойства газа. Левая, почти вертикальная часть изотермы отражает очень малую сжимаемость жидкости. Участки ad и ес относятся соответственно к перегретой жидкости и переохлажденному пару (метастабильные состояния). Участок de физически неосуществим, так как здесь происходит увеличение объёма при увеличении давления. Совокупность точек а, a', а»... и с, c', с»... определяет кривую, называемую бинодалью, которая очерчивает область совместного существования газа и жидкости. В критической точке К температура, давление и объём (Тк, рк,) имеют значения, характерные для каждого вещества. Однако, если в В. у. ввести относительные величины: Т/Тк, Р/рк и, то можно получить так называемое приведённое В. у., которое является универсальным, то есть не зависит от индивидуальных свойств вещества.

Эффект Джоуля — Томсона наз изменение t газаприадиабатическомдросселировании — медленном протекании газа под действием постоянного перепада давлений сквозь дроссель, местное припятствие газовому потоку. Данный эффект является 1 из методов получения низкихt. Эффект Джоуля-Томсона наз положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается и отрицательным, если нагревается. Поскольку в процессе дросселирования давление газа понижается (P2<P1), то знак эффекта совпадает со знаком величины ∆T/∆P, которая есть колич харак-ой процесса и наз коэффиц Джоуля-Томсона. Знак эффекта Джоуля-Томсона меняется при t инверсии.

Как это следует из закона сохранения энергии, а также из того что рассматриваемый процесс протекания медленный, в процессе Джоуля-Томсона остается постоянной энтальпия(изоэнтальпийный процесс). Дляидеального газа, в отличие от реального, условие изоэнтальпийности дает нулевое изменениеt и для него эффект отсутствует.

Реализация процесса Джоуля-Томсона может осуществляться при большой и малой разнице давлений по разные стороны дросселя. Соответственно рассматривают интегральный эффект и дифференциальный эффект Джоуля-Томсона.

Свойства жидкостей

Сжимаемость жидкостей; Тепловое расширение жидкости; Теплоемкость жидкостей;

Диффузия

Вязкость; Теплопроводность; Парообразование и кипение

Поверхностное натяжение, важнейшая термодинамическая характеристика поверхности раздела фаз (тел), определяемая как работа обратимого изотермического образования единицы площади этой поверхности. В случае жидкой поверхности раздела П. н. правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз. Применительно к легкоподвижным поверхностям оба определения равнозначны, но первое предпочтительнее, т.к. имеет более ясный физический смысл. П. н. на границе двух конденсированных фаз обычно называется межфазным натяжением. Работа образования новой поверхности затрачивается на преодоление сил межмолекулярного сцепления (когезии) при переходе молекул вещества из объёма тела в поверхностный слой. Равнодействующая межмолекулярных сил в поверхностном слое не равна нулю (как в объёме тела) и направлена внутрь фазы с большей когезией. Таким образом, П. н. - мера некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном (межфазном) слое или, что то же, избытка свободной энергии в поверхностном слое по сравнению со свободной энергией в объёмах соприкасающихся фаз. В соответствии с определениями П. н. его выражают в дж/м2 или н/м (эрг/см2 или дин/см).

Теплоемкость твердых тел. Методы молекулярно-кинетической теории применяются и при объяснении природы теплоемкости твердого тела. Простейшей моделью кристаллического строения твердого тела является правильно построенная кристаллическая решетка, в узлах которой помещаются атомы, совершающие тепловые колебания около положений равновесия. Передача тепла твердому телу от другого тела или из окружающей среды заставляет эти атомы колебаться быстрее. Энергия колебаний атомов складывается из кинетической и потенциальной. Поскольку на каждую степень свободы атома приходится средняя энергия равная (1/2)kT, на одну колебательную степень свободы приходится энергия равная kT. Каждый атом обладает тремя колебательными степенями свободы, поэтому внутренняя энергия одного моля кристаллического твердого тела равна 3NAkT, а соответствующая теплоемкость равна 3R. Равенство значений молярной теплоемкости при постоянном объеме для всех твердых тел подтверждается на опыте и носит название закона Дюлонга и Пти. Температурная зависимость теплоемкости при низких температурах и характер этой зависимости при стремлении температуры к абсолютному нулю объясняется квантовой теорией теплоемкости, которая была построена в работах Эйнштейна и Дебая.

Кристаллическая решетка - пространственная структура, которую формируют частицы, образующие кристаллы. Основу кристаллической решетки составляет элементарная решетка определенной геометрической формы, в вершинах (узлах) которой расположены атомы, молекулы или ионы.

Поликристалл - твердое тело, состоящее из большого числа хаотически ориентированных кристаллов. Большинство тел, встречающихся в природе и получаемых искусственно являются поликристаллами.

Монокристалл - твердое тело, состоящее из единственного кристалла с единой кристаллической решеткой.

Монокристаллы образуются в природных условиях или искусственно выращиваются из расплавов, растворов, парообразной или твердой фазы.

Дальний порядок и ближний порядок, упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул в твёрдых телах и жидкостях. Упорядоченность на расстояниях, сравнимых с межатомными, называется ближним порядком, а упорядоченность, повторяющаяся на неограниченно больших расстояниях, - дальним порядком. В идеальном газерасположение атома в какой-либо точке пространства не зависит от расположения других атомов. Т. о., в идеальном газе отсутствует Д. п. и б. п., но уже в жидкостях и аморфных телах существует ближний порядок - некоторая закономерность в расположении соседних атомов. На больших расстояниях порядок "размывается" и постепенно переходит в "беспорядок", т. е. дальнего порядка вжидкостии аморфных телах нет (см.Аморфное состояние).

В кристаллах атомы расположены правильными рядами, сетками (пространственными решётками) и правильное чередование атомов на одних и тех же расстояниях друг относительно друга повторяется для сколь угодно отдалённых атомов, т. е. существует Д.п. и б. п. Основные признаки дальнего порядка - симметрия и закономерность в расположении частиц, повторяющаяся на любом расстоянии от данного атома. Наличие Д. п. и б. п. обусловлено взаимодействием между частицами.

Понятия Д. п. и б. п. важны для теории сплавов, где они характеризуют степень упорядочения сплава, например в сплаве из двух компонентов при полном упорядочении атомы двух сортов чередуются, т. е. каждый атом окружен ближайшими соседями только из атомов другого сорта. Неполный порядок проявляется в том, что среди соседей появляются атомы того же сорта. Полностью упорядоченное состояние возможно только при абсолютном нуле, т. к. тепловое движение нарушает порядок. В зависимости от тепловой и механической обработки в сплаве могут быть достигнуты разные степени упорядочения; при этом меняются также и физические свойства сплава.

Д. п. и б. п. существует не только во взаимном расположении частиц (координационный порядок). Например, в жидкости, состоящей из несимметричных молекул, существует ближний порядок (а в жидких кристаллах- дальний порядок) в ориентации молекул (ориентационный порядок). Вферромагнетикахианти-ферромагнетикахсуществует Д. п. и б. п. в ориентации магнитных моментов

Агрегатные (фазовые) состояния вещества - состояния одного и того же вещества в различных интервалах температур и давлений.

Основными агрегатными состояниями вещества считают газообразное, жидкое и твердое состояния, переходы между которыми обычно сопровождаются скачкообразными изменениями плотности, энтропии и других физических свойств. Четвертым агрегатным состоянием вещества считают плазму. Существование у вещества нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в тепловом движении его молекул/атомов и в их взаимодействии.