Равновесие жидкости и пара, свойства насыщенного пара. Влажность воздуха.

Насыщенный пар — пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом того же состава. Давление насыщенного пара сильно зависит от температуры.

При равенстве внешнего давления давлению насыщенного пара происходит кипение (жидкости). При некоторой определённой температуре — температуре кипения, зависящей от внешнего давления, парообразование начинается во всём объёме жидкости и при достаточном притоке тепла извне к телу продолжается до тех пор, пока вся жидкость не перейдет в пар. Увеличивая внешнее давление, можно повышать температуру кипения, но лишь до определённого предела — критической температуры и критического давления, выше которых исчезает граница раздела жидкой и газообразной фаз (это состояние называют сверхкритический флюид или флюидная жидкость).

46 Аморфные и кристаллические тела. Анизотропия кристаллов. Амо́рфные тела́ — твёрдые тела, атомарная решётка которых не имеет кристаллической структуры. Аморфное тело не обладает дальним порядком в расположении атомов и молекул. Для аморфных тел характерна изотропия свойств и отсутствие определённой точки плавления: при повышении температуры аморфные тела постепенно размягчаются и выше температуры стеклования (T_g) переходят в жидкое состояние. Анизотропия является характерным свойством кристаллических тел (точнее — лишь тех, кристаллическая решетка которых не обладает высшей — кубической — симметрией). При этом свойство анизотропии в простейшем виде проявляется только у монокристаллов. У поликристаллов анизотропия тела в целом (макроскопически) может не проявляться вследствие беспорядочной ориентировки микрокристаллов, или даже не проявляется, за исключением случаев специальных условий кристаллизации, специальной обработки и т. п. Причиной анизотропности кристаллов является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния (а также некоторые не связанные с ними прямо величины, например, поляризуемость или электропроводность) оказываются неодинаковыми по различным направлениям. Причиной анизотропии молекулярного кристалла может быть также асимметрия его молекул. Макроскопически эта неодинаковость проявляется как правило лишь если кристаллическая структура не слишком симметрична. Помимо кристаллов, естественная анизотропия — характерная особенность многих материалов биологического происхождения, например, деревянных брусков. Анизотропия свойственна жидким кристаллам, движущимся жидкостям (неньютоновским — особенно). Анизотропией особого рода в масштабах всего кристалла или его областей обладают ферромагнетики и сегнетоэлектрики. Во многих случаях анизотропия может быть следствием внешнего воздействия (например, механической деформации, воздействия электрического или магнитного поля и т.д.). В ряде случаев анизотропия среды может в какой-то степени (а в некоторой слабой степени — часто) сохраняться после исчезновения вызвавшего ее внешнего воздействия.

47 Дефекты в кристаллах. Дислокации. Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла — идеальной периодичности кристаллической решётки. Различают несколько разновидностей дефектов по размерности. А именно, бывают нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трёхмерные (объемные) дефекты. К нульмерным (или точечным дефектам) кристалла относят все дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов (собственные точечные дефекты), а также с примесями. Они возникают при нагреве, легировании, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения. Могут вноситься также в результате имплантации. Наиболее изучены, включая движение, взаимодействие, аннигиляцию, испарение.вакансия — свободный, незанятый атомом, узел кристаллической решетки. Собственный межузельный атом — атом основного элемента, находящийся в междоузельном положении элементарной ячейки. Примесный атом замещения — замена атома одного типа, атомом другого типа в узле кристаллической решетки. В позициях замещения могут находиться атомы, которые по своим размерам и электронным свойствам относительно слабо отличаются от атомов основы. Примесный атом внедрения — атом примеси располагается в междоузлии кристаллической решетки. В металлах примесями внедрения обычно являются водород, углерод, азот и кислород. В полупроводниках — это примеси, создающие глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне, например, медь и золото в кремнии. В кристаллах часто наблюдаются также комплексы, состоящие из нескольких точечных дефектов, например: пара Френкеля (вакансия + собственный междоузельный атом), дивакансия (вакансия + вакансия), А-центр (вакансия + атом кислорода в кремнии и германии) и др. Основная геометрическая характеристика дислокаций — вектор Бюргерса. Если в идеальном кристалле провести замкнутый контур, а затем попытаться провести такой же контур вокруг области с дислокацией, то контур будет разорван. Вектор, который нужно провести для замыкания этого контура, и есть вектор Бюргерса дислокации. Он характеризует величину и направление сдвига атомных плоскостей, приводящего к образованию дислокации. В зависимости от угла φ между вектором Бюргерса и линией дислокации различают дислокации винтовые (φ=0), краевые (φ=90°) и смешанные (произвольный угол φ). Смешанные дислокации могут быть разложены на краевую и винтовую компоненты. Образование краевой дислокации можно представить как результат удаления из кристалла одной кристаллической полуплоскости. Линия, отделяющая дефектную область кристалла от бездефектной, называется линией дислокации. Простейшая наглядная модель краевой дислокации — книга, у которой от одной из внутренних страниц оторвана часть. Тогда, если страницы книги уподобить атомным плоскостям, то край оторванной части страницы моделирует линию дислокации.

48 Классификация кристаллов по типу связей. О Ионная связь - образуеться между разноименно заряженными ионами вешеств. В узлах кр. решетки - ионы.
Энергия взаимодействия кулоноаская.
гетерополярная связь- связь между правельно чередуёщимися в узлах кр. решетки полож. и отрец. ионами.. Обшее свойство - диэлектрики, высокие точки плавления и большая теплота сублимации.
Ковалентная связь - характерны для кр.реш. полупроводников. Химическая связь между нейтральными атомами.голеополярная связь.
Обшие хороктерные свойства - высокие темпр. плавления и теплота сублимации, высокая мех. прочность, малая электропроводность.
Водородная связь - происходит между молекулами содержащими атом водорода(лед, HF);
Ван-дер-Вальсова связь - В узлах крестоллич. реш. находятся молекулы,и связь между ними Ван-дер-Вальсова. Силы дипольно-ориентационные или дисперсионные. Св-ва кр. низкие точки плавления, связь слабая, кресталл не прочный. Металлическая связь - В этих кресталлах общие для всей кр. решетки электроны выполпяют роль клея. Св-ва прочность, электропроводность.

49 Теплоёмкость кристаллов. Закон Дюлонга и Пти Как уже отмечалось в начале главы, внутренняя энергия (а затем и теплоемкость) кристалла в принципе может быть вычислена путем определения всех частот нормальных колебаний кристалла и определением энергии всех осцилляторов, используя распределение Бозе-Эйнштейна. Если вторая часть задачи трудностей не вызывает, то ее первая часть чрезвычайно сложна в математическом отношении, она решена в настоящее время только для сравнительно простых молекул. Поэтому были найдены упрощенные способы вычисления спектра собственных частот осцилляторов, некоторые из них рассмотрены в данном разделе. Модель Эйнштейна. В модели Эйнштейна считают, что атомы колеблются независимо друг от друга и что частоты колебаний всех атомов одинаковы. В таком случае для подсчета внутренней энергии кристалла, содержащего атомов, достаточно рассмотреть один осциллятор, а затем домножить результат на - число осцилляторов.

Зависимость теплоемкости от температуры, рассчитанная в рамках модели Эйнштейна для частоты осциллятора, равной

,где - объем кристалла. Закон Дюлонга-Пти (Закон постоянства теплоёмкости) — эмпирический закон, согласно которому молярная теплоёмкость твёрдых тел при комнатной температуре близка к 3R: где R — универсальная газовая постоянная. Закон выводится в предположении, что кристаллическая решетка тела состоит из атомов, каждый из которых совершает гармонические колебания в трех направлениях, определяемыми структурой решетки, причем колебания по различным направлениям абсолютно независимы друг от друга. При этом получается, что каждый атом представляет три осциллятора с энергией E, определяемой следующей формулой: . Формула вытекает из теоремы о равнораспределении энергии по степеням свободы. Так как каждый осциллятор имеет одну степень свободы, то его средняя кинетическая энергия равна , а так как колебания происходят гармонически, то средняя потенциальная энергия равна средней кинетической, а полная энергия - соответственно их сумме. Число осцилляторов в одном моле вещества составляет , их суммарная энергия численно равна теплоемкости тела - отсюда и вытекает закон Дюлонга-Пти.

50 Затруднения классической теории в объяснении температурной зависимости теплоёмкости твёрдых тел. Квантовая теория теплоёмкости. Квантовая теория теплоёмкостей Эйнштейна − была создана Эйнштейном в 1907 году, при попытке объяснить экспериментально наблюдаемую зависимость теплоёмкости от температуры.

При разработке теории Эйнштейн опирался на следующие предположения:Атомы в кристаллической решетке ведут себя как гармонические осцилляторы, не взаимодействующие друг с другом. Частота колебаний всех осцилляторов одинакова.Число осцилляторов в 1 моле вещества равно 3 N_a, где N_a - число Авогадро. Энергия их квантована: , Число осцилляторов с различной энергией определяется распределением Больцмана:

Внутренняя энергия 1 моля вещества:

.

находится из соотношения для среднего значения:

и составляет:

,

отсюда:

.

Определяя теплоёмкость как производную внутренней энергии по температуре, получаем окончательную формулу для теплоёмкости:

.

Согласно модели, предложенной Эйнштейном, при абсолютном нуле температуры теплоёмкость стремится к нулю, при больших температурах, напротив, выполняется закон Дюлонга-Пти.

51 Процессы переноса. Их природа. Общее уравнение процессов переноса Процессы переноса в жидкостях отлич. От проц.переноса в газах.Явление переноса в газах определяется длиной свободного пробега молекул.Но в жидкостях,как и в очень плотных газах,понятие длины св.пробега теряет смысл.В жидкостях среднее расстояние между молекулами такого же порядка,как и размеры самих молекул,поэтому и свободного пробега у молекул нет.Молек. жидкости могут лишь совершать малые колебания в пределах,ограниченных межмолекулярными расстояниями. Процесами переноса являются птакие процессы как: вязкость, т Вязкость - это свойство, благодаря которому выравниваются скорости движения различных слоев жидкости. Теплопроводность в жидкостях, как и в газах, имеет место при наличии градиента температуры. Теплопроводностью наз. явление возникновения потока тепла в газе(или любом др.веществе). Общее уравнение процессов переноса для различных веществ будет одно, общее.

52 Диффузия. Закон Фика. Коэффициент диффузии Диффузией наз.явление проникновения двух или нескольких соприкасающихся веществ друг в друга.Этот процесс возникает в газе(и любом др.веществе),если газ неоднороден по составу,т.е. если состоит из двух или нескольких различных компонентов,концентрация которых изменяется от точки к точке.Процесс дифф. Заключается в том,что каждый из компонентов смеси переходит из тех частей объема газа,где его концентрация больше,туда, где она меньше,т.е. в направлении падения концентрации. Закон Фика: I= - D , где I- диффузионный поток интересующего нас компонента в направлении оси Х, D-коэфф. Дифйфузии; диффузионный поток какого-либо компонента пропорционален градиенту концентрации этого компонента,взятому с обратным знаком. Смысл коэфф.диффузии заключ.в том,что он численно равен диффуз.потоку при градиенте концентрации,равном 1.Коэфф.диффуз.D завис.от свойств диффундирующего вещества и от свойств остальных компонентов,составляющих смесь.

53Вязкость. Закон Ньютона для вязкого трения. Коэффициент вязкости. Способы его измерения Вязкость- это свойство, благодаря которому выравниваются скорости движения различных слоев жидкости. Коэффициент вязкости и способы его измерения. возникает при движении жидкости из-за переноса импульса в напровлении,перпендикулярном к направлению движения. Перенос импульса из одного слоя в другой осуществляется при скачках молекул. Коэффициент η наз. коэффициентом вязкости. Физический смысл коэф. вязкости заключается в том, что он равен количеству движения, которое переносится в единицу времени чурез площадку в 1 см² при градиенте скорости, равном единице (1 см/с на 1 см длины). F-сила, действующая на единицу площади поверхности, разделяющих 2 соседних слоя жидкости. Способы измерения коэффициента вязкости; Коэффициент вязкости определяется по затуханию колебаний диска, сферы или цилиндра, подвешенных в исследуемом веществе и совершающих колебания в нем. Коэф. вязкости можно измерять используя ф-лу Пуазейля,часто наз. методом каппиляра, а соответствующие приборы- каппилярными вискозиметрами.

54Теплопроводность. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности Теплопроводностью наз. явление возникновения потока тепла в газе(или любом др.веществе).Более нагретая часть охлаждаеться,тогда как более холодная нагревается.Это связано с потоком тепла от более нагретой части газа к более холодной. Закон Фурье: направление потока тепла совпадает с направлением падения температуры.Если возрастанию х (т.е. dx>0)соответствует падение температуры (dT<0),то тепло течет в направлении возрастающего х: поток тепла направлен так,чтобы уменьшить существующий градиент температуры,кот. Его вызвал. Поток тепла Q пропорционален градиенту температуры: Q= -∂ .∂-коэфф. Теплоповодности численно равный потоку тепла при градиенте температуры.в сис-ме СИ выражается в единицах Дж/м*с*К. 55Кристаллические решетки и их классификация. (Решетки Браве). Индексы плоскостей и направлений (индексы Миллера). Кристалли́ческая решётка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами. Решёткой является совокупность точек (атомов), которые возникают из отдельной произвольно выбранной точки кристалла под действием группы трансляции. Это расположение замечательно тем, что относительно каждой точки все остальные расположены совершенно одинаково. Применение к решётке в целом любой из присущих ей трансляций приводит к её параллельному переносу и совмещению. Для удобства анализа обычно точки решётки совмещают с центрами каких-либо атомов из числа входящих в кристалл, либо с центрами молекул. Классификация решёток Браве триклинная сингония — наименьшая симметрия, нет одинаковых углов, нет осей одинаковой длины; моноклинная сингония — два прямых угла, нет осей одинаковой длины; ромбическая сингония — три прямых угла (поэтому ортогонально), нет осей одинаковой длины; гексагональная сингония — две оси одинаковой длины в одной плоскости под углом 120°, третья ось под прямым углом; тетрагональная сингония — две оси одинаковой длины, три прямых угла; тригональная сингония — три оси одинаковой длины и три равных угла, не равных 90°; кубическая сингония — высшая степень симметрии, три оси одинаковой длины под прямым углом. Помимо основных трансляций, на которых строится элементарная ячейка, в кристаллической решётке могут присутствовать дополнительные трансляции, называемые решётками Браве. В трёхмерных решётках бывают гранецентрированная (F), объёмноцентрированная (I), базоцентрированная (A, B или C), примитивная (P) и ромбоэдрическая (R) решётки Браве. Примитивная система трансляций состоит из множества векторов (a, b, c), во все остальные входят одна или несколько дополнительных трансляций. Так, в объёмноцентрированную систему трансляций Браве входит четыре вектора (a, b, c, ½(a + b + c)), в гранецентрированную — шесть (a, b, c, ½(a + b), ½(b + c), ½(a + c)). Базоцентрированные системы трансляций содержат по четыре вектора: A включает вектора (a, b, c, ½(b + c)), B — вектора (a, b, c, ½(a + c)), а C — (a, b, c, ½(a + b)), центрируя одну из граней элементарного объёма. В системе трансляций Браве R дополнительные трансляции возникают только при выборе гексагональной элементарной ячейки и в этом случае в систему трансляций R входят вектора (a, b, c, ¹/₃(a + b + c), —¹/₃(a + b + c)). Гранецентрированная

Объёмноцентрированная

Дата добавления: 2015-08-18