Жидкости и твердые тела

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ (уч.10кл.стр.307-308, 321-322)

Фазовый переход из газообразного в жидкое состояние возможен, если средняя потенциальная энергия притяжения молекул превышает их среднюю кинетическую энергию.

Для этого температура газообразного состояния (пара) должна быть ниже некоторой критической температуры.

Критическая температура – максимальная температура, при которой пар можно превратить в жидкость.

Конденсация – явление перехода пара из газообразного состояния в жидкое.

Испарение – парообразование со свободной поверхности жидкости.

При испарении жидкость охлаждается, поэтому для поддержания постоянной температуры к ней нужно подводить количество теплоты, пропорциональное массе испаряющихся молекул

Q_п = r m

r – удельная теплота парообразования Дж/кг

Единица количества теплоты Дж (Джоуль)

Количество теплоты, получаемое жидкостью при конденсации, равно количеству теплоты теряемому при ее испарении..

В термодинамическом равновесии число молекул пара, конденсирующихся за определенное время, равно числу молекул, испаряющихся с поверхности жидкости за это же время.

Насыщенный пар – пар, находящийся в термодинамическом равновесии со своей жидкостью.

Давление насыщенного пара при данной температуре – максимальное давление, которое может иметь пар над жидкостью при этой температуре.

Давление насыщенного пара возрастает при увеличении температуры жидкости.

Относительная влажность воздуха – процентное отношение концентрации водяного пара в воздухе к концентрации насыщенного пара при той же температуре.

Кипение – парообразование, происходящее Вов сем объеме жидкости при определенной температуре.

Температура кипения – температура, при которой давление насыщенного пара жидкости внутри пузырька начинает превосходить внешнее давление на жидкость.

Температура кипения жидкости зависит от внешнего давления и остается постоянной в процессе кипения.

Поверхностное натяжение – явление молекулярного давления на жидкость, вызванное притяжением молекул поверхностного слоя в к молекулам внутри жидкости.

Поверхностная энергия – дополнительная энергия молекул поверхностного слоя жидкости.

Сила поверхностного натяжения – сила, направленная по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно участку контура, ограничивающего поверхность, в сторону ее сокращения

F_пов = σ l

l – длина участка поверхностного слоя

σ – поверхностное натяжение Н/м

Единица поверхностного натяжения – Н/м

Смачивание – искривление поверхности жидкости у поверхности твердого тела в результате взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела.

Жидкость смачивает поверхность, если силы притяжения между молекулами жидкости меньше сил притяжения между молекулами жидкости и твердого тела.

Мениск – форма поверхности жидкости вблизи стенок сосуда.

Угол смачивания – угол между плоскостью, касательной к поверхности жидкости и стенкой сосуда.

Капиллярность – явление подъема или опускания жидкости в узких сосудах (капиллярах)

Высота подъема жидкости в капилляре обратно пропорциональна его радиусу

h =

σ – поверхностное натяжение Н/м

ρ – плотность жидкости

r – радиус капилляра

Плавление – фазовый переход из кристаллического (твердого) состояния в жидкое.

Плавление происходит при определенной температуре.

Количество теплоты, необходимое для плавления тела

Q = λm

λ – удельная теплота плавления Дж/кг

Кристаллизация – (затвердевание) фазовый переход вещества из жидкого состояния в кристаллическое (твердое)

Кристаллизация происходит в результате охлаждения жидкости при определенной температуре.

При кристаллизации жидкости происходит скачкообразный переход от неупорядоченного расположения частиц (в жидкости) к упорядоченному (в твердом теле)

При кристаллизации жидкости выделяется теплота

Q = - λm

λ – удельная теплота кристаллизации(плавления) Дж/кг

По структуре относительного расположения частиц твердые тела делятся на:

- кристаллические

- аморфные

- композиты

В кристаллическом состоянии существует периодичность в расположении атомов (дальний порядок)

Кристаллическая решетка – пространственная структура в регулярным периодически повторяющимся расположением частиц.

Узел кристаллической решетки – положение равновесия, относительно которого происходят тепловые колебания частиц.

Полиморфизм – существование различных кристаллических структур одного и того же вещества.

Кристаллическое тело может быть монокристаллом и поликристаллом.

Монокристалл – твердое тело, частицы которого образуют единую кристаллическую решетку.

Анизотропия – зависимость физических свойств вещества от направления.

Монокристаллы – анизотропны.

Поликристалл – твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов.

Изотропия – независимость физических свойств вещества от направления.

Поликристаллы – изотропны.

Аморфные тела – твердые тела, для которых характерно неупорядоченное расположение частиц в пространстве.

Композиты – твердые тела, в которых атомы располагаются упорядоченно в определенной области пространства, но этот порядок не повторяется с регулярной периодичностью.

Деформация – изменение формы и размера твердого тела под действием внешних сил.

Различают два вида деформации:

- упругая

- пластическая

Упругая деформация – деформация, исчезающая после прекращения действия внешней силы.

Пластическая деформация – деформация, сохраняющаяся после прекращения действия внешней силы.

Механическое напряжение – физическая величина, равная отношению силы упругости к площади поперечного сечения тела.

σ =

Единица измерения – Па (Паскаль)

Закон Гука:

при упругой деформации тела напряжение пропорционально относительному удлинению тела:

σ = Ee

e = - относительное удлинение

Е – модуль Юнга (Па)

Предел упругости – максимальное напряжение в материале, при котором деформация еще является упругой.

Предел прочности – максимально напряжение, возникающее в теле до его разрушения.

ИСПАРЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ(уч.10кл.стр.286-289,290-291)

Условия перехода из газообразной фазы в жидкую через потенциальную и кинетическую энергию молекул

Физический смысл перехода. Формула через энергию и температуру

Определение пара

Определение критической температуры

Зависимость критической температуры от потенциальной энергии молекул газа

Влияние давления на переход газ-жидкость

Сжижение пара при изотермическом сжатии (на примере поршня)

Определение конденсации

Определение испарения

Определение насыщенного пара

График изотермы сжижения пара и физический смысл ее участков

Физика процесса испарения (уч.10кл.стр.290)

Понятие удельной теплоты испарения. Определение. Формула

Физика процесса конденсации.

Количество теплоты получаемое при конденсации

Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное состояние называется парообразованием, обратный процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией.

Испаряются и твердые тела, но очень медленно. Например, нафталин.

Существуют два вида парообразования - испарение и кипение.

Рассмотрим сначала испарение жидкости.

Явление превращения жидкости в пар называется парообразованием.

Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением.

Испарением называют процесс парообразования, происходящий с открытой поверхности жидкости при любой температуре.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории эти процессы объясняются следующим образом. Молекулы жидкости, участвуя в тепловом движении, непрерывно сталкиваются между собой. Это приводит к тому, что некоторые из них приобретают кинетическую энергию, достаточную для преодоления молекулярного притяжения. Такие молекулы, находясь у поверхности жидкости, вылетают из неё, образуя над жидкостью пар (газ).

Испарение происходит тем быстрее, чем выше ее температура.

Скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости

Одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс.

Эти два процесса вылета молекул жидкости и их обратное возвращение в жидкость происходят одновременно.

Если число вылетающих молекул больше числа возвращающихся, то происходит уменьшение массы жидкости - жидкость испаряется, если же наоборот, то количество жидкости увеличивается - наблюдается конденсация пара.

Возможен случай, когда массы жидкости и пара, нахо­дящегося над ней, не меняются. Это возможно, когда число молекул, по­кидающих жидкость, равно числу молекул, возвращающихся в неё.

Такое состояние называется динамическим равновесием, а пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Если же между паром и жидкостью нет динамического равновесия, то он называется ненасыщенным.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром.

Пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется ненасыщенным паром.

Насыщенный пар при данной температуре имеет определённую плотность, называемую равновесной.

Это обусловливает неиз­менность равновесной плотности, а следова­тельно, и давления насы­щенного пара от его объ­ёма при неизменной тем­пературе, поскольку уменьшение или увели­чение объёма этого пара приводит к конденсации пара или к испарению жидкости соответственно.

Изотерма насыщенного пара при некоторой температуре в координатной плоскости Р, V представляет собой прямую, параллельную оси V.

При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться.

При ветре, который уносит молекулы жидкости, испарение происходит быстрее, так как меньше молекул возвращается обратно в жидкость.

С повышением температуры термодина­мической системы жидкость - насыщенный пар число молекул, поки­дающих жидкость за некоторое время, превышает количество молекул, возвращающихся из пара в жидкость. Это продолжается до тех пор, пока возрастание плотности пара не приводит к установлению динамического равновесия при более высокой температуре. При этом увеличивается и давление насыщенных паров. Таким образом, давление насыщенных паров зависит только от температуры.

Столь быстрое возрастание давления насыщенного пара обусловлено тем, что с повышением температуры происходит рост не только кинетической энергии поступательного движения молекул, но и их концентрации, т.е. числа молекул в единице объема

При испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, вследствие чего средняя кинетическая энергия поступательного движения оставшихся молекул уменьшается, а следовательно, и температура жидко­сти понижается. Поэтому, чтобы температура испаряющейся жидкости оставалась постоянной, к ней надо непрерывно подводить опре­делённое количество теплоты.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить единице массы жидкости, для превращения её в пар при неизменной температуре называется удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования зависит от температуры жидкости, уменьшаясь с её повышением.

При конденсации количество теплоты, затраченное на испарение жидкости, выделяется.

Конденсация – процесс превращения из газообразного состояния в жидкое.

Рассмотрим условия фазового перехода газ – жидкость.

У идеального газа средняя потенциальная энергия взаимодействия частиц много меньше средней кинетической энергии.

│E_p│<< kT

(Модуль использован потому, что для сил притяжения потенциальная энергия отрицательна)

Для образования жидкости из газа средняя потенциальная энергия притяжения молекул должна превышать их среднюю кинетическую энергию

│E_p│≥ kT

Физический смысл этого неравенства в том, что переход из газообразного в жидкое состояние возможен лишь при температуре, меньше некоторой критической температуры:

T < T_кр =

Критическая температура – максимальная температура, при которой пар превращается в жидкость.

Пар – газообразное состояние вещества при температуре ниже критической.

Газ при T>T_кр нельзя перевести в жидкое состояние.

Критическая температура зависит от потенциальной энергии взаимодействия молекул и потому различна для разных газов

С ростом внешнего давления при сжатии газа уменьшается среднее расстояние между частицами, возрастает сила притяжения между ними и соответственно средняя потенциальная энергия взаимодействия.

Рассмотрим сжижение пара при изотермическом сжатии при T<T_кр

Конденсация – переход пара из газообразного состояния в жидкое

Масса жидкости при конденсации при данном объеме постоянна благодаря равновесию двух встречных процессов: конденсации пара и испарению молекул жидкости.

Испарение – парообразование со свободной поверхности жидкости

Интенсивность процесса испарения увеличивается с возрастанием температуры жидкости. Поэтому динамическое равновесие между испарением и конденсацией при повышении температуры устанавливается при больших концентрациях молекул газа.

Насыщенный пар – пар, находящийся в термодинамическом равновесии со своей жидкостью.

Термодинамическое равновесие – число молекул пара, конденсирующихся за определенный промежуток времени, равно числу молекул жидкости, испаряющихся за это же время.

Концентрация частиц n постоянна, так как при уменьшении объема V в равной степени уменьшается полное количество частиц N из-за конденсации молекул пара.

Поэтому давление насыщенного пара p = nkT, когда в цилиндре сосуществуют пар и жидкость, остается постоянным (при изотермическом сжатии T = const)

После полной конденсации пара возможно незначительное сжатие жидкости. При этом давление резко возрастает из-за малой сжимаемости жидкости.

Изотерма при температуре выше критической T>T_кр совпадает с изотермой идеального газа.

Давление идеального газа при постоянной концентрации молекул возрастает прямо пропорционально абсолютной температуре.

Так как в насыщенном паре при возрастании температуры концентрация молекул увеличивается, давление насыщенного пара с повышением температуры возрастает быстрее, чем давление идеального газа с постоянной концентрацией молекул.

То есть давление насыщенного пара растет не только вследствие повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул пара.

Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара состоит в том, что при изменении температуры пара в закрытом сосуде (или при изменении объема при постоянной температуре) меняется масса пара.

Дата добавления: 2015-11-14