А.Н. Матвеев - Молекулярная физика (1103596), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Поэтому при бросании щепотки мела в перегретую воду возникает бурное кипение, напоминающее взрыв. Этим нечто, дающим начало образованию пузырьков жидкости, могут быть, например, ионы. Это обстоятельство используется для регистрации путей заряженных наспщ. Оценить максимально допустимый перегрев жидкости можно следующим образом. Прежде всего надо задать максимальные радиусы г пузырьков, которые могут образовываться на зародьппах жидкости.
По формуле (35.3) находим давление, которое должен иметь этот пар, чтобы быть насыщенным внутри пузырька, причем, поскольку плотность насыщенных паров при температуре кипения много меньше плотности жидкости, эту формулу можно взять в виде Ьр= 2ар„/(йр ). Учитывая, что У,<< ); по формуле Клапейрона — Клаузиуса, находим допустимый перегрев жидкости: ьт= т(; ьрд.. Подставляя в эту формулу табличные значения величин, находим, что Ьт 0,5 К для г = 0,1 мм = 10 4 м. Аналогично можно оценить повышение температуры кипения жидкости с глубиной: ьт = ту, ьр!е = тд ьц~.. Отсюда следует, что Ьт(Ьпм0,03 К/см, т.е.
в чайнике на глубине 10 см от поверхности воды температура кипения болыпе примерно на 0,3 К, чем на поверхности. Пузырьковые камеры. Если через перегретую жидкость пролетает заряженная частица, то она на своем пути ионизирует атомы жидкости. Ионизированные 18* 276 4. Газы с межмолекуляриым взаимодойсгвием и жидкости атомы становятся «зародышами», вокруг которых образуются пузырьки насыщенного пара. Другими словами, перегретая жидкость вскипает вдоль траектории движения заряженной часпшы, благодаря чему траектория хороню видна и может быть сфотографирована.
Эти фотографии позволяют изучать движение частиц в различных полях, их взаимодействия и т.д. В экспериментальных исследованиях элементарных частиц в качестве жидкости используется обычно жидкий водород Из изложенного ясно, почему такого рода приборы для исследования траекторий заряженных частиц называются пузырьковыми камерами. Они играют очень болыпую роль в исследованиях элементарных частиц. С их помощью обнаружено большинство новых частиц и сделано много других важнейших открытий.
Переохлаждениый пар. Насыщенный прн некоторой температуре пар является пресыщенным относительно более низкой температуры. Поэтому при понижении температуры насыщенного пара часть его превращается в жидкость. Это явление называется коцденсацией. В обычных условиях пары воды конденсируются во всем объеме пара в виде мельчайших капелек — тумана. Однако если воздух, в котором находится насьпценный пар, достаточно хорошо очищен от примесей, то при охлаждении пара не происходит превращения пара в жидкость и возникает метастабнльное состояние (см.
я 32)„ названное переохлажденным паром. При охлаждении насыщенного пара образуются маленькие капельки жидкости. Однако они не могут сколько-нибудь долго существовать, потому что насыщенный пар, в котором они образуются, является ненасыщенным для выпуклой поверхности капелек (см. рис. 83,в). Поэтому жидкость капелек немедленно испаряется и капельки исчезают. Для начала процесса конденсации надо обеспечить существование такой ситуации, чтобы с самого начала могли образовываться капельки жидкости достаточно болыпого радиуса, для которых пар не явился бы сильно ненасьпценным.
Для этого необходимо наличие зародышей конденсации. В этом отношении ситуация совершенно аналогична перегретой жидкости. Такими зародышами могут быть, например, ионы, пылинки, микроскопические организмы, находящиеся в воздухе, и т. д. Камера Вильсона. Заряженная частица на своем пути в переохлаждениом паре ионизует молекулы пара. Ионы становятся центрами конденсации, вокруг которых образуются капельки жидкости.
Благодаря этому вдоль траектории частицы образуется туман и траектория становится видимой. Это позволяет исследовать заряженные частицы, их взаимодействие и т. д. Такие приборы называются камерами Вильсона. Они сьпрали большую роль в научных исследованиях элементарных частиц. Почему ионы становятся зародышами конденсации? Это обусловлено балансом энергии конденсации, поверхностной энергии и кулоновской энергии. Молекулы воды обладают большим днпольным моментом.
Они окружают заряженный ион, ориентируясь по направлению к нему противоположным зарядом своего диполя. Образующийся в результате такого построения агрегат вне себя действует как заряд иона, в результате чего происходит присоединение следующего слоя молекул и образуется растущая капелька воды. Энергия этой капельки зависит от радиуса и слагается из трех частей: поверхностная энергия Еиж = 4игза, где о — поверхностное натяжение; электрическая энергия кулоновского поля капли Е„ = 4з,~(4иввг), где 4 — заряд иона, ео — электрическая постоянная; Е,„ = †(4/3)игзрб — энергия, обуслов- э 35.
Испарение и кипение жидкостей 277 ленная скрытой теплотой конденсации, где р — плотность вещества капли, Š— скрытая удельная теплота конденсации. Полная энергия 4пгзо + з)г?(4пког) — (4)3) пгз рЕ Повеление капли определяется тем, что происходит с энергией при росте капли, т,е.
при прибавлении к ней массы Ьдс если энергия растет, то рост капли невозможен. Рост капли возможен лишь прн условии (ЬЕ?Ь?п)(0. Учитывая, что Ь?и = 4пгзрбг, имеем ЬЕ ЬЕ Ь 2?у бз Ьт Ь Ьзп рг 16п еерг Видно, что при отсутствии иона (з? =О) условия для конденсации неблагоприятны, поскольку при малых г первый член правой части велик. Нужны значительные радиусы го зародышей, чтобы (2о/(рго)3 < Е. Наличие иона коренным образом изменяет ситуацию. Отрицательный член — з?з/(16п~еорг~) при малых г достаточно велик по абсолютному значению и делает конденсацшо выгодной.
Электрическая энергия компенсирует препятствующее конденсации действие поверхностных энергий при радиусах капли, удовлетворяющих условию 2о!(рг) =?)з)(16пзаоргя), т. е. при г = 1?)'?(32пзеоо)1??з. Для однократно заряженных ионов з? = е и г получается порядка нескольких ангстрем. Это означает, что условия образования центров конденсации из-за появления иона сделались действительно очень благоприятными. Пример 35,1. Найти молярную теплоту испарения жидкости при температуре Т н давлении р насыщенных паров, предполагая, что жидкость и ее насьпценный пар подчиняются уравнению Ван-дер-Ваальса с известными а и Ь, а температура Т далека от критической, что позволяет в качестве Е взять молярную газовую постоянную. Применяя первое начало термодинамики к процессу испарения, получаем Е=1„- бж Ч-Р(?( — ?Г.), (35.4) где (?, и 1? — внутренние энергии пара и жидкости; р(гя — 1') — работа, совершаемая при испарении против постоянного внешнего давления р. Разность внутренних энергий по уравнению Ван-дер-Ваальса равна (у„— 1? = а?зй' — а!?'„ ° С увеличением тенпературы плотность н дпвлвние насыщенных паров увеличиваются, поверхностное натяжение н скрытен теплота парообраяаванип уненымаются.
Давление насыщенных паров над вогнутой поверхностью жидкости неныие, а над выпуклой — болыпе, чем мад плоской. ?. Чен свойства пора отличоютс» от свойства юзаз При «яких условиях можно к пару применять токовые зоконыз К Каков механизм образовамия переохлажденного пара и перегретой жидкости? 278 4. 1"пзы с мсжмолскулярным взаимодействием и жидкости и, следовательно, Е = а (1/)т — 1 Ч'„) + Р()т — Х) = (тп (КТ)('т'„— Ь) — 2а/)тД— — $' (КТ(()т — Ь) — 2а/)тт3.
(35.5) Пример 35.2. Найти скорость испарения жидкости, т. е. отношение массы жид- кости, превращающейся в пар„к промежутку времени и площади поверхности, с которой произошло испарение, если известны давление насыщенных паров данной жидкости и температура. В состоянии линамического равновесия между насьпценным паром и жидкостью скорость испарения равна скорости конденсации. Скорости молекул в насьпценном паре имеют распределение Максвелла, и поэтому в соответствии с формулой (8.
32) скорость испарения жидкости равна 1 = ьно = лога РсТЯ2ллх)Зябях, где е, ло, Т вЂ” масса молекулы, концентрация молекул и температура. Учитывая, что по — — р„К(сТ) получаем 1„= Р„~„Д2кЩ тл = р„(М((2яйу)1нх, где М = гл1(д — малярная масса пара. (35.6) (35.7) б 36 Структура жидкостей. Жидкие крнстиллы С помощью парной фупяции рвспрсдсвснпя хврвхтсриэуются ближний и лвльиив поряляи и вычнслястся потенциальная энергия вэвимолсйствия молекул.
Обсуждается эявисимость свойств жидкости оэ стросння молсяул. Описываются осяовныс свойствв и применение жидких «риствллов Парная функция распределения. В газах молекулы совершенно хаотично распределены по пространству. Газ может считаться примером бесструктурного образования. Противоположный пример дают твердые тела, атомы которых располагаются в стро~о определенных местах пространства, называемых узлами кристаллической решетки, Ясно, что кристаллические твердые тела имеют четко определенную внутреннюю структуру. Спрашивается: как обстоит дело с жилкостями? Первоначально считалось, что жидкости по своей структуре уполобляются газу, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
