ЭБЗ Классическая физика (часть 1) - механика, термодинамика и молекулярная физика (1175272), страница 98
Текст из файла (страница 98)
Это уравнение имеет или один, или три действительных корня в зависимости от численных значений p и T. На рис. II.5.5 представленыизотермы реального газа, подчиняющегося уравнению Ван-дер-Ваальса при различныхтемпературах (T1 < T2 < T < T3 < Tк < T5 < T6).На всех докритических изотермах имеется заштрихованная область, где каждомудавлению соответствуют три различных состояния, которым сопоставляются три точкиизотермы – B, E и C. Волнообразные частиBDEFC изотерм на рис. II.5.5 более точно описывают переход вещества из газообразного вжидкое состояние, чем горизонтальные участкиэкспериментальных изотерм (пунктирные прямые ВС). Участок BD изотермы соответствуетперегретой жидкости, которую можно получить, если задержать начало кипения в точке В.Участок CF изотермы описывает состояние пересыщенного пара, возникающее при медленном изотермическом сжатии в отсутствие центров конденсации.
Если такие центры (пылинки, ионы) вводятся в пересыщенный пар, тоРис. II.5.5происходит быстрая конденсация пара. На участке DEF изотермы одновременно с увеличением (уменьшением) давления возрастает (уменьшается) молярный объем. Такиесостояния вещества невозможны. Горизонтальные отрезки BC рассекают участки изотерм BDEFC так, чтобы площади BDEB и EFCE на рис. II.5.5 были равны друг другу(правило Максвелла).7°. Значения критических параметров pк, Vµк и Tк (п. 1°) выражаются через коэффи-циенты a и b в уравнении Ван-дер-Ваальса (II.5.2.4°) и универсальную газовую постоянную R (II.1.4.4°):pк =8 a1 a, V µк = 3b , Tк =.227 bR27 b§ II.5.4. Понятие о сверхтекучести гелия1°.
Гелий является таким веществом, которое, переходя из газообразного в жидкоесостояние при нормальном атмосферном давлении и температуре 4,22 К, остается жидким, если охлаждать его как угодно близко к абсолютному нулю (II.4.8.4°).2°. При температуре 2,19 К в жидком гелии происходит фазовый переход II рода:жидкий гелий I, существующий при T > 2,19 К. переходит в жидкий гелий II, которыйсуществует при T < 2,19 К.Фазовым переходом II рода называется такое превращение вещества, которое несвязано с выделением или поглощением теплоты, как это происходит при фазовых переходах I рода.
При фазовых переходах II рода скачкообразно изменяются теплоемкости, коэффициенты теплового расширения и некоторые другие характеристики вещества. Примеры фазовых переходов II рода: превращение железа в точке Кюри (III.13.5.2°)из ферромагнитного вещества в парамагнитное (III.13.3.5°), переход некоторых металлов и сплавов при весьма низких температурах в состояние сверхпроводимости(VII.2.6.1°).3°. Обнаружено явление сверхтекучести гелия II – практически полное отсутствиевязкости при течении такого гелия через капилляры (II.6.5.5°).
Коэффициент вязкости(II.3.8.4°) у гелия II меньше 10-12 Па·с, в то время как у гелия I вблизи температуры4,22 К этот коэффициент имеет величину порядка 10-6 Па·с.4°. Гелий II представляет собой смесь сверхтекучей и нормальной компонент(двухжидкостная модель жидкого гелия). Сверхтекучая компонента движется без трения и не участвует в переносе энергии в форме теплоты (II.2.2.1°). Нормальная компонента движется с трением и участвует в переносе энергии.5°. Теория сверхтекучести основана на квантовой механике (VI.1.1.2°).
Квантоваямеханика объяснила прежде всего, почему гелий является единственной незамерзающей жидкостью при сверхнизких температурах и нормальном давлении. Нулевые колебания (VI.1.5.6°) легких атомов гелия достаточно интенсивны и не позволяют слабымсилам притяжения между атомами гелия при обычных давлениях образовать кристаллическую структуру.В основе современной теории сверхтекучести лежит изучение энергетическогоспектра гелия при сверхнизких температурах. Непрерывный энергетический спектр вэтих условиях может быть рассмотрен как совокупность элементарных возбуждений,или, так называемых, квазичастиц с энергиями hνi, где h – постоянная Планка, νi – частоты фононов (VII.2.7.5°), соответствующих этим возбуждениям. Квазичастицы нельзяотождествлять с реальными атомами гелия.
Они сопоставляются всему коллективуатомов гелия, и значения энергии элементарного возбуждения описывают энергетический спектр всей квантовой системы – жидкого гелия в целом. При низких температурах возбужденное состояние гелия представляет собой звуковые волны, являющиесяэлементарными возбуждениями в нормальной части жидкого гелия II. С ними связанзапас внутренней энергии в жидком гелии и наличие в нем трения.
Но в гелии II возможны такие состояния, соответствующие сверхтекучей части гелия II, в которых«элементарные возбуждения» энергетически не выгодны и не возникают. В результатесильного взаимодействия между частицами сверхтекучей части гелия II образуется связанный коллектив, в котором не возникает тепловых возбуждений, и сверхтекучаячасть гелия II не имеет запаса внутренней энергии и не обладает вязкостью. При абсолютном нуле температуры в гелии II не должно было бы быть нормальной части, онвесь должен был бы быть сверхтекучим. По мере нагревания число фононов растет, иувеличивается доля нормальной компоненты гелия II.
Но пока температура не достигнет 2,19 К, в гелии II сохраняется сверхтекучая компонента с присущими ей свойствами. При температуре 2,19 К гелий II превращается в гелий I, и все особые свойства гелия II исчезают.ГЛАВА II.6. ЖИДКОСТИ§ II.6.1. Некоторые свойства жидкостей1°. Жидкостями называются тела, которые, имея определенный объем, принимаютформу сосуда, в котором они находятся. О тепловом движении в жидкостях см.II.1.1.5°. Характер теплового движения в жидкостях определяет сходство свойств жидкостей со свойствами, как твердых тел, так и газов. Подобно твердым телам жидкостималосжимаемы.
Это свойство связано с сильным межмолекулярным взаимодействиемчастиц в жидкостях. При сжатии жидкостей уменьшаются расстояния между молекулами и резко возрастают силы отталкивания, препятствующие сжатию (II.5.1.4°). Жидкости имеют относительно большие плотности, и, так же как твердые тела, сопротивляются не только сжатию, но и растяжению (VII.1.3.6°).
Это проявляется в том, чтоизотермы Ван-дер-Ваальса заходят в область отрицательных давлений (изотерма приT = T1 на рис. II.5.5). Сходство свойств жидкостей и реальных газов при высоких температурах и малых плотностях проявляется, например, в том, что с повышением температуры уменьшаются коэффициент поверхностного натяжения жидкостей (II.6.4.4°) иудельная теплота парообразования (II.6.6.4°). Кроме того, при повышении температурысближаются значения плотностей сухого насыщенного пара (II.5.3.2°) и кипящей жидкости (II.5.3.2°).2°.
Сходство между жидкостями и твердыми телами подтверждается даннымирентгеноструктурного анализа (V.2.4.1°). При температурах, близких к температурекристаллизации, расположение частиц в жидкостях сходно с упорядоченным расположением частиц, характерным для закристаллизовавшихся жидкостей. Взаимное расположение соседних частиц в жидкостях сходно с упорядоченным расположением соседних частиц в кристаллах.
Однако, эта упорядоченность в жидкостях наблюдается лишьвнутри малых объемов. При расстояниях r > (3÷4) d от некоторой выбранной «центральной» молекулы упорядоченность размывается (d – эффективный диаметр молекулы (II,1.4.1°)). Подобная и упорядоченность в расположении частиц называется ближним порядком в жидкостях.3°. Рентгенограммы жидкостей не отличаются от рентгенограмм поликристаллических тел (V.2.4.5°), состоящих из очень мелких кристалликов (с линейными размерамипорядка 10-9 м), произвольно ориентированных друг относительно друга в так называе-мых сиботаксических областях.
В пределах этих областей распределение частиц является упорядоченным, но характер упорядоченности изменяется от одной сиботаксической области к другой. Интенсивное тепловое движение при не слишком низких температурах быстро изменяет с течением времени расположение и структуру сиботаксических областей.§ II.6.2.
Дырочная теория жидкого состояния1°. Важнейшим параметром, который определяет структуру и физические свойстважидкости, является удельный объем. При плавлении кристаллического тела удельныйобъем возрастает незначительно, приблизительно на 10%. Такой рост удельного объемапроисходит в твердом теле под действием отрицательного давления, равного теоретическому пределу прочности (VII.1.3.7°) твердого тела.
Это дает возможность рассматривать жидкость как тело, в котором в различных местах нарушена целостность. Приплавлении кристаллических тел частицы вещества приобретают большую подвижность. Этим обусловливается важное свойство текучести жидкостей, а также нарушение дальнего порядка в кристаллах и возникновение ближнего порядка в жидкостях(II.6.1.2°). Кроме того, в результате большей подвижности частиц в жидком теле возникают микроскопические разрывы, микрополости – дырки. Тепловое движение в жидкостях приводит к тому, что дырки самопроизвольно исчезают в одних местах и появляются одновременно в других.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
