1598082719-8919f39816a16b7b9e8153327d533cc4 (805677), страница 58
Текст из файла (страница 58)
Однако из детального рассмотрения элементарных возбуждений в гелии, основанного на законах сохранения энергии и импульса, следует, что возможны состояния гелия 11, в которых «элементарные возбуждения> не возникают. Этим состояниям соответствует сверхтекучая часть гелия. Выяснилось, что частицы сверхтекучей части гелия П весьма сильно взаимодействуютдруг с другом и образуют связанный коллектив, называемый иногда конденсатом. Благодаря сильному взаимодействию частиц в сверхтекучей части гелия П ие возникают тепловые «возбуждения», и эта часть гелия не обладает запасом внутренней энергии. Прн абсолютном нуле температуры, когда «элементарных возбуждений» нет, весь гелий П является сверхтекучим и нормальная часть его отсутстиует.
С ростом температуры растет число «возбужденнй» и увеличивается доля нормальной части гелия 11. Однако вплоть до температуры 2,19 К в гелии П сохраняется сверхтекучая часть со всеми ее особыми свойствами. При температуре 2,19 К гелий 11 превращается в гелий 1, обладающий обычными свойствами. ' Ые следует смешивать тепловое движение атомов с «нулевыми колебании ми> этим атомов, имеющими специфическую квантовую природу.
вопросы дня повторении 1. Чеч отличаются реальные газы от идеальных? Нзчертите кривую, выражающую характер зависимости сил взаимодействий и взаимной потеипнальной экергнн двух молекул от расстояния между ними 2, Выведите уравнение Ван-дер-Ваальса и сопоставьте его с уравнением Менделеева — Клапейрона 3. Начертите и объясните изотермы реального газа.
Как уравнение Ваидер-Ваальса описывает пронесс фазового перехода вещества иэ жидкого состояния з газообразное? 4. В чем сущность и каковы причины эффекта Джоуля — Томсона? 5. Охарактеризуйте критическую температуру. 6. Какие методы сжнжения газов Вам известны? 7. В чем заключается явление сверхтекучести гелия? Примеры решения задач Задача 1ЗтС 0,7 кг азота заключено в баллоне емкостью 0,0224 ма, Определить давление газа на стенки баллона, внутреннее давление газа и собственный объем молекул. Температура газа 273 К. Постоянные Ваи. дер.Ваальса для азота: а = О,!3 мь кг/(мольз сз); Ь 4 ° 10 з мз/моль. Решение Д а яо р — ? Р— ? 1' 2) Внутреннее давление газа р* по формуле (13 1б) равно а Р рз где (г = — !' — объем одного моля газа. г М Следовательно, рь М' а Ф 3) Собственный объем моленул, заключенных в одном моле газа, по уравнению (!39) равен З/4. Поэтому искомый объем 0,7 кг, 273 К, 2,24 .
1О"з ма, м'кг 0,13 вольт сз ' 4 !О ь мз/моль, 8,31 Дж/(моль. К), 0,028 кг/моль !) Сжатый газ подчиняется уравнению Ван-дер- Ваальса (формула 13.19): Из этого уравнения выразим давление, производимое газом на стенки сосуда: Вычислении результатов производим в Международной снетеме единиц (С М НТ Ма 0,7 8,31 1Оа 273 р М (ьут 28 0,7 т' — — Ь ) 2,24,10 — †' 0,04 28 0,7 ° 1,3 1О' ) — Па = 2,49 1От Па, 28. (2,24 10 т)т М" а 0,7е 1,3 1О' ь рв 'т'в 28т (2,24 ° 10 т)в МЬ 07 004 — мз =2,5 10 ' и". 4р 4 ° 28 Гпава Х1У ЖИДКОСТИ $14.1.
Строение и некоторые свойства жидкостей 1 В предыдущей главе было показано, что при достаточ- но сильном сжатии любой газ может быть сжижен, если только он охлажден до температуры, меньшей критической. В результате даль- нейшего охлаждения все жидкости затвердевают и тела переходят нз жидкого состояния в твердое, По своим свойствам жидкости сходны как с газами, так н с тверды- ми телами. Так, например, подобно газам, жидкости принимают фор- му того сосуда, в котором они находятся. С другой стороны„подобно твердым телам, жидкости малосжимаемы, т.
е. имеют определенный собственный объем. Они обладают сравнительно большой плотностью и так же, как твердые тела, способны сопротивляться не только сжатию, но и растяжению. Двойственный характер свойств жидкостей связан с особенностями движения их молекул. В газах молекулы движутся совершенно ха- отично, в их расположении отсутствует какой бы то ни было порядок. Наоборот, в кристаллических твердых телах частицы колеблются около определенных положений равновесия, называе- мых узлами кристаллической решетки. Молекулы жидкости, подобно частицам твердого тела, совершают колебания около некоторых положений равновесия.
В отличие от твер- дых тел, эти положения равновесия каждой молекулы непостоянны. По истечении некоторого временит они смещаются на расстояния по- рядка 10' см. 2. Долгое время в физике и физической химии господствовало мнение, что жидкости по своим свойствам сходны с реальными газами. Такое направление объяснялось, во-первых, успехами ван-дер-вааль- совской теории, позволившей объяснить некоторье свойства жидко- стей, исходя из непрерывности перехода между газообразным и жид- ким состояниями вещества. Согласно этой теории жидкость рассмат- ривалн как реальный газ, сжатый до малого удельного объема внутренним давлением, обусловленным межмолекулярными силами сцепления. Опыты показали, что уравнение Ван-дер-Ваальса, строго говоря, не годится для вычисления параметров состояния жидкостей. Однако качественно это уравнение неплохо описывает некоторые особенности жидкостей. Например, способность жидкостей сопротивляться дефор- мации растяжения проявляется в том, что часть изотерм Ван-дер- Ваальса заходит в область отрицательных давлений (см.
рис. 13.7, изотерма Т = ТД. Жидкости могут беэ разрыва выдерживать очень большие растя- гивающие усилия, если эти усилия сводятся к всестороннему отрица- тельному давлению, исключающему возможность течения жидкости. Зто свойство можно обнаружить в следующем опыте. Ртуть, нагретую до достаточно высокой температуры, заливают в стеклянную пробирку, которую затем сверху запаивают так, чтобы ртуть полностью заполняла весь объем пробирки. Если затем пробирку охлаждать, то благодаря различию значений коэффициентов объемного расширения ртути н стекла (сзр„-з а„) (см.
9 15 2) ртуть подвергается всестороннему растяжению. Относительное объемное растяжение ртути может достигать 1,4ою что соответствует отрицательному давлению порядка 1От Па, причем эта величина ограничена не прочностью ртути на разрыв, а силами ее сцепления с поверхностью стекла. Приближение жидкостей по их свойствам к реальным газам в области высоких температур и больших удельных объемов проявляется, например, в том, что при повышении температуры уменьшаются коэффициент поверхностного натяжения жидкости и удельная теплота парообразования, а также сближаются значения плотностей кипящей жидкости и сухого насыщенного пара (см.
9 13,3). Вторая причина предположения о сходстве жидкостей по их свойствам с газами. а нес твердыми теламн„была связана с переоценкой различий в структуре у жидкостей и твердых тел. Наконец, третья причина состояла в различии механических свойств жидкостей н твердых тел, обнаруживающихся при действии на них скалывающих сил: текучесть — у жидкостей (см.
9 14.3), упругость сдвига — у твердых тел (см. 2 5.2). 3. Более глубокий анализ некоторых свойств жидких и твердых тел приводит к выводу, что различия между ними не хак велики. Опыт показывает, что кристаллические тела обладают текучестью, хотя и очень малой. Текучесть твердых тел проявляется в пластической деформации, возникающей под действием скалывающих усилий. В свою очередь жидкости обладают некоторой упругостью на сдвиг, которая обычно маскируется большой текучестью.
Так, в процессе затвердеваиия стекла текучесть последнего не исчезает внезапно, а постепенно уменьшается. При этом все большую роль начинают играть упругие свойства, характерные для твердого тела. Следовательно, текучесть и упругость нельзя считать свойствами, взаимно исключающими друг друга. В различных состояниях вещества они лишь в большей или меньшей степени маскируют друг друга.
4. Рентгеноструктурный анализ ' жидкостей показал, что при температурах, близких к температуре кристаллизации, расположение частиц в жидкостях не является совершенно беспорядочным (таким как в газах), а оказывается сходным с тем правильным расположением, которое присуще закристаллизовавшимся жидкостям. Результаты рентгенографического исследования строения жидкости свидетельствуют о том, что не все расстояния между молекулами равновероятны. Взаимное расположение соседних молекул подчиняется закономерности, в некоторой мере сходной с расположением соседних ' Злементарное знакомство с рентгеноструктурным анализом мы предполагаем известным из средней школы — 299— атомов в кристаллах.
Однако по мере увеличения расстояния г между молекулами ослабевает зависимость между расположением условно выбранной вначале «центральной» молекулы и ее более далеких соседей. При г- (3 — 14)т( (т( — эффективный диаметр молекул) такая зависимость, в отличие от кристаллов, практически отсутствует. В связи с этим говорят, что в жидкостях существует ближний порядок. Таким образом, ближний порядок — это своеобразный порядок в относительном расположении молекул жидкости, или их взаимной ориентации (если молекулы состоят из нескольких атомов), размывающийся по мере удаления от рассматриваемой («центральной») молекулы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
