belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Жидкость не кипит, хотя температура выше температуры кипения при данном давлении. Если теперь внести в жидкость неоднородности, которые могут послужить зародьппами говоря проще, насыпать немного песка —.. перегретая жидкость вскипает так бурно, что это напоминает взрыв. При подготовке опыта по демонстрации перегрева воды ее, кроме всего прочего, необходимо предварительно прокипятить. Это делается для того, чтобы удалить растворенный воздух: растворимость газов при повышении температуры падает. Иначе пузырьки образует выделяющийся при нагреве воздух, который и препятствует схлопыванию пузырьков.
Обычно именно растворенный в воде воздух и создает первоначальный эффект кипения. Аналогичным образом можно получить и переохлвжденную жидкость. Однако, как перегретая жидкость или переохлажденный пар, так и переохлажденная жидкость состояния весьма неустойчивые. Достаточно встряхнуть сосуд с переохлажденной водой, и начнется ее замерзание, образование твердой фазы — льда. Иначе обстоит дело, когда речь идет о взаимных переходах различных твердых фаз.
В кристаллах подвижность атомов существенно ограничена, поэтому самопроизвольное образование зародышей новой фазы затруднено. Да если даже зародыши имеются, процесс перестройки кристаллической решетки может растянуться на значительное время. Самый яркий пример углерод. При условиях, близких к нормальным, равновесной фазой углерода является графит. Алмаз, как разновидшх:ть кристаллического углерода, является равновесной фазой лишь при давлениях свыше 20 тыс. атм (2. 1О Па).
Однако, возникшие когда-то кристаллы алмаза не превратились в графит, хотя находятся в метвстабильном состоянии миллионы, а может быть, десятки и сотни миллионов лет. Хамера Вильсона и пузырьковая камера. Необходимость наличия зародышей для образования новой фазы при незначительном переходе через равновесие используется в физических экспериментах для регистрации заряженных частиц. Ионы притягивают полярные молекулы, образуя центры конденсации в переохлажденном паре. На этом эффекте основано действие камеры Вильсона.
В резервуаре А (рис. 3.13) находится близкий к насыщению пар. Если поршень П быстро опустить, из-за охлаждения при адиабатическом расширении пар становится псресыщенным. Однако, когда центры конденсации отсутри 3 13 ствуют, жидкость пе образуется. Если же в этот момент через камеру пролетает заряженная частица, она на своем пути образует ионы, па которых, в свою очередь, как на центрах конденсации, образуются капельки воды.
На сделанном в это время фотоснимке виден след заряжешюй частицы. Если камера находится в магнитном поле, по характеристикам следа можно определить, например, удельный зарятт частицы, ее энергию. ЗЛ. ТЕРМОДИНАМИКА ДИЭЛЕКТРИКОВ И МАГНЕТИКОВ На подобном принципе работает и пузырьковая камера. В ней нагревается жидкость, затем при резком уменьшении давления она становится перегретой, но не кипит, так как из нее тщательно удалены посторонние тела, которые могут способствовать образованию зародышей газовой фазы.
Пузырьки пара. как и в камере Вильсона, образуются па пути заряженных частиц. ?Кидкость плотнее пара, и частицы быстрее, чем в камере Вильсона, расходуют свою энергию. Поэтому в пузырьковой камере нередко удается наблюдать даже след весьма энергичной частицы вплоть до ее остановки. Камера Вильсона и пузырьковая камера служат важными инструментами изучения элементарных частиц.
3.4. Термодинамика диэлектриков и магнетиков Практически все вещества в той или иной степени взаимодействуют с электрическим и магнитным полями. Поэтому при наличии полей они приобретают некоторую дополнительную энергию. Обьемную плотность энергии электромагнитного поля в веществе можно представить в видо (см. часть П) (Е Р) (Н В) 2 2 Ограничимся простейшим случаем линейных диэлектриков и магнетиков, т. е. будем полагать 1? = есоЕ, Н = В/прш считая е и р скалярными величинами, не зависящими соответствесшо от Е и В.
Тогда соотношение (3.27) можно представить в одной из следуюсцих форм: К7? НВ ее,К' дд,Н' 1?' В' ш — + — + — + . (3.28) 2 2 2 2 2сео 2рро Все термодинамические сзеличины внутреннюю энергию О', .энтропию Я, свободную энергию г', потенциал Гиббса Ф в настоящем параграфе будем относить к единице обьема (а но к молю, как это подразумевалось обычно ранее) . Диэлекгприки. Будем считать, что плотность диэлектрика практически не меняется при включении электрического поля. Тогда можно не учитывать изменения объема, механическая работа Рс1Г=О, и с учетом работы электрического поля бА' = Ес11? первое начало можно записать в виде с1бс = Тс1Я+ Бс1т?. (3.29) Вспоминая, что г' = 17 — ТЯ, мы можем получить выражение для дифференциала свободной энергии (3.30) Если температура постоянна, работа системы равна убыли свободной энергии, т.
е. ЕЖЭ приращение именно свободной энергии, и электрические слагаемые в формуле (3.28) относятся именно к свободной энергии поля в диэлектрике. Чтобы рассмотреть важный случай, когда поляризуемость диэлектрика с3, а зна сит, и проницаемость в =1 +,3, зависят от температуры, введем еще Гл. 3. пРилОжения 3АкОнОВ теРмОдинлмики 260 потенциал Гиббса для электрического поля Ф = Š— ЕР. Его дифференциал с1Ф = — о'с1Т вЂ” Вс1Е, т. е.
Соотноше|сие Максвелла для перекрестных производных дает (если е и р' не зависят от Е): дЕ дТ дТ с1Т с) Т Так как (дЬ)дТ)ь, = е/Т, где е -" теплоемкость при постоянных Е и 1с, т. е. просто теплоемкость сь единицы объема, в переменных Т и Е (при постоянном объеме) имеем е с16 с1В = —, с1Т+ ео — ЕЕЕ Т с1Т (3.31) Из соотношения (3.31) нетрудно усмотреть (при условии ое/с)Т ~- 'О) возможность элекппрокалоричеекого эффекта:.
при адиабатическом изменении поля в силу неизменности энтропии должно происходить изменение температуры диэлектрика. Эффект этот очень слаб. Магнетпини. Термодинамика магнетиков во многом аналогична термодинамике диэлектриков. Магнитные члены в выражениях (3.27), (3.28) также имеют смысл свободной энергии, которая равна Г = Н вЂ” ТВ, и ее дифференциал принимает вид (3.32) с)Е = — В с)Т + Н с)В.
Потенциал Гиббса Ф = Š— НВ, и его дифферс'.нциал с1Ф = — Б с1Т вЂ” Вс1Н. (3.33) Читатель, повторив выкладки, приведшие к формуле (3.31), может получить для магпетиков соотношение с1В = — йТ+ р„— Нс1Н. е йр с1Т (3.34) Отсюда вытекает возможность практически важного лсагнитокалорического эффекта: Т с)р с1Т = — ро — — Н с1Н = — ро — — Нс)Н (3.35) с с1Т с с)Т где Х = р, — 1 — магнитная восприимчивость вещества. Для многих парамагнетиков в широком диапазоне значений температуры и поля справедлив закон Кюри-.Веиееа: Х7Т = сопз1.
Тогда с)Х7с)Т = — Х7Т, и мы получаем с)Т = р — Нбн. Х е Отсюда видно, что адиабатическое размагничивание парамагнетика приводит к его охлаждению. Если поле меняется от величины Н до нуля, изменение температуры оказывается равным ЬТ = — рзХН~((20).
При достаточно низких температурах теплоемкость с — > О, и относительное изменение температуры может быть достаточно значительным. Заметно ниже 1 К магнитное охлаждение является одним из основных методов дальнейшего понижения температуры. З.З. НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 261 3.5. Низкие температуры Низкие температуры представляют болыпой интерес со многих точек зрения.
Например, применение кислорода в сталелитейной промышленности позволяет повысить качество стали и производительность конверторов. В то же время эффективное выделение кислорода возможно только из жидкого воздуха, получение которого связано с глубоким охлаждением. Эти две проблемы получение низких температур и сжижение газов неразрывно свя:5аны друг с другом. История сжижения газов берет свое начало с середины Х'51П1 в., когда был сжижен аммиак 1зНз (ван Марум). Аммиак, серный ангидрид ВОЗ (Монж и Клуэ), позже хлор (Нортмор, 1805) удалось перевести в жидкое состояние просто охлаждением в смесях солей. Температура плавления смесей во многих случаях ниже, чем у веществ, из которых они состоят.
Так, поваренная соль МаС1 плавится при 800'С, хлористый кальций СаС12 при 772'С, лед, как известно, при пуле. В то же время температура плавления смеси льда и 22 5Уо ХаС1 имеет точку плавления — 21'С, смесь льда и 33 % СаС12 плавится при — 55'С. На этом эффекте основано применение соли для предотвращения гололедицы. Лед посыпают солью, и он тает, даже если температура воздуха заметно ниже нуля. При ограниченном теплоподводе теплота плавления отнимается от самой смеси и смесь охлаждается. Коли система достаточно хорошо теплоизолирована, в течение достаточно большого времени в ней поддерживается температура плавления смеси. Аммиак и хлор имеют температуру кипения при нормальном давлении около — 37'С, разные м1щификации серного ангидрида: от — 18'С до — 42'С, и их удается получить в жидком виде, просто помещая сосуд с газом в тающую соляную смесь.
Можно для понижения температуры использовать охлаждение жидкости при интенсивном испарении. Этот эффект применяется, в частности., в приборах для контроля влажности воздуха в помещении, так называемых психрометрах. Это просто пара одинаковых термометров, один из которых обернут в тряпочку с опущенным в воду концом. Чем меньше влажность воздуха, тем интенсивнее с тряпочки испаряется вода, тем больше ох.лаждается этот «влажный» термометр, и по разности показаний с «сухим» термометром можно определить влажность окружающего воздуха.
При достагочно сильном сжатии, если давление газа превышает определенное значение, он сжижается и без охлаждения. С этим явлением мы встречаемся при использовании бытовых газовых баллонов, заполняемых жидкой бутан-пропановой смесью (у пропана СЗНв давление насыщенного пара при комнатных температурах 8 — 12 атм, .у бутана С4Н1в 2 — 3 атм). Таким компрессионным методом Баччелли (1812) удалось получить жидкий аммиак, давление насыщенного пара над которым при комнатных темпсрагурах составляет 5 10 атм. Новый этап начинается с опытов Ш. Каньяр де Латура (1822) и М. Фарадея (1823).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
