lect2mol (Лекции Огурцова по физике)

65. Уравнение Клапейрона-КлаузиусаУравнение Клапейрона-Клаузиуса:dpL=dT T (V2 − V1 )позволяетопределить наклоны кривых равновесия.Здесь L — теплота фазового перехода (например, в случае плавления —удельная теплота плавления), (V2 − V1 ) — изменение объема вещества припереходе его из первой фазы во вторую, T — температура перехода(например, в случае плавления — температура плавления Tпл ).Поскольку L и T всегда положительны, то наклон кривой равновесияопределяется знаком (V2 − V1 ) . Так при испарении и сублимации объем всегдавозрастает, поэтому dp dT > 0 .При плавлении у большинства веществ объем возрастает, следовательноdp dT > 0 , т.е. увеличение давления приводит к повышению температурыплавления (сплошная КП на рисунке).Для некоторых веществ (вода, Ge, чугун) объем жидкой фазы меньшеобъема твердой фазы, т.е.

dp dT < 0 ; следовательно, увеличение давлениясопровождается понижением температуры плавления (штриховая линия нарисунке).66. Анализ диаграммы состояния.Диаграмма состояния, позволяет судить, в каком состоянии находитсяданное вещество при определенных p и T , а также какие фазовые переходыбудут происходить в том или ином процессе.Например, при условиях, обозначенных:точкой 1 вещество — в твердом состоянии (ТТ), 2—в газообразном (Г), 3— одновременно в жидком (Ж)и газообразном.При изобарном нагреве 4–5–6 в точке 5начинается плавление, 6— кипение.При изобарном нагреве 7–8 твердое телопревращается в газ, минуя жидкую фазу.При изотермическом сжатии 9–10 веществопройдет три состояния: газ–жидкость–кристалл.Криваяиспарениязаканчиваетсякритической точкой (К).

Поэтому возможеннепрерывный переход вещества из жидкого состояния в газообразное иобратно в обход критической точки, без пересечения кривой испарения(переход 11–12), т.е. такой переход, который не сопровождается фазовымипревращениями.Это возможно потому, что различие между газом и жидкостью являетсячисто количественным (оба эти состояния, например, являются изотропными).Переход же кристаллического состояния в жидкое или газообразное можетбыть только скачкообразным (в результате фазового перехода), поэтомукривые плавления и сублимации не могут обрываться, как это имеет местодля кривой испарения в критической точке.Кривая плавления уходит в бесконечность, а кривая сублимации идет вточку, где p = 0 и T = 0 .А.Н.Огурцов.

Лекции по физике.МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА2–32А.Н.ОгурцовЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕМОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА«Если бы в результате какой-то мировой катастрофы всенакопленные научные знания оказались бы уничтоженными ик грядущим поколениям живых существ перешла бы толькоодна фраза, то какое утверждение, составленное изнаименьшего количества слов, принесло бы наибольшуюинформацию? Я считаю, что это — атомная гипотеза(можете называть её не гипотезой, а фактом, но это ничего неменяет): все тела состоят из атомов — маленькихтелец, которые находятся в беспрерывном движении,притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать кдругому. В одной этой фразе, как вы увидите, содержитсяневероятное количество информации о мире, стоит лишьприложить к ней немного воображения и чуть соображения».Ричард Фейнман25th ed., 20022–22–31Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов1.

Статистический и термодинамический методы исследования.Молекулярная физика и термодинамика — разделы физики, в которыхизучаются зависимости свойств тел от их строения, взаимодействия междучастицами, из которых состоят тела, и характера движения частиц.Для исследования физических свойств макроскопических систем,связанных с огромным числом содержащихся в них атомов и молекул,применяют два качественно различных и взаимно дополняющих друг другаметода:статистический(илимолекулярно-кинетический)итермодинамический.Статистический метод — это метод исследования систем из большогочисла частиц, оперирующий статистическими закономерностями исредними (усредненными) значениями физических величин, характеризующихвсю систему.Этот метод лежит в основе молекулярной физики — раздела физики,изучающего строение и свойства вещества исходя из молекулярнокинетических представлений, основывающихся на том, что все теласостоят из атомов, молекул или ионов находящихся в непрерывномхаотическом движении.В дальнейшем мы будем использовать термин "молекула" имея ввидумельчайшую структурную единицу (элемент) данного вещества.Термодинамический метод — это метод исследования систем избольшого числа частиц, оперирующий величинами, характеризующимисистему в целом (например, давление, объем, температура) при различныхпревращениях энергии, происходящих в системе, не учитывая при этомвнутреннего строения изучаемых тел и характера движения отдельных частиц.Этот метод лежит в основе термодинамики — раздела физики,изучающего общие свойства макроскопических систем, находящихся всостоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этимисостояниями.2.

Термодинамическая система.Термодинамика имеет дело с термодинамической системой —совокупностьюмакроскопическихтел,которыевзаимодействуютиобмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешнейсредой).Термодинамические системы, не обменивающиеся с внешней средой ниэнергией, ни веществом, называются замкнутыми.Основа термодинамического метода — определение состояниятермодинамической системы.Состояние системы задается термодинамическими параметрами(параметрами состояния) — совокупностью физических величин,характеризующих свойства термодинамической системы.

Обычно в качествепараметров состояния выбирают температуру, давление и объем.Параметры состояния системы могут изменяться. Любое изменение втермодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из еетермодинамическихпараметров,называетсятермодинамическимпроцессом. Если для данной системы внешние условия не изменяются иА.Н.Огурцов. Лекции по физике.63. Фазовые переходы.Фазой называется термодинамически равновесное состояние вещества,отличающееся по физическим свойствам от других возможных равновесныхсостояний того же вещества.Переход вещества из одной фазы в другую — фазовый переход —всегда связан с качественными изменениями свойств веществ.Фазовый переход первого рода — это переход, сопровождающийсяпоглощениемиливыделениемтеплоты(например,плавление,кристаллизация). Он характеризуется постоянством температуры,изменениями энтропии и объема.Фазовый переход второго рода — переход не связанный с поглощениемили выделением теплоты и изменением объема.

Он характеризуетсяпостоянством объема и энтропии, но скачкообразным изменениемтеплоемкости.Фазовые переходы второго рода связаны с изменением симметрии:выше точки перехода система обладает более высокой симметрией, чем нижеточки перехода.Примеры фазовых переходов второго рода: переход ферромагнитныхвеществ при определенных давлениях и температуре в парамагнитноесостояние; переход металлов и сплавов при низких температурах всверхпроводящее состояние; превращение обыкновенного жидкого гелия всверхтекучий.64. Диаграмма состояния.Если система является однокомпонентной, т.е.

состоящей из химическиоднородного вещества или его соединения, то понятие фазы совпадает спонятием агрегатного состояния.Для наглядногоизображенияфазовыхпревращенийиспользуетсядиаграммасостояния, на которой в координатах ( p, T )задаетсязависимостьмеждутемпературойфазового перехода и давлением в виде кривыхиспарения (КИ), плавления (КП) и сублимации(КС), разделяющих поле диаграммы на триобласти,соответствующиеусловиямсуществования твердой (ТТ), жидкой (Ж) игазообразной (Г) фаз.Кривые на диаграмме называются кривымифазового равновесия, каждая точка на нихсоответствует условиям равновесия двух сосуществующих фаз.Тройной точкой называется точка, в которой пересекаются кривыефазового равновесия и которая, следовательно, определяет условия(температуру Tтри давлениеp тр ) одновременного равновесногососуществования трех фаз вещества.Тройная точка воды соответствует температуре 273,16 К (или 0,01оС пошкале Цельсия) и является основной реперной точкой для построениятермодинамической температурной шкалы.Молекулярная физика и термодинамика2–302–3т.е.

равна сумме атомных теплоемкостей элементов, составляющих этосоединения.Отклонения от закона Дюлонга и Пти (особенно при низких температурах)объясняются исходя из квантовых представлений.конденсациязатвердеваниесублимация (возгонка)испарениеплавление62. Изменение агрегатного состояния.И в жидкостях и в твердых телах всегда естьГАЗнекоторое число молекул, энергия которых достаточнадля преодоления притяжения к другим молекулам, икоторые способны покинуть поверхность жидкости илитвердого тела. Такой процесс для жидкости называетсяиспарением (или парообразованием), для твердых тел— сублимацией (или возгонкой).ЖИДКОСТЬКонденсацией называется переход веществавследствие его охлаждения или сжатия из газообразногосостояния в жидкое.Если число молекул, покидающих жидкость заединицу времени через единичную поверхность, равночислу молекул, переходящих из пара в жидкость, тонаступаетдинамическоеравновесиемеждуТВЕРДОЕ ТЕЛОпроцессами испарения и конденсации.

Пар, находящийсяв равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.Плавлением называется переход вещества из кристаллического(твердого) состояния в жидкое. Плавление происходит при определенной,возрастающейсувеличениемвнешнего давления, температуреплавления Tпл .В процессе плавления теплотаQ , сообщаемая веществу, идет насовершение работы по разрушениюкристаллическойрешетки,ипоэтому Tпл = const (рис.(а)) дорасплавления всего кристалла.Количество теплоты L , необходимое для расплавления 1кг вещества,называется удельной теплотой плавления.Если жидкость охлаждать, то процесс пойдет в обратном направлении(рис.(б), Q ′ — количество теплоты, отдаваемое телом при кристаллизации):сначала температура жидкости понижается, затем при постояннойтемпературе, равной Tпл , начинается кристаллизация.Для кристаллизациивеществанеобходимоналичиецентровкристаллизации — кристаллических зародышей, которыми могут быть каккристаллики образующегося вещества, так и любые инородные включения.Если в чистой жидкости нет центров кристаллизации, то она может бытьохлаждена до температуры, меньшей температуры кристаллизации, образуяпри этом переохлажденную жидкость (рис.(б) – пунктир).Аморфные тела являются переохлажденными жидкостями.А.Н.Огурцов.

Лекции по физике.состояние системы с течением времени не меняется, то эта системанаходится в термодинамическом равновесии.3. Температура.Температура — одно из основных понятий, играющих важнейшую роль вфизике в целом.Температура — физическая величина, характеризующая состояниетермодинамического равновесия макроскопической системы и определяющаянаправление теплообмена между телами.В настоящее время используют две температурные шкалы.Международная практическая шкала (шкала Цельсия ) градуированная вградусах Цельсия (°С) по двум реперным точкам — температурамзамерзания и кипения воды при давлении 1,013·105 Па, которые принимаютсясоответственно 0°С и 100°С.Термодинамическаятемпературнаяшкала(шкалаКельвина),градуированная в градусах Кельвина (К) определяется по одной реперной точке— тройной точке воды — температуре, при которой лед, вода инасыщенный пар при давлении 609 Па находятся в термодинамическомравновесии.