Реальные газы, жидкости и твердые тела

Твердые тела
Твердые тела образуются за счет сильного межмолекулярного взаимодействия. Это взаимодействие связывает между собой все атомы и молекулы и заставляет их образовывать определенную кристаллическую структуру. Для изучения кристаллических структур различных твердых тел создан специальный раздел физики - кристаллография. Мы здесь рассмотрим простейшие кристаллические структуры и некоторые термодинамические свойства твердых тел. Физические и механические свойства кристаллов зависят не только от химических элементов, составляющих кристалл, но и от их расположения. Так, например, кристаллы мягкого материала - графита и кристаллы сверхтвердого материала - алмаза образованы атомами углерода. Различие между этими кристаллами заключается только в расположении атомов в кристаллической решетке. В принципе, графит м ожно превратить в алмаз, если произвести
соответствующее фазовое превращение. Многие металлы имеют сравнительно простые кристаллические решетки. Из них можно выделить ГЦК, ОЦК и гексагональную структуры. Эти кристаллические решетки показаны на рисунке. Атомы совершают колебания около положений равновесия. Если для средней энергии атома кристалла использовать закон Больцмана , то полагая (три колебательных степени свободы), получим энергию одного моля . Соответственно, молярная теплоемкость при постоянном объеме . Это утверждение составляет содержание закона Дюлонга и Пти и хорошо выполняется при не очень низких температурах. График зависимости теплоемкости от температуры, полученный в эксперименте, показан на рисунке. Отклонения от закона Дюлонга и Пти при низких температурах связано с квантовыми эффектами и не могут быть объяснены в рамках классической физики. Отметим, что при повышении температуры размеры твердых тел меняются незначительно, поэтому и
зохорическая и изобарическая теплоемкости мало
различаются между собой . . Фазовые превращения Фазой называется термодинамически равновесное состояние вещества, отличающееся по физическим свойствам от других возможных равновесных состояний. Фазу следует отличать от агрегатного состояния, под которым понимают твердое, жидкое или парообразное состояние вещества. В одном и том же агрегатном состоянии могут существовать различные фазы. Так, например, кристаллическое железо может существовать в ферромагнитном и парамагнитном состояниях, которые образуют две различные фазы железа. Фазовым переходом первого рода называют фазовый переход, который сопровождается поглощением или выделением теплоты. Простейшие примеры фазовых переходов первого рода - плавление, испарение, сублимация. Для описания фазовых переходов первого рода вводят величины, называемые скрытыми теплотами фазовых переходов (скрытая теплота превращения): теплота п лавления, теплота испарения и др. Фазовым переходом второго рода называют фазовый переход, не связанный с поглощением или выделением тепла. Примеры фазовых переходов второго рода - потеря или приобретение ферромагнитных или сегнетоэлектрических свойств, сверхпроводящий переход, изменение типа кристаллической решетки. Обычно фазовые переходы второго рода связаны с изменением симметрии кристалла. Фазовые переходы обычно описывают в рамках статистической физики и термодинамики. . Диаграмма состояния Для наглядного изображения фазовых превращения используются диаграммы состояния. Для этого в термодинамических координатах (обычно P-T) показывают различные состояния вещества. Кривые, р азделяющие твердую и жидкую фазу, а также твердую и газообразную фазы, пересекаются в некоторой точке (Ртр,Ттр). В этой точке находятся в равновесии три фаза вещества: твердая, жидкая и газообразная. Соответствующая точка называется тройной точкой. Нетрудно видеть, что тройная точка находится на пересечении трех кривых, каждая из которых разделяет две фазы. При этом наклон кривой, разделяющей твердую и жидкую фазы, может быть как положительным, так и отрицательным.

Для веществ с несколькими кристаллическими модификациями диаграмма состояния может иметь более сложную форму. В заключение отметим, что кривая испарения заканчивается в точке К. Если эту точку обойти по кривой 3-4, то мы совершим переход из жидкого состояния в газообразное без пересечения кривой испарения, т.е. без фазового перехода. Это связано с тем, что различие между жидким и газообразным состояниями носит качественный характер. Переход из твердого состояния в газообразное по такой кривой невозможен. Список использованной литературы и источников 1. Трофимова Т.И. Курс физики, М.: Высшая школа, 1998, 478 с. . Трофимова Т.И. Сборник задач по курсу физики, М.: Высшая школа, 1996, 304с . Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики, СПб.: «Специальная литература», 1999, 328 с. . Трофимова Т.И., Павлова З.Г. Сборник задач по курсу физики с решениями, М.: Высшая школа, 1999, 592 с. . Все решения к «Сборнику задач по общему курсу физики» В.С. Волькенштейн, М.: Аст, 1999, книга 1, 430 с., книга 2, 588 с. . Красильников О.М. Физика. Методическое руководство по обработке результатов наблюдений. М.: МИСиС, 2002, 29 с. . Супрун И.Т., Абрамова С.С. Физика. Методические указания по выполнению лабораторных работ, Электросталь: ЭПИ МИСиС, 2004, 54 с.