Лекция 17 Тема:

Лекция 17
Тема:
Силы межмолекулярного взаимодействия. Агрегатные
состояния вещества. Характер теплового движения молекул в твердых,
жидких и газообразных телах и его изменение с ростом температуры.
Тепловое расширение тел. Фазовые переходы. Теплота фазовых
переходов. Равновесие фаз.
Межмолекулярное взаимодействие имеет электрическую природу. Между ними
действуют силы притяжения и отталкивания, которые быстро убывают при увеличении
расстояния между молекулами.
Силы отталкивания действуют
только на очень малых расстояниях.
Практически поведение вещества и
его агрегатное состояние
определяется тем, что является
доминирующим: силы притяжения
или хаотическое тепловое движение.
В твердых телах доминируют силы
взаимодействия, поэтому они
сохраняет свою форму. Силы
взаимодействия зависят от формы и
структуры молекул, поэтому нет
единого закона для их расчета.
Однако, если представить, что
молекулы имеют шаровую форму –
общий характер зависимости сил
взаимодействия от расстояния
между молекулами –r представлен
на рисунке 1-а. На рисунке 1-б
представлена зависимость
потенциальной энергии
взаимодействия молекул от
расстояния между ними. При
некотором расстоянии r0 (оно
различно для разных веществ)
Fпритяж.= Fотталк. Потенциальная
энергия минимальна, при r<r0
преобладают силы отталкивания, а
при r>r0 – наоборот.
На рисунке 1-в продемонстрирован
переход кинетической энергии
молекул в потенциальную при их
тепловом движении (например
колебаниях). Во всех рисунках
начало координат совмещено с центром одной из молекул. Приближаясь к другой
молекуле ее кинетическая энергия переходит в потенциальную и достигает
максимального значения при
расстояниях r=d. d называется
эффективным диаметром молекул
(минимальное расстояние, на которое
сближаются центры двух молекул.
Понятно, что эффективный диаметр
зависит, в том числе, от температуры,
так как при большей температуре
молекулы могут сблизится сильнее.
При низких температурах, когда
кинетическая энергия молекул мала,
они притягиваются вплотную и
установятся в определенном порядке –
твердое агрегатное состояние.
Тепловое движение в твердых телах является в основном колебательным. При высоких
температурах интенсивное тепловое движение мешает сближению молекул – газообразное
состояние, движение молекул поступательное и вращательное. . В газах менее 1% объема
приходится на объем самих молекул. При промежуточных значениях температур
молекулы будут непрерывно перемещаться в пространстве, обмениваясь местами, однако
расстояние между ними не намного превышает d – жидкость. Характер движения молекул
в жидкости носит колебательный и поступательный характер ( в тот момент, когда они
перескакивают в новое положение равновесия).
Тепловое движение молекул объясняет явление теплового расширения тел. При
нагревании амплитуда колебательного движения молекул увеличивается, что приводит к
увеличению размеров тел. Линейное расширение твердого тела описывается формулой:
l  l 0 (1  t ) , где  - коэффициент линейного расширения 10-5 К-1. Объемное
расширение тел описывается аналогичной формулой: V  V0 (1  t ) , - коэффициент
объемного расширения, причем =3.
Вещество может находится в твердом, жидком, газообразном состояниях. Эти
состояния называют агрегатными состояниями вещества. Вещество может переходить из
одного состояния в другое. Характерной особенностью превращения вещества является
возможность существования стабильных неоднородных систем, когда вещество может
находится сразу в нескольких агрегатных состояниях. При описании таких систем
пользуются более широким понятием фазы вещества. Например, углерод в твердом
агрегатном состоянии может находится в двух различных фазах – алмаз и графит. Фазой
называется совокупность всех частей системы, которая в отсутствии внешнего
воздействия является физически однородной. Если несколько фаз вещества при данной
температуре и давлении существуют, соприкасаясь друг с другом, и при этом масса одной
фазы не увеличивается за счет уменьшения другой, то говорят о фазовом равновесии.
Переход вещества из одной фазы в другую называют фазовым переходом. При фазовом
переходе происходит скачкообразное (происходящее в узком интервале температур)
качественное изменение свойств вещества. Эти переходы сопровождаются
скачкообразным изменением энергии, плотности и других параметров. Бывают фазовые
переходы первого и второго рода. К фазовым переходам первого рода относят плавление,
отвердевание (кристаллизацию), испарение, конденсацию и сублимацию (испарения с
поверхности твердого тела). Фазовые переходы этого рода всегда связаны с выделением
или поглощением теплоты, называемой скрытой теплотой фазового перехода.
При фазовых переходах второго рода отсутствует скачкообразное изменение
энергии и плотности. Теплота фазового перехода тоже равна 0. Превращения при таких
переходах происходят сразу во всем объеме в результате изменения кристаллической
решетки при определенной температуре, которая называется точкой Кюри.
Рассмотрим переход первого рода. При нагревании тела, как отмечалось,
происходит тепловое расширение тела и как следствие уменьшения потенциальной
энергии взаимодействия частиц. Возникает ситуация, когда при некоторой температуре
соотношения между потенциальной и кинетической энергиями не могут обеспечить
равновесии старого фазового состояния и вещество переходит в новую фазу.
Плавление – переход из кристаллического состояния в жидкое. Q=m,  удельная теплота плавления, показывает какое количество теплоты необходимо, чтобы
перевести 1 кг твердого вещества в жидкое при температуре плавления, измеряется в
Дж/кг. При кристаллизации выделяющееся количество теплоты рассчитывают по этой же
формуле. Плавлении и кристаллизация происходят при определенной для данного
вещества температуре, называемой температурой плавления.
Испарение. Молекулы в жидкости связаны силами притяжения, однако некоторые,
самые быстрые молекулы могут покидать объем жидкости. При этом средняя
кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается и жидкость охлаждается. Для
поддержания испарения необходимо подводить тепло: Q=rm, r – удельная теплота
парообразования, которая показывает какое количество теплоты необходимо затратить,
чтобы перевести в газообразное состояния 1 кг жидкости при постоянной температуре.
Единица: Дж/кг. При конденсации теплота выделяется.
Теплота сгорания топлива рассчитывается по формуле: Q=qm.
В условиях механического и теплового равновесия состояния неоднородных
систем определяются заданием давления и температуры, так как эти параметры
одинаковы для каждой из частей системы. Опыт показывает, что при равновесии двух фаз
давление и температура связаны между собой зависимостью, представляющей собой
кривую фазового равновесия.
Точки, лежащие на кривой, описывают неоднородную систему, в которой существуют две
фазы. Точки, лежащие внутри областей, описывают однородные состояния вещества.
Если кривые всех фазовых равновесий одного вещества построить на плоскости, то они
разобьют ее на отдельные области, а сами сойдутся в одной точке, которая называется
тройная точка. Эта точка описывает состояние вещества, в котором могут
сосуществовать все три фазы. На рисунке 2 построены диаграммы состояния воды.
Тройная точка, соответствующая 00С равновесие льда, воды и пара.