[Физика зачет 24] Силы межмолекулярного взаимодействия. Агрегатные состояние вещества. Характер теплового движения молекул в твердых, жидких, газообразных телах и его изменение с ростом температуры. Тепловой расширение тел. Линейное расширение твердых тел при нагревании. Объемное тепловое расширение твердых тел и жидкостей. Переходы между агрегатными состояниями. Теплота фазового перехода. Равновесие фаз. Уравнение теплового баланса.
Тепло есть не что иное, как энергия в пути, вызванная различиями в температуре, т.е. если два тела при разных температурах объединяются, тепловая энергия тела с более высокой температурой будет автоматически передаваться в тело с более низкой температурой. эту вытесненную энергию мы называем теплотой.
В этом случае мы будем иметь два типа тепла: разумное тепло, такое количество тепла, которое организм дает или поглощает, вызывая только изменение температуры, и скрытое или скрытое тепло, которое представляет собой количество тепла, получаемого или поглощаемого, вызывающее только изменение в физическое состояние.
Силы межмолекулярного взаимодействия.
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.
Существуют три формы теплопередачи: теплопроводность, когда энергия переносится от молекулы к молекуле, находящейся в твердых телах; тепловая конвекция, которая возникает в жидких веществах, а термическое облучение, когда тепло передается или облучается с помощью электромагнитных волн, происходит, например, между Солнцем и Землей и в микроволновой печи.
Что касается дилатации тел, то это три типа, поскольку существует три физических состояния материи. Что касается формул, вы должны получить их в любом учебнике физики средней школы. Изменение температуры может изменить величину тела, например: давление газа, цвет и металл, электрическое сопротивление проводника электричества, высоту колонны ртути и т.д.
Агрегатные состояние вещества.
- способностью (твёрдое тело) или неспособностью (жидкость, газ, плазма) сохранять объём и форму ,
- наличием или отсутствием дальнего (твёрдое тело) и ближнего порядка (жидкость), и другими свойствами.
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).
Теперь вы начинаете изучение термического расширения, которое связано с изменением размеров тела из-за изменения температуры. В дополнение к конструкции термометров тепловое расширение позволяет использовать множество других применений, среди которых можно упомянуть биметаллический клинок, прибитый к устройствам пожарной безопасности, и автоматические выключатели, которые выключают электрическую цепь, когда происходит нежелательное повышение температуры.
Когда температура повышается, кривые биметаллических лопастей из-за дилатаций, которые возникают на его поверхностях, состоят из разных металлов. Другим применением является клепка листового металла. Эксперименты показывают, что пластинчатые отверстия увеличиваются по мере их повышения температуры. Отверстия меньшего диаметра, чем заклепки, нагреваются и расширяются, что позволяет использовать фитинги. Когда пластины охлаждают, отверстия сжимаются и надежно затягиваются на заклепках.
Тепловое расширение тел.
Тепловое движение молекул объясняет явление теплового расширения тел. При
нагревании амплитуда колебательного движения молекул увеличивается, что приводит к
увеличению размеров тел.
Линейное расширение твердых тел при нагревании.
Линейное расширение твердого тела описывается формулой: L=L0(1+at) , где a - коэффициент линейного расширения ~10^-5 К^-1.
Часто, однако, тело может нанести ущерб. Так обстоит дело, например, когда железнодорожные пути деформируются после повышения температуры. В этом случае компенсационные швы были недостаточными. На рисунке показан металлический брусок с двумя разными температурами.
Константа пропорциональности, которая преобразует это соотношение в равенство, является коэффициентом линейного расширения материала, с которым была построена деталь. Константа пропорциональности является коэффициентом поверхностного разложения, так что.
Используя те же предыдущие рассуждения и вводя коэффициент объемного расширения, такой, что. «Полые тела расширяются, как если бы они не были пустыми». «Большую часть времени жидкости расширяются гораздо больше, чем контейнеры, которые их содержат». Как следствие, если при определенной температуре контейнер полностью заполнен, при нагревании сборки произойдет утечка части жидкости, содержащейся в контейнере. В объем разлитой жидкости мы даем название.
Объемное тепловое расширение твердых тел и жидкостей.
Объемное расширение тел описывается аналогичной формулой: V = V0(1+Bt), B- коэффициент объемного расширения, причем B=3a.
Переходы между агрегатными состояниями.
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.
Все вещество, в зависимости от температуры, может иметь место в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Возможные изменения состояния, когда вещество получает или дает тепло, приведены на рисунке ниже. Когда при постоянном давлении вещество получает разумное тепло, его температура увеличивается: если тепло скрыто, происходит изменение состояния, поддерживающее ту же температуру.
На графике показано изменение температуры вещества в зависимости от поглощаемого им тепла. Каждый раздел диаграммы показывает. Некоторые авторы классифицируют твердый и газообразный проход как прямую сублимацию или первую сублимацию, а газообразный проход твердый как обратная сублимация или вторая сублимация.
Изменение линейных размеров тела при нагревании пропорционально изменению температуры.
Подавляющее большинство веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты , поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же и жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул (см. Закон Бойля—Мариотта , Закон Шарля , Уравнение состояния идеального газа).
Отопление - это почти мгновенный процесс. Поскольку мы наблюдаем, как капли воды падают на очень горячую плиту, мы замечаем, что капли быстро испаряются, излучая характерный хрип. Количество тепла, участвующего в изменении состояния, связано с определением скрытой теплоты.
При постоянном давлении каждое вещество подвергается изменению состояния при определенной температуре. При постоянном давлении во время изменения состояния температура остается постоянной. При тех же условиях количество тепла, получаемого или получаемого данным веществом при изменении состояния, по абсолютной величине равно единице его массы.
Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ΔТ расширяется на величину ΔL , равную:
ΔL = αL ΔT
где α — так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.
Давление влияет на температуры, при которых происходят изменения в физическом состоянии. Почти все вещества, при плавлении, увеличивают объем. Однако есть некоторые исключения, такие как вода, серебро, сурьма, висмут, которые уменьшаются по объему при их таянии.
Давление влияет на температуру плавления этих двух групп по-разному, давайте посмотрим. Вещества, которые увеличиваются в объеме в расплаве. Вещества, которые тают. Все, что было сказано о температуре плавления, также справедливо для температуры затвердевания.
Влияние давления на кипение намного проще, чем на слияние, поскольку правило теперь уникально. Термическая дилатация - это изменение, которое происходит в размере или объеме тела при термическом нагревании. Поскольку тела состоят из атомов, связанных друг с другом, воздействие тепла заставляет их агитировать, увеличивать расстояние между ними и раздуваться.
Для инженеров тепловое расширение — жизненно важное явление. Проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от —40°C до +40°C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их специальными термическими буферными сочленениями , которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные жестко ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу. На длинном мосту может насчитываться довольно много таких буферов.
В зависимости от наиболее значительных расширенных размеров тел дилатация классифицируется как линейная, поверхностная и объемная. Во-первых, давайте возьмем данные из инструкции. Чтобы узнать окончательный размер стальной проволоки, мы должны добавить начальную длину с ее изменением.
Коэффициент расширения алюминия составляет 10-6. . При какой температуре вода начнет перетекать из бутылки? Поскольку мы имеем объемы как бутылки, так и воды, нам нужно рассчитать вариации каждого из них, что делается следующим образом. Чтобы узнать конечную температуру, мы должны добавить начальную температуру с ее изменением.
Однако не все материалы, особенно это касается кристаллических твердых тел, расширяются равномерно по всем направлениям. И далеко не все материалы расширяются одинаково при разных температурах. Самый яркий пример последнего рода — вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ. Однако, начиная с +4°C и до точки замерзания 0°C вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании (с точки зрения приведенной выше формулы можно сказать, что в интервале температур от 0°C до +4°C коэффициент теплового расширения воды α принимает отрицательное значение). Именно благодаря этому редкому эффекту земные моря и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4°C становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4°C.
Обычно, когда мы нагреваем какое-то тело или какое-то вещество, оно имеет тенденцию к увеличению его объема. Важно знать, что это явление, которое есть в нашей повседневной жизни. Рельсы поезда, которые расширяются, электрические кабели, бетонные плиты виадука и другие случаи. Существует также расширение, в котором, и мы изучим его особенности позже.
Начнем с обсуждения дилатации в твердых телах. Для более детального изучения мы можем разделить эту дилатацию на три типа: линейную дилатацию и объемную дилатацию. Давайте посмотрим на каждую из расширений. Линейная дилатация: это та, в которой преобладает вариация в одном измерении, т.е. длина.
То, что лед имеет удельную плотность ниже плотности воды, — еще одно (хотя и не связанное с предыдущим) аномальное свойство воды, которому мы обязаны существованием жизни на нашей планете. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они, опять же, вымерзли бы до дна, убив всё живое.