Твердые тела и их свойства
Твердое вещество используется человеком с давних пор. Это основной материал, из которого создаются орудия труда и различные приспособления, использующиеся в нашей жизни. На заре человеческой истории человек мог использовать лишь механические свойства этих тел. В наши дни используются также электрические, магнитные, тепловые и другие свойства твердого вещества. Благодаря широкому использованию твердых тел человечество накопило большой эмпирический материал об их свойствах, который лег с основу теории твердого тела, созданной в классической науке.
Твердые вещества – это тела, отличающиеся постоянством формы и объема.
Твердые тела могут существовать в двух состояниях – кристаллическом и аморфном. Кристаллы характеризуются так называемым дальним порядком расположения атомов, который выражается в строгой повторяемости во всех направлениях одного и того же структурного элемента на протяжении сотен и тысяч периодов кристаллической решетки. Кристаллическое состояние является устойчивым состоянием всех твердых тел. Существуют монокристаллы – тела, имеющие форму правильных многогранников. Но большинство твердых тел являются поликристаллами, имеющими мелкокристаллическую структуру и состоящими из большого числа сросшихся, мелких, хаотично расположенных кристаллических зерен.
В аморфных телах дальний порядок отсутствует, поэтому аморфные тела можно рассматривать как жидкости с очень большой вязкостью. В аморфном состоянии могут находиться обычное стекло, сера, глицерин, а также многие полимеры, состоящие из большого числа повторяющихся групп атомов. Аморфные вещества при определенных условиях переходят в твердое состояние.
Свойства:
1.Твердые тела обладают механическими свойствами, которые проявляются в ответ на внешние механические воздействия– сжатие, растяжение, изгиб, удар и т.д. В зависимости от внутреннего строения, наличия дефектов, специфики обработки твердые тела могут быть хрупкими или пластичными.
2.С точки зрения электрических свойств все твердые тела делятся на металлы, полупроводники и диэлектрики.
3.По магнитным свойствам выделяют диамагнетики (вода, соль, золото), парамагнетики (алюминий, литий, калий), ферромагнетики (железо) и антиферромагнетики (некоторые редкоземельные элементы).
4.При повышении температуры твердые тела увеличивают свои линейные размеры и объем – это так называемое тепловое расширение твердых тел. Сильное нагревание может привести к переходу вещества в жидкую (плавление) или газообразную (сублимация, возгонка) фазу.
5.Твердые тела способны деформироваться при изменении температуры или внешнем силовом воздействии. После прекращения воздействия деформация может исчезнуть (упругая деформация) или остаться (остаточная деформация).
Объединенный газовый закон
Объединяя законы Бойля - Мариотта и Гей-Люссака , можно получить следующее уравнение:
(3)
Которое является математическим выражением объединенного газового закона, или закона состояния газов. Он позволяет вычислить, например, объем газа при определенных температуре и давлении, если известен его объем при других значениях температуры и давления.
Объединенный газовый закон можно также записать в другой форме:
Точное значение постоянной в правой части этого уравнения зависит от количества газа. Если количество газа равно одному молю (см. гл. 4), то соответствующая постоянная обозначается буквой R и называется молярная газовая постоянная, или просто газовая постоянная. Если давление выражено в атмосферах, постоянная R имеет значение
R = 8,314 Дж*К* моль-1
Объединенный газовый закон для одного моля газа приобретает вид
где Vm- объем одного моля газа. Для п молей газа получается уравнение
(4)
В такой форме объединенный газовый закон называется уравнением состояния идеального газа. Уравнение состояния это уравнение, связывающее между собой параметры состояния газа-давление, объем и температуру.
Газ, который полностью подчиняется уравнению состояния идеального газа, называется идеальный газ. Такой газ не существует в действительности. Реальные газы хорошо подчиняются уравнению состояния идеального газа при низких давлениях и высоких температурах. Отклонения в поведении реальных газов от предписываемых уравнением состояния идеального газа подробно обсуждаются ниже.
Вычисление относительной молекулярной массы с помощью уравнения состояние идеального газа. Уравнение состояния идеального газа позволяет проводить прямые вычисления относительной молекулярной массы газа M1. Введем понятие относительной молекулярной массы, основываясь на уже знакомом нам определении относительной атомной массы A1. Для газа, состоящего из простых молекул, относительная молекулярная масса представляет собой сумму относительных атомных масс всех атомов, входящих в молекулу. Например, для диоксида углерода
Относительная молекулярная масса, выраженная в граммах на моль, называется молярной массой .Следовательно, молярная масса CO2 равна 44 г/моль. Два моля CO2 имеют массу 88 г, а и молей-массу п -44 г. В общем случае можно записать
где n-количество вещества в молях (т.е. число молей данного вещества), т-масса вещества в граммах, a M-его молярная масса.
Подстановка полученного выражения для получения в уравнение состояния идеального газа (4) дает
(5)
Это уравнение позволяет, зная массу и объем газа при определенных температуре и давлении, вычислить его молярную массу М. А поскольку
M = M (г/моль), то полученный результат непосредственно дает относительную молекулярную массу М.