Тема 3.10 Реальні гази.
Тема 4.1 Тверді тіла: кристалічні і аморфні. Моно і полікристали. Кристалографічна ознака кристалів. Типи кристалів відповідно до фізичної ознаки. Дефекти в кристалах. Випаровування,сублімація, плавлення і кристалізація. Фазові переходи. Діаграма стану. Потрійна точка. Аналіз експериментальної діаграми стану.
Анізотропія кристалів
Різні тверді тіла в природі можна поділити на дві групи, які
відрізняються своїми властивостями. Першу групу утворюють кристалічні, другу - аморфні тіла.
Відмітною рисою кристалічного стану речовини є анізотропія - залежність ряду фізичних властивостей, таких, як швидкість поширення світла, теплопровідність, модуль пружності тощо, від напряму. Тіла, властивості
яких однакові в усік напрямах, називають ізотропними. Ізотропними є гази,
більшість рідин і аморфні тіла.
Причиною анізотропії кристалів є впорядковане розміщення атомів,
які утворюють просторові ґрати. Щоб уявити собі просторові ґрати, тре-
ба в думці сполучити сусідні точки, в яких розміщені центри атомів крис-
тала. Ці точки називають вузлами кристалічних ґрат. У вузлах ґрат мо-
жуть бути розміщені як поодинокі атоми (рис. 8.1), так і група атомів або
іони (рис. 8,2).
Щоб пояснити анізотропію, проаналізуємо будову кристала. Як прик-
лад розглянемо будову кристала графіту, зображеного на рис. 8.3
рис.
8.3
Атоми вуглецю в цьому кристалі розміщені в .площинах, які лежать одна від одної на деякій певній відстані. Відстань між атомами, розміщеними в одній площині, менша за відстань між площинами; отже, і сили взаємодії між ато-
мами, які лежать в одній площині, більші від сил взаємодії між атомами
різних площин. Тому кристал графіту найлегше зруйнувати в напрямі,
паралельному атомним площинам.
Монокристали і полікристали
Більшість твердих матеріалів - полікристолічні; вони складаються з безлічі безладно орієнтованих, дрібних кристалічних зерен – кристалітів - дрібних монокристалів. Кожний з дрібних монокристалів анізотропний, але оскільки кристалики орієнтовані хаотично, то в цілому полікристалічне тіло ізотропне. Якщо монокристали яким-небудь способом орієнтувати в певному напрямі, наприклад прокатуванням, то кристалічне тіло стає анізотропним.
Великі поодинокі кристали називають монокристалами. Великі кристали в природі бувають дуже рідко. Потреба науки і техніки в кристалах велика, їх широко застосовують у радіотехніці, оптиці та інших галузях промисловості та сільського господарства. Наприклад, кристали рубіну використовують у квантових генераторах світла - лазерах. За допомогою кристалів сегнетової солі добувають ультразвукові коливання. Тепер штучно виготовляють монокристали багатьох речовин; кварцу, алмазу,рубіну тощо. Щоб виростити кристали, погрібні особливі умови.
На приклад, для виготовлення алмазу потрібні тиск 104 МПа і температура
1530 °С.
Атомам того самого хімічного елемента можуть відповідати різні за
якостями кристалічні структури. Вуглецю властиві шарувата структура, графіту і просторова структура алмазу, властивості яких цілком різні.
І молекул води може складатися лід п'яти різних кристалічних структур.
Властивість речовини одного складу утворювати різні кристалічні структури, які мають різні фізичні властивості, називається поліморфізмом.
Для кристалічних тіл характерний дальній порядок, тобто правильна
інжюрюваність положень вузлів кристалічних ґрат на будь-яких відстанях у кристалі.
Аморфні тіла
Крім кристалічних тіл є аморфні тіла. Ці тіла, хоч і вважати. їх твердими, є переохолодженими рідинами.Якщо розглядати деякий атом аморфного тіла як центральний, то набліжчі до нього атоми розміщуватимуться в певному порядку, але з відстанью від центрального атома цей порядок порушується і розміщення атомів може бути різним, тобто випадковим. В аморфних тілах на відміну під кристалічних існує тільки ближній порядок у взаємному розміщенні- угідиіх атомів. До аморфних тіл належать скло, пластмаси тощо. Багато тіл, такі, як сірка, гліцерин, цукор тощо, можуть бути як у кристалічному, так і в аморфному стані або, як кажуть, у склоподібній формі. У природі аморфний стан менш поширений, ніж кристалічний.
ТИПИ кристалічних форм
Якщо температура тіла така, що середня кінетична енергія атомів (або молекул), які утворюють його, менша за потенціальну енергію їх взаємодії, утворюються кристали. У кристалічних тілах розміщення атомів відповідає мінімальному значенню потенціальної енергії. Це є умовою стійкої рівноваги. Залежно від характеру сил взаємодії і природи частинок, розміщених у вузлах кристалічних ґрат, розрізняють чотири типи кристалічних ґрат.
1. Атомні кристали. У вузлах кристалічних ґрат розміщені нейтральні
атоми, Між ними існує зв'язок, який має електричний характер. Цей
зв'язок можна пояснити тільки з позицій квантової механіки. Він здійс-
нюється електронними парами, причому від кожного атома бере участь
тільки один електрон. Кількість зв'язків, в яких може брати участь атом,
визначається його валентністю. Прикладами атомних кристалів є алмаз,
графіт (див. рис. 8.3), германій і кремній.
2. Іонні кристали. У вузлах кристалічних ґрат цих кристалів розміщені
іони різних знаків. Зв'язок між ними зумовлений електричними (кулоні в -
ськими) силами взаємодії (притягання) між різнойменними іонами. При-
кладом іонних ґрат є кристал кам'яної солі ΝаСІ (див. рис. 8.2).
3. Металеві кристали. У вузлах кристалічних ґрат розміщені позитивні іони металу, між якими рухаються так звані вільні (валентні) електрони, що утворюють електронний газ. Зв'язок у металевих кристалах забезпечують сили притягання між позитивними іонами, розміщеними у вузлах ґрат, і негативним електронним газом. Ці сили притягання зрівноважуються силами відштовхування, які діють між однойменними іонами. При цьому буде стійка конфігурація іонів. Іони розміщуються один відносно одного на певній відстані, яка називається періодом ґрат.
4. Молекулярні кристали. У вузлах кристалічних ґрат розміщуються
певним способом орієнтовані молекули. Між молекулами діють сили
притягання, характерні для взаємодії молекул. До молекулярних кристалів
належать нафталін, парафін, сухий лід С02, лід Н20.
Дефекти в кристалах
Ідеально правильну структуру монокристали мають у порівняно невеликих об'ємах. Дефекти кристалічних ґрат зумовлені в основному включенням атомів інших елементів, вакансіями і дислокаціями.
Якщо у вузлі або міжвузловому просторі кристалічних ґрат розміщений
атом домішки, то це веде до спотворень (рис. 8.4 б).
Якщо у вузлі кристалічних ґрат немає атома, то виникає дефект ґрат, який називається вакансією. Спотворення грат цього типу зображено на
рис. 8.4, в.
Механічні властивості кристалів значною мірою залежать від наявності особливих дефектів - дислокацій. Дислокація виникає внаслідок зміни атомних площин у деякій частині кристала, одна з площин розмісщується в проміжку між іншими атомними площинами. Це відбувається тоді, коли кристал зазнає деформації зсуву, тобто одноатомна площина ссобується відносно іншої. Дефекти в кристалах дуже впливають на їхні фізичні
властивости.
Полімери
Останнім часом у техніці дедалі більше застосовують речовині, які називаються полімерами. Вони утворюються через приєднання одного до одної ряду молекул (мономерів) з низькою відносною молекулярною масою.
Процес утворення полімерів називається полімеризацією. Кількість
мономерних молекул, які входять до складу молекули полімеру - це сту-
пни полімеризації. Молекулярна маса полімерів дуже велика. Залежно
від властивостей вихідних молекул у процесі полімеризації можуть виникати як лінійні молекулярні ланцюжки, так і розгалужені.
Полімери поділяють на два класи: природні і синтетичні. До природних полімерів належать сполуки високої молекулярної маси, наприклад опіки, каучук, до синтетичних - різні пластмаси.
Механічні властивості полімерів багато в чому залежать від сил взаємодії між окремими молекулами. Наявність у полімерах упорядкованих областей сприяє значному підвищенню їхньої міцності. Великий вплив мають довжина молекулярного ланцюжка, ступінь його розалужєності і розміщення структурних ланок у макромолекулі. Отже, властивості полімерів безпосередньо пов'язані з їхньою хімічною структурою, оскільки вона визначає розміри кристалічних областей і їхню жорсткість ланцюжка і його довжину, просторову будову макромолекул.
Пластмаси мають найрізноманітніші фізичні властивості:
корозійну стійкість, здатність формуватися у вироби складної конфігурації і витримувати різні зміни температури, добрі теплоізоляційні характеристики, високу діелектричну проникність, велику питому міцність, малу густину
тощо.
Застосування полімерів
У промисловості застосування полімерів дає можливість розв'язувати багато складних завдань, з якихми пов'язаний розвиток сучасної техніки. Штучно створені полімери замінюють метали в машино- і приладобудуванні, імітують різні будівельні матеріали, наприклад цінні породи дерев, є замінниками шкіри, волокна. За своїми властивостями полімерні матеріали іноді перевищують природні.
Плавлення
Речовина існує в твердому кристалічному стані при певних зна-
ченнях тиску і температури. У цьому стані речовина перебуває доти, поки
кінетична енергія атомів недостатня, щоб подолати сили взаємного притя-
гання, Ці сили утримують атоми на деякій відстані один відносно одного,
не даючи можливості їм перемішатись. При цьому атом коливається навко-
ло положення своєї рівноваги. В процесі нагрівання твердого тіла кінетична
енергія атомів (або молекул) зростає. При цьому амплітуди коливань мо-
жуть стати, такими великими, що вже будуть порівнянні з періодом ґрат, да-
лекий порядок порушиться, кристалічні ґрати почнуть руйнуватись. Із збіль-
шенням температури тверді тіла плавляться, тобто речовина переходить
з твердого стану в рідкий. Цей процес ізотермічний. Під час плавлення
температура тіла не змінюється. Уся теплота, яка підводиться ззовні, ви-
трачається на руйнування кристала. Після руйнування кристала й утворення
рідини теплота, яка підводиться ззовні, втрачається на нагрівання рідини.
Під час плавлення кристалічне тіло перебуває одночасно в твер-
дому і рідкому станах. Температура плавлення залежить від роду кристалічного тіла. Для більшості кристалічних тіл температура плавлення підвищується від збільшення атмосферного піску. У процесі плавлення густина речовин зменшується (виняток становлять, наприклад, вісмут і лід - їх густина під час плавлення збільшується).
Q=λm
У СІ питому теплоту плавлення λ виражають у джоулях на кілограм
(Дж/кг).
Зазначимо, що в процесі плавлення внутрішня енергія тіла збільшується.
Кристалізація
Якщо в діякий момент часу припинити нагрівання рідини, а потім її охолодити,розпочинається кристалізація - перехід речовини з рідкого стану в твердий кристалічний. Цей процес супроводжується виділенням теплоти кристалізації, яка дорівнює теплоті плавління. Під час цього процесу рух молекул рідини упорядковується, внаслідок чого вони починають коливатися навколо вузлів кристалічних. Процес кристалізації ізотермічний. Температура кристалізації tкр і питома теплота кристалізації λ дорівнюють відповідно температурі плавління і питомій теплоті плавлення для того самого тіла при одному і тому тиску. Коли кристалізація закінчиться тіло почне охолоджуватись.
Процес кристалізації відбувається у двофазній системі, поблизу центру кристалізації. Такими центрами можуть бути пилинки, найдрібніші
домішки, неоднорідності. Якщо рідина чиста, тобто в ній немає центрів
кристалізації, то від її швидкого охолодження можна дістати переохолоджену рідину (тобто рідину з температурою, нижчою від температури кристалізації).
Рідкі кристали
Це стан, в якому виявляються структурні властивості, про-
пжні між властивостями твердого кристала і рідини. Рідкі кристали, молекули яких мають подовжену паличкоподібну форму. Рідкі кристали утворюються у вузькому інтервалі температур, і охолодженням кристали перетворюються в тверді.
Поняття фази
Під час розгляду явищ випаровування і конденсації води ми встановили, що можуть існувати два різні стани води - рідкий і газоподібний (водяна пара) - за тих самих температур і тиску. Ці стани відрізняються своїми властивостями, у цьому разі - густиною.
Якщо система поділяється на однорідні частини, що межують одна з одною і перебувають у фізично різних станах, то ці частини називають фазами системи.
Якщо дві або більше різних фаз речовини за даних температури і тис-
ку існують одночасно, стикаючись одна з одною, і якщо при цьому маса
однієї з фаз не збільшується за рахунок зменшення маси другої, то кажуть, що існує фазова рівновага.
Фазові переходи
Перехід речовини з одного стану (фази) в інший називають фазовим переходом. Фазовий перехід пов'язаний з якісною зміною властивостей речовини. Наприклад, газоподібний, рідкий і кристалічний етани речовини відрізняються характером руху атомів або молекул, наявністю або відсутністю упорядкованої структури.
Кипіння, плавлення - приклад фазових переходів першого роду. Для
фазових переходів першого роду характерна стрибкоподібна зміна властивостей речовини, тобто така, що відбувається у вузькому інтервалі температур. Ці переходи супроводжуються стрибкоподібною зміною енергії,
густини та інших параметрів.
Фазові переходи першого роду - дуже поширене в природі явище.
До них належать випаровування і конденсація, плавлення і тверднення.
такі фазові переходи, за яких внаслідок безперервної зміни кристаліч-
них ґрат, тобто взаємного розміщення частинок у ґратах, перетворення
підсуваються відразу в усьому об'ємі. Це призводить до того, що при пев-
ній температурі змінюється симетрія ґрат. Така температура - точка фазо-
вого переходу другого роду. Температуру, при якій відбувається фазовий
перехід другого роду, називають точкою Кюрі, за ім'ям французького
фізика П. Кюрі, що виявив фазовий перехід другого роду в феромагнети-
ках.
Сублімація. Десублімація
У деяких твердих тіл, таких, наприклад, як нафталін, йод, камфора, тверда вуглекислота (сухий лід), спостерігається перехід речовини відразу з твердого стану в газоподібний, тобто відбувається випаровування.
Перехід твердого стану в газоподібний, минаючи рідкий, називається
суолімацією. Зворотний процес називають десублімацією. Усі тверді тіла
сублімують, але процес сублімації у рідких тіл відбувається з різною
швидкістю. При кімнатній температурі швидкість перебігу цього процесу
іака мала, що сублімацію практично виявити не можна.
Процес сублімації відбувається як при нагріванні твердого тіла, так і
без підведення теплоти ззовні. В останньому випадку внутрішня енергія
перерозподіляється між твердим і газоподібним станами. При сублімації
і їло охолоджується, бо його залишають найшвидші молекули, що мають
кінетичну енергію, достатню для подолання молекулярного притягання і
їх відривання від поверхні твердого тіла. Середня кінетична енергія моле-
кул, які залишаються, зменшується; отже, тіло охолоджується. Щоб тем-
пература тіла, яке сублімує, була стала, до нього ззовні треба підводити
теплоту.
Потрійна точка
Крива СМ є лінією рівноважного стану твердого тіла і газу, тобто це - крива сублімації. В області СМА вода може перебувати лише в газоподібному стані (пара води). В області СМВ вода перебуває в твердому стані і є однією з модифікацій льоду. Три криві рівноваги перетинаються в одній точці М. Цю точку називають потрійною точкою. Вона характеризується тим, що при значеннях Тм і рм речовина одночасно перебуває в рівновазі в трьох фазах: твердій, рідкій і газоподібній. Для води Тм =273,16 К.
Діаграму станів для кожної речовини будують за експериментальними даними. За діаграмою станів можна визначити, в якому стані
перебуває речовина при заданих параметрах(тиску і температурі).
Тема 5.1 Електричний заряд. Закон збереження заряду. Електричне (електростатичне) поле. Закон Кулона. Напруженість електростатичного поля. Поле точечного заряду. Поле системи зарядів. Принцип суперпозиції полів. Поле електричного диполя. Силові лінії. Густота силових ліній. Потік вектора напруженості. Електростатична теорема Гауса. Застосування теореми Гауса для розрахунку електричних полів заряджених провідників. Поверхнева щільність зарядів. Робота електричного поля при переміщенні зарядів. Потенціал. Зв'язок потенціалу з напруженістю електростатичного поля. Циркуляція вектора напруженості електростатичного поля.
Закон збереження заряду
Значення заряду, яке вимірюють у різних інерційних системах
відліку, завжди однакове і не залежить від того, рухається він чи перебуває в
«покої.
Сумарний заряд електрично ізольованої системи не змінюється.
Електричні заряди не створюються і не зникають, а тільки пере-
сіються від одного тіла до іншого або перерозподіляються всередині даного тіла.
()сновний закон електростатики - закон взаємодії двох нерухомих точкових зарядів (електрично заряджених тіл, розміри яких малі порівняно з відстанями між ними) - експериментально встановив французький фізик III. Кулон (1736-1806) у 1785 р., і тому його назвали законом Кулона. Щоб визначити силу взаємодії двох зарядів. Кулон скористався крутшьними терезами (рис.)- установкою, яка складається зі скляної палички, підвішеної на тонкому пружному дроті і поміщеному у скляну циліндричну посудину. На одному кінці палички закріплюють маленьку металеву кульку, а на другому - противагу.
Верхній кінець нитки кріплять до шкали з поділками. За допомогою цієї шкали визначають кут закручування нитки. Крізь отвір у кришці посудини вводять другу таку саму кульку. Якщо кулькам надати заряду, то вони взаємодіють між собою. Про силу взаємодії роблять висновок з кута закручування нитки. У загальному випадку сили взаємодії залежать від форми і розмірів наелектризованих тіл і характеру розподілу зарядів на них. У випадку нерухомих точкових зарядів, тобто зарядів, розподілених на тілах, лінійні розміри яких малі порівняно з відстанями, на яких розглядають їх взаємодію, слушним є закон Ку-
лона. Кулон експериментально встановив, що коли заряд кульки, яку вносять у прилад, збільшити в п разів, залишивши заряд кульки, закріпленої на скляній паличці, сталим, то сила їх взаємодії збільшується в п разів. Якщо відстань між кульками збільшувати в п разів, то сила їх взаємодії зменшиться в п2 разів. Отже, сила електричної взаємодії між двома нерухомими точковими електрично зарядженими тілами у вакуумі пропорційна добутку їх зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними,
В умовах взаємодії однойменні заряди відштовхуються, різнойменні - притягуються. Сили Кулона напрямлені по прямій, яка сполучає ці заряди. Закон Кулона записують у формі.
Величину ε0 називають електричною сталою, це одна з фізичних
констант.
Тема 5.2 Провідник у зовнішньому електричному поле. Поле усередині й поблизу зарядженого кулі або провідника, що перебуває в зовнішньому полі. Розподіл зарядів у провіднику. Електростатичний захист. умови на границі " провідник-вакуум". Електроємність провідників. Ємність конденсаторів. Енергія зарядженого відокремленого провідника, системи провідників й конденсаторів. Енергія електростатичного поля. Щільність енергії. Електростатичне поля.
Провідники в електричному полі
Залежно від характеру дії на тіла електричного поля їх можна поділити на провідники, діелектрики і напівпровідники. Властивості тіл і поводження їх в електричному полі визначаються будовою і розміщенням атомів у тілах. До складу атомів входять електрично зарядженні частинки: позитивні - протони, негативні - електрони. У нормальному стані атом електрично нейтральний, бо кількість протонів, які входять до складу атома, дорівнює кількості електронів, які обертаються навколо ядра і утворюють "електронні оболонки"
атома. Електрони втримуються в атомі силами електричного притягання до ядра. Однак у металах внаслідок особливостей їх будови в разі зовнішньої взаємодії електрони легко можуть бути видалені за межі "свого"
атома і вільно переміщуватись доти, доки не захопляться чиїм-небудь іншим атомом. Електрони, які втратили зв'язок із своїм атомом, називають вільними. їх рух має хаотичний характер і залежить від температури: чим вища температура, тим більша швидкість руху вільних електронів. У металевих провідниках концентрація вільних електронів порядку ІО28 м3. Рух таких електронів аналогічний тепловому руху частинок атому, тому сукупність вільних електронів називають електронним газом.
Якщо металевий провідник розміщений в електричному полі, то на характеристичний рух електронів накладається упорядкований рух у напрямі, протилежному напруженості поля. Такий рух електронів називають дрейфом.
На рис. зображено провідник, розміщений у зовнішньому однорід-
ному електричному полі Е0. Під дією поля електрони переміщуються в
напрямі поверхні АВ. Внаслідок цього на поверхні провідника АВ виникає
надлишковий негативний вільний заряд, на поверхні провідника СВ -
надлишковий позитивний заряд. Явище перерозподілу зарядів усередині
провідника під дією зовнішнього електричного поля називається елект-
ростатичною індукцією. Заряди, які виникають на поверхні провідника,
шваються наведеними, або індукованими. Заряди всередині провідника
перерозподіляються доти, поки напруженість зовнішнього поля не дорів-
нюватиме протилежно напрямленій напруженості Е поля індукованих
іл рядів, напруженість результуючого поля дорівнює нулю і упорядкований рух зарядів у провіднику припиняється, настає рівновага. Якщо на провіднику заряди перебувають у рівновазі, то потенціал усіх його точок однаковий. Отже, в разі рівноваги зарядів поверхня провідника еквіпотенціальна.
Електростатичний захист
Якщо провіднику надати деякого заряду то він розподілиться так, щоб виконувалась умова рівноваги, тобто ніде всередині провідника не буде надлишкових зарядів, а всі вони розмістяться на поверхні провідника з деякою густиною
Надлишковий заряд на порожнистому провіднику розподіляється так
само, як і на суцільному, тобто на його зовнішній поверхні. Цей висновок наочно продемонстрував Фарадей, виконавши такий дослід. Якщо
виготовити замкнений порожнистий провідник з дротяної сітки (рис. 10.21) у вигляді клітки(клітка Фарадея), закріпити його на ізолюючій підставці і підвісити на його внутрішній і зовнішній поверхнях паперові смужки, які виконують роль електроскопів, то після заряджання клітки за допомогою електрофорної машини відхиляються тільки зовнішні папірці. Це свідчить про те, що електричного поля всередині клітки немає. Отже, провідна поверхня надійно захищає ту область простору, яку вона оточує, від дії електричного поля. Такі поверхні використовують як електростатичний захист.
Електроємність
На досліді було встановлено, що коли форма і розміри відокремленого провідника, а також середовище (наприклад, повітря), в якому він розміщений, не змінюються, то при збільшенні заряду 2 на провід-
нику пропорційно йому збільшується потенціал провідника.
Об'ємна густина енергії
Об'ємна густина енергії електричного поля - фізична величина, яка дорівнює відношенню потенціальної енергії Wе, запасеної в
об'смі V, до об'ему:
