2.3. Свойства вещества

2.3.1. Испарение и конденсация. Насыщенный пар. Свойства насыщенного пара. Ненасыщенный пар. Влажность воздуха, точка росы. Приборы для определения влажности, принцип их действия. Кипение. Зависимость температуры кипения жидкости от внешнего давления

Парообразование – явление превращения жидкости в пар.

Два вида парообразования: испарение и кипение.

Испарение – парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости.

Скорость испарения жидкости зависит от: 1) рода жидкости; 2) ее температуры; 3) площади поверхности; 4) факторов, способствующих удалению молекул пара с поверхности жидкости (в частности, ветра).

Охлаждение жидкости при испарении, т.к. ее покидают наиболее быстрые молекулы, а остаются более медленные.

Кипение – процесс интенсивного парообразования, происходящий не только со свободной поверхности жидкости, но и по всему её объёму внутрь образующихся при этом пузырьков пара.

Жидкость закипает при условии, что давление её насыщенного пара в пузырьках становится равным сумме внешнего давления р_о, гидростатического давления вышележащих слоёв жидкости ρgh и давления 2σ/R, связанного с кривизной поверхности пузырька (σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, R – радиус пузырька).

Температура кипения жидкости зависит от: 1) давления насыщенного пара жидкости (чем оно выше, тем ниже температура кипения и наоборот); 2) внешнего давления (чем оно выше, тем выше температура кипения и наоборот).

Конденсация – явление превращения пара в жидкость.

Насыщенный пар – пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Д инамическое (подвижное) равновесие пара и жидкости – состояние, при котором число молекул, покидающих поверхность жидкости за некоторое время, равно числу молекул пара, возвратившихся за то же время в жидкость.

Свойства насыщенного пара: 1) давление и плотность при неизменной температуре не зависят от объема, занимаемого паром; 2) давление зависит только от температуры; 3) зависимость давления от температуры описывается формулой ; 4) состояние описывается уравнением состояния идеального газа.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры носит нелинейный характер (рис. 19).

Участок ВС графика зависимости р_н(T) соответствует состоянию, когда вся жидкость испарилась и в сосуде находится только пар, поведение которого подчиняется закону Шарля (изохорический процесс).

Объяснение нелинейного характера зависимости давления насыщенного пара от температуры: одновременное изменение температуры и концентрации молекул (плотности пара).

Ненасыщенный пар – пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Ненасыщенный пар можно сделать насыщенным путем 1) сжатия при неизменной температуре, 2) охлаждения при неизменном давлении. 3) одновременного сжатия и охлаждения.

Абсолютная влажность воздуха – содержание водяного пара ( в граммах ) в 1 м³ воздуха при данных условиях, т.е. плотность водяного пара.

Относительная влажность воздуха – отношение абсолютной влажности воздуха к плотности насыщенного водяного пара при той же температуре.

Формулы для расчета относительной влажности воздуха:

1) , 2) , где и – плотность и давление соответственно водяного пара в воздухе при данной температуре, и – плотность и давление соответственно насыщенного водяного пара при данной температуре.

Точка росы – температура, при которой ненасыщенный водяной пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным.

Приборы для измерения влажности воздуха: 1) волосной гигрометр; 2) конденсационный гигрометр; 3) психрометр.

Принцип действия волосного гигрометра: изменение длины обезжиренного человеческого волоса при изменении влажности воздуха.

Принцип действия конденсационного гигрометра: 1) конденсация водяного пара, находящегося в воздухе на зеркальной металлической поверхности, охлажденной до точки росы; 2) фиксация точки росы термометром, встроенным в прибор; 3) определение по точке росы плотности (давления) водяного пара в воздухе при данных условиях (по таблице); 4) определение (по таблице) плотности (давления) насыщенного водяного пара по температуре воздуха в помещении (фиксируемой другим термометром); 5) определение относительной влажности воздуха путем деления плотности (давления) водяного пара (п. 3) на плотность (давление) насыщенного водяного пара (п. 4).

Принцип действия психрометра: 1) испарение воды с марли, которой обернут шарик влажного термометра; 2) охлаждение влажного термометра ниже температуры воздуха в помещении, фиксируемой сухим термометром; 3) фиксация разности показаний сухого и влажного термометров; 4) определение по разности показаний сухого и влажного термометров и показанию сухого термометра относительной влажности воздуха (по таблице).

2.3.2. Свойства поверхностного слоя жидкости. Поверхностное натяжение жидкостей. Силы поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения. Смачивание. Капилляры. Высота подъема (опускания) жидкости в капилляре. Капиллярные явления

Молекулы жидкости, находящиеся на ее поверхности, испытывают действие результирующей силы, направленной внутрь жидкости (более слабое взаимодействие этих молекул с молекулами пара, находящимися извне, нежели с молекулами, находящимися внутри жидкости).

Наличие у молекул поверхностного слоя жидкости избыточной потенциальной энергии.

Сокращение поверхности жидкости и появление сил поверхностного натяжения, направленных по касательной к поверхности жидкости в каждой точке, перпендикулярно к границе поверхностного слоя.

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости – физическая величина, равная отношению изменения потенциальной энергии E_р поверхностного слоя жидкости к изотермическому изменению площади S ее поверхности: σ = _р S.

Единица измерения коэффициента поверхностного натяжения: 1Дж/м² или 1Н/м.

Смачивание – явление, состоящее в искривлениях свободной поверхности жидкости около твердой стенки сосуда.

Смачивание жидкостью твердого тела будет наблюдаться в случае, если сила притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше силы притяжения между молекулами жидкости. В противном случае жидкость не смачивает твердое тело.

Мениск – поверхность жидкости, искривленная на границе с твердым телом.

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости численно равен силе, действующей на единицу длины периметра смачивания и направленной перпендикулярно к этому периметру: σ =F/ℓ, где F – сила поверхностного натяжения, действующая на длине ℓ периметра смачивания.

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости с повышением температуры линейно убывает и при критической температуре становится равным нулю.

Краевой угол – угол между поверхностью твердого тела и мениском в точках их пересечения, т.е. в точках периметра смачивания.

Смачиванию жидкостью твердого тела соответствует острый краевой угол (0 ≤  ≤ ≤ /2)

При несмачивании краевой угол тупой (π/2 ≤ Θ ≤ π).

Идеальному смачиванию соответствует краевой угол  = 0, идеальному несмачиванию соответствует краевой угол  = 

Искривленная поверхность жидкости создает дополнительное (избыточное) давление на жидкость по сравнению с давлением под плоской поверхностью.

Формула для расчета дополнительного (избыточного) давления, созданного сферической поверхностью жидкости при идеальном смачивании и идеальном несмачивании ( = 0 и  = ): где σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, R – радиус мениска. Для выпуклого мениска p_м > 0, для вогнутого p_м < 0.

Формула для расчета дополнительного (избыточного) давления внутри сферического пузыря: (у пузыря две сферические поверхности).

Капилляры – узкие цилиндрические трубки с диаметром около миллиметра и менее.

Уровень идеально смачивающей (несмачивающей) жидкости в капилляре радиуса r выше (ниже), чем в сообщающемся с ним широком сосуде, на высоту h, равную , где σ – коэффициент поверхностного натяжения, g = 9,8 м/с² – ускорение свободного падения, ρ – плотность жидкости.

Капиллярные явления – изменения высоты уровня в капиллярах.

2.3.3. Кристаллические тела. Монокристаллы и поликристаллы. Аморфные тела. Свойства кристаллических и аморфных тел. Механические свойства твердых тел: упругость, пластичность, хрупкость, твердость. Абсолютное и относительное удлинение при деформации растяжения – сжатия. Механическое напряжение. Закон Гука для деформации растяжения – сжатия и область его действия. Модуль Юнга. Предел пропорциональности, предел упругости, предел прочности. Коэффициент запаса прочности

Кристаллы – твердые тела с упорядоченной в пространстве молекулярной структурой.

Монокристалл – одиночный кристалл.

Поликристаллическое тело – тело, состоящее из большого числа маленьких кристалликов.

Аморфные тела – тела, у которых отсутствует строгий порядок в расположении молекул.

Свойства кристаллов: 1) анизотропия физических свойств (механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических и т.д.); 2) определенная температура плавления.

У поликристаллов анизотропия отсутствует.

Свойства аморфных тел: 1) изотропия физических свойств; 2) отсутствие определенной температуры плавления.

Анизотропия – зависимость физических свойств кристалла от выбранного внутри него направления.

Изотропия – одинаковость свойств тела по всем направлениям.

Упругость – свойство тел восстанавливать свои размеры и форму после снятия нагрузки.

Пластичность – свойство тел сохранять форму и размеры, приобретенные в результате действия деформирующей силы, после снятия нагрузки.

Хрупкость – свойство тел разрушаться при малых нагрузках.

Твердость – характеристика тела, отражающая его прочность и пластичность.

Абсолютное удлинение – разность конечной и начальной длины образца (∆ℓ = ℓ – ℓ_о), где ℓ₀ – начальная длина, ℓ – конечная длина образа.

Относительное удлинение – отношение абсолютного удлинения образца к его начальной длине: (при деформации растяжения , при деформации сжатия ).

Механическое напряжение – скалярная физическая величина, равная отношению модуля силы упругости к площади поперечного сечения образца: σ =F/S.

Единица механического напряжения в СИ: 1 Па (как и для давления).

Закон Гука для деформации растяжения-сжатия: механическое напряжение в образце прямо пропорционально относительному удлинению.

Формула закона Гука: , где Е – коэффициент пропорциональности (модуль Юнга, или модуль упругости), – модуль относительного удлинения образца.

Модуль Юнга (модуль упругости) численно равен механическому напряжению в образце, при котором его длина увеличивается в два раза (носит чисто теоретический характер).

Закон Гука справедлив лишь при небольших деформациях.

Предел пропорциональности σ_пр – максимальное механическое напряжение, при котором еще справедлив закон Гука.

Предел упругости σ_упр – максимальное механическое напряжение, при котором в образце еще не возникают остаточные деформации. Предел упругости превосходит предел пропорциональности на сотые доли процента.

Предел прочности σ_пч – максимальное механическое напряжение в образце, при котором образец еще не разрушается.

Запас прочности – коэффициент, показывающий, во сколько раз предел прочности больше механического напряжения в образце .