6.28 Фазові переходи. Діаграма стану речовини. Рівняння Клапейрона-Клаузіуса

Фазою називається однакові за фізичними властивостями частини системи. На рис.6.47 зображені три фази: вода, лід, пара.

Перехід речовини із однієї фази в іншу називається фазовим переходом. Розрізняють фазові переходи 1-го і 2-го роду. При фазових переходах 1-го роду виділяється, або поглинається прихована теплота переходу. Наприклад, плавлення (кристалізація)

, (6.86)

випаровування (конденсація)

. (6.87)

Тут λ і r – питомі теплоти плавлення і випаровування відповідно.

При фазових переходах 2-го роду прихована теплота не проявляється, але відбувається стрибкоподібна зміна певних фізичних властивостей. Як правило такі переходи супроводжується стрибкоподібною зміною теплоємності. Тому теплоємність може слугувати як індикатор фазових переходів 2-го роду. Прикладами таких переходів є перехід графіту в алмаз (змінюється твердість), перехід у надпровідний стан (змінюється електропровідність), перехід феромагнетику в парамагнетик при нагріванні (змінюється магнітна проникність), перехід у надтекучий стан (змінюється коефіцієнт в’язкості) і т.д.

При певних умовах різні фази речовини можуть знаходитись у рівновазі при контакті однієї фази з іншою. Такий стан має місце при певних зовнішніх умовах (температура Т, тиск Р, ... ). Сукупність станів рівноваги різних фаз в координатах Р-Т називається діаграмою стану речовини (рис.6.48). Лінія АТ - крива сублімації, ВТ - крива випаровування, СТ – крива плавлення. Точка діаграми стану відповідає рівновазі відповідних фаз, тобто відповідають умовам відповідного фазового переходу. Звертає на себе увагу точка Т рівноваги трьох фаз. Ця точка називається потрійною точкою. Для різних речовин параметри потрійної точки різні. Наприклад, для води: Р₃ = 4,58 мм рт.ст., .Кожна точка діаграми стану відповідає умовам відповідного фазового переходу. Отже, при зміні тиску dP змінюється і температура фазового переходу на dT (рис.6.49). Таку зміну описує рівняння Клапейрона-Клаузіуса

. (6.88)

Тут: V₂ і V₁ – об’єми речовини відповідно після і до фазового переходу, Q – прихована теплота фазового переходу.

Наприклад, відомо, що при плавленні льоду об’єм речовини зменшується V₂ < V₁. Для плавлення потрібно затратити тепло, тобто Q < 0. Отже, при dP > 0 збільшенні тиску dT < 0 температура плавлення зменшується, і може стати меншою 0^оС. Таке явище має місце під ковзанами спортсменів. Утворювана під ковзанами вода виконує роль змащування і зменшує тертя. Аналогічно пояснюється і зменшення температури кипіння води в горах при зниженому тискові.

7 Електродинаміка.Електростатика

7.1 Поняття про заряд. Закон збереження заряду. Взаємодія зарядів. Закон Кулона. Силові характеристики поля

Дослідами по взаємодії тіл встановлено, що деякі тіла взаємодіють з силами, набагато більшими (приблизно в 10³⁹ разів), ніж сила гравітаційної взаємодії. Таким тілам приписали властивість мати заряд. Всі заряди умовно поділені на позитивні і негативні у відповідності з двозначним характером їх взаємодії: однойменні заряди відштовхуються, різнойменні притягуються. Сучасній науці відомо, що носіями заряду являються електрони та іони. Елементарним (найменшим) зарядом є заряд електрона е = -1,6∙10^-19 Кл. Кл (кулон) це одиниця заряду в системі одиниць СІ. У всіх електричних явищах має місце закон збереження заряду - алгебраїчна сума зарядів замкнутої (ізольованої) системи не змінюється.

В основі електростатики, тобто вчення про взаємодію нерухомих зарядів, лежить закон Кулона (1785р.) для точкових зарядів:

(7.1)

Сила , з якою взаємодіють два точкових заряди Q і q прямо пропорційна добуткові цих зарядів, обернено пропорційна квадрату відстані r між ними і направлена по лінії, що з’єднує ці заряди

- діелектрична стала, яка не має фізичного змісту, а введена для узгодження одиниць вимірювання в системі СІ; - відносна діелектрична проникність середовища, яка показує у скільки разів сила взаємодії у вакуумі F_o більша, ніж сила взаємодії F в даному середовищі. Для повітря і вакууму = 1.

По сучасним поглядам, взаємодія зарядів відбувається через особливу форму матерії – електричне поле. Кожний заряд утворює у навколишньому середовищі електричне поле, яке і діє на внесений у нього заряд.

Силовою характеристикою електростатичного поля є напруженість

(7.2)

Ця векторна величина дорівнює силі, яка діє з боку поля на одиничний позитивний пробний заряд. Для поля точкового заряду Q напруженість

(7.3)

Векторнаправлений по радіальним лініям від заряду Q, якщо він позитивний, і до нього, якщо він негативний.

Вектор називається вектороміндукції електростатичного поля. Це теж силова, векторна характеристика поля, але на відміну від напруженості, вона не залежить від властивостей середовища. Дійсно, для точкового заряду, враховуючи (7.3), маємо

. (7.4)

Діелектричні властивості середовища (ε і ε_о) в цій формулі відсутні.

Графічно електростатичне поле зображаєтьсясиловими лініями. Це лінії, дотична до яких в кожній точці співпадає з вектором напруженості (індукції) (рис.7.1). Силові лінії починаються на позитивних і закінчуються на негативних зарядах. Вони не перетинаються, так як вектори напруженості і індукції однозначні. У точці ж перетину напрямок цих векторів не визначений.

По густині силових ліній можна судити про величину . Вони більші там, де густина ліній більша.