4 Вещество и физические поля

4.1 Вводные замечания

В первой главе было дано определение физической величины как «некоторое свойство физических объектов, качественно общее для них, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта». Это определение, являясь обобщенным понятием, не дает понимания конкретных свойств физических объектов, подлежащих измерению. С другой стороны, сами средства измерений и, в частности, измерительные преобразователи, являются физическими объектами. Как же обеспечивается взаимодействие одних физических объектов (чьи свойства подлежат измерению), с другими, являющимися средствами измерений?

Из п. 2.7 ясно, что с энергетической точки зрения, измерительное преобразование сводится к переводу энергии одного вида в энергию другого (например, механической в электрическую) использованием известных физических явлений или эффектов. Поскольку физические объекты могут находиться в разных состояниях, то измерительные преобразования могут выполняться путем взаимодействий нескольких видов: вещества с веществом, поля с полем или поля с веществом.

Сначала дадим определение вещества и физического поля.

Под веществом понимаются физические объекты, обладающие массой в состоянии покоя.

Под физическим полем понимается особое состояние пространства вокруг вещества, проявляющееся в создании силового воздействия на частицы другого вещества, помещенного в любую точку этого пространства.

Строго говоря, данные выше определения не совсем точны. Дело в том, что поля при взаимодействии с веществом (фотоэффект, комптоновское рассеяние) проявляют себя как частицы, а электроны при прохождении через кристаллы рассеиваются как волны поля. Поэтому более точная модель материи соответствует единству вещества и поля, или, в терминах физики, материя обладает корпускулярно - волновым дуализмом. Указанные обстоятельства приходится учитывать при исследованиях свойств полупроводников, поверхностных явлений на границах сред и т.д.

Однако для большей части задач технических измерений модель материи, при которой вещество и поле разделено, вполне приемлема. На нее и будем опираться.

4.2 Вещество

Любое вещество состоит на микроскопическом уровне из одних и тех же частиц – нейтронов, протонов и электронов, которые образуют атомы и молекулы. Но количество частиц в атомах и молекулах, их взаимное расположение и связи определяют различное макроскопическое (т.е. в больших объемах или масштабах) состояние вещества – в виде газа, жидкости, твердого тела или плазмы.

4.2.1 Газ – состояние вещества, в котором его частицы (молекулы или атомы) не связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь представленный им объем. Данное определение соответствует модели идеального газа.

Молекулы в газе при давлении 1,01·10⁵ Па (1ат) и температуре 273,16 К (0⁰С) расположены в среднем на расстоянии 1·10^-8 м друг от друга, а силы межмолекулярного взаимодействия несущественны уже на расстояниях (0,5-1)·10^-9 м. Это позволяет предполагать, что молекулы движутся хаотично и независимо друг от друга, соударяясь и разлетаясь как механические шары. При более низких давлениях расстояния между молекулами газа еще больше возрастают и его свойства с высокой точностью можно описать моделью идеального газа.

При сделанных предположениях, кинетическая теория газов дает уравнение связи между средней кинетической энергией одной молекулы и температурой газа в виде

, (4.1)

где m - масса одной молекулы;

- средний квадрат скорости молекул;

k = 1,38·10^-23 Дж/К – константа, называемая постоянной Больцмана;

T – абсолютная температура.

Молекулы газа в своем хаотическом движении соударяются со стенками сосуда или мембраной датчика давления, передавая им часть своего импульса. В единицу времени на единицу площади стенки или мембраны передается импульс p, равный

, (4.2)

где n - количество молекул в единице объема.

Выражая в (4.2) произведение массы молекулы на среднюю скорость из (4.1), получим значение импульса, макроскопически воспринимаемого как сила, действующая на единицу площади (т.е. давление):

P = nkT.

Удобно рассматривать количество газа, равное массе одного моля, поскольку в этом случае количество молекул постоянно для любого газа и равно числу Авогадро N = 6,022·10²³ моль^-1. Для этого случая последнее выражение переходит в уравнение Клапейрона:

P·V = R·T, (4.3)

в котором R = Nk = 8,314 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная;

V – объем газа приходящийся на 1 моль при давлении Р.

Для произвольной массы газа m уравнение (4.3) записывается в виде уравнения Менделеева – Клапейрона:

. (4.4)

где µ - масса одного моля газа.

Часто в расчетах используется плотность газа ρ, равная массе газа в единице объема:

. (4.5)

С ростом давления молекулы газа сближаются, их взаимодействие становится значительным и уравнение связи параметров газа (при давлениях выше 1 МПа) существенно усложняется по сравнению с (4.3).

Если газ охлаждать, то его плотность растет и при определенной температуре происходит конденсация газа, т.е. его переход в жидкое состояние.

Можно поступить по-другому: при постоянной температуре повышать давление до получения жидкой фазы. Однако для каждого газа есть критическая температура Т_КР, выше которой газ не переходит в жидкое состояние ни при каких давлениях. Минимальное давление, при котором газ еще переходит в жидкое состояние при критической температуре Т_КР, называется критическим давлением Р_КР. Газ с температурой ниже Т_КР называется паром.

В таблице 4.1 приведены параметры критической точки и объем v_КР одного килограмма газа в этой точке для ряда распространенных газов.

Таблица 4.1 - Параметры критической точки некоторых газов

Вещество Химическая формула PКР, МПа ТКР, К vКР, м3/кг Водяной пар Н2О 22,115 647,3 0,003147 Азот N2 3,400 126,20 0,003194 Кислород О2 5,076 154,75 0,00244 Водород Н2 1,294 32,98 0,032 Аргон Ar 4.8979 150.86 0,001867 Метан СН4 4,641 190,65 0,617

4.2.2 Жидкость – агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Как твердое тело, жидкость сохраняет свой объем, образует поверхность; как газ - принимает форму сосуда, в котором находится. Отличительная особенность жидкости – текучесть.

Качественно текучесть объясняется наличием в жидкости объединений молекул, в которых тепловые движения происходят упорядочено. Отдельные молекулы, за счет избыточной тепловой энергии, рвут связи в своем объединении и переходят в соседнее. Средняя частота таких скачков составляет 10¹¹ - 10¹² с^-1. При наличии внешней силы большая часть скачков молекул происходит по направлению силы, что макроскопически проявляется как текучесть.

4.2.3 Твердое тело - агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы. Атомы (или молекулы) твердых веществ удерживаются на среднем расстоянии друг от друга порядка 1·10^-10 м, на котором уравновешиваются электростатические силы отталкивания и притяжения.

Частицы многих твердых тел образуют на микроскопическом уровне периодическую пространственную структуру – кристаллическую решетку. В узлах кристаллической решетки могут находиться атомы, молекулы или ионы, совершающие вращательные движения и малые колебания вокруг положений равновесия.

С точки зрения протекания электрического тока тела делятся на диэлектрики (удельное сопротивление 10¹²-10¹⁴ Ом·м), металлы (удельное сопротивление 10^-2-10^-4 Ом·м) и полупроводники, у которых сопротивление меньше, чем у диэлектриков, но которое, в отличие от металлов, понижается с ростом температуры. Чтобы понять в общих чертах свойства твердых тел, необходимо предварительно рассмотреть электрические поля, которые и определяют макроскопические свойства твердых тел.