1. Процес пароутворення

У природі, техніці і побуті ми часто спостерігаємо перетво­рення рідких і твердих речовин у газоподібний стан. В ясний літній день швидко висихають мокра білизна, калюжі, які залишилися після дощу. З часом зменшуючись, зникають шмат­ки сухого льоду, зменшуються розміри шматочків нафталіну, яким пересипають вовняні речі тощо. У всіх цих випадках спо­стерігається процес перетворення речовин у газоподібний стан — у пару.

Пароутворення відбувається двома способами — випарову­ванням і кипінням. Розглянемо спочатку випаровування, яке можна визначити як пароутворення, що відбувається лише з поверхні рідини.

Цей процес відбувається за будь-якої температури, що легко пояснюється молекулярно-кінетичною теорією. Моле­кули рідини, як і газу, мають різні швидкості. Деякі з них мають достатню кінетичну енергію для того, щоб відірватися від поверхні і вийти із сфери дії молекулярних сил. Тому над рідиною завжди є її вільні молекули, які утворюють пару.

Оскільки відриваються і вилітають з рідини найшвидкіші молекули, середня кінетична енергія молекул, які залишилися, зменшується. Внаслідок цього рідина під час випаровування охолоджується. Це явище використовують у техніці, зокрема побутовій. Так, шафа електричного холодильника охолод­жується завдяки тому, що рідина, яка випаровується в холодильному агрегаті, поглинає енергію з навколишнього середовища. Щоб температура рідини у процесі випаровуван­ня залишалася сталою (тобто щоб не змінювалася її внутрішня енергія), треба безперервно підводити до неї енергію, яка дорівнює роботі, виконуваній проти сил зчеплення молекул і проти сили зовнішнього тиску.

2. Процес конденсації

У результаті хаотичного руху над поверхнею рідини моле­кули пари можуть повертатися в неї. Цей процес називають конденсацією пари. З наближенням до поверхні рідини сили притягання прискорюють молекулу, надаючи їй додаткової кінетичної енергії, такої, яку затрачено на подолання цих сил, і, повернувшись, молекула має таку саму кінетичну енер­гію, яку мала під час випаровування. Тому в процесі конденса­ції пари виділяється стільки ж енергії, скільки було затра­чено на її утворення.

Якщо рідина перебуває у відкритій посудині, то випаровування її відбувається доти, поки вся вона не перетвориться в пару. З курсу фізики 8-го класу і повсякденного життя ви знаєте, що швидкість випаровування тим більша, чим вища температура рідини, чим більша її поверхня, чим швидше видаляється пара, яка утворилася над поверхнею, і чим менший зовнішній тиск.

Швидкість випаровування залежить також від природи речовини, яка випаровується. Так, ефір випаровується швидше за воду, а вода — швидше за олію, що пояснюється різними силами взаємодії між молекулами цих тіл.

3.Насичена і ненасичена пара.

Добре картина випаровування спостерігається тоді,

коли рідини перебути: в закритій посудині і займає лише частину її об'єму. На початку процесу кількість молекул, які вилітають з рідини, перевищує кількість молекул, які знову повертаються в неї, і концентрація молекул пари зростає. Але чим більше стає молекул, які вилетіли з рідини, тим більше їх потрапляє назад у рідину. Нарешті настає такий момент, коли кількість молекул, які вилітають з рідини за одиницю часу, виявляється такою самою, як і кількість молекул, що повер­таються в неї за той самий час. Очевидно, починаючи з цього моменту, концентрація молекул пари буде сталою. Такий стан називають динамічною рівновагою рідини і пари. Пару, яка перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, назива­ють насиченою.

Таким чином, можна зробити висновок, що насичена пара має за даної температури найбільшу кількість молекул в одиниці об'єму (або, інакше кажучи, максимальну густину) і чинить найбільший тиск.

У різних рідин динамічна рівновага з парою настає за різної густини пари (концентрації молекул). Причина цього полягає в неоднаковості сил молекулярної взаємодії. З рідин, в яких сили взаємного притягання частинок великі, наприк­лад із ртуті, можуть вилітати лише найшвидші молекули, кількість яких незначна. З рідин з малими силами притяган­ня, наприклад із ефіру, за тієї самої температури вилітає бага­то молекул, і динамічна рівновага настає тільки за умови значної їх концентрації в парі.

Пару, яка не перебуває в динамічній рівновазі зі своєю ріди­ною (не досягла насичення), називають ненасиченою. Іншими словами, ненасиченою буде пара над поверхнею рідини, коли випаровування переважає над конденсацією. Очевидно, що густина ненасиченої пари менша за густину насиченої пари.

Властивості ненасиченої пари можна описувати газовими законами для ідеального газу: Бойля—Маріотта, Шарля, Гей-Люссака, Клапейрона. Властивості пари тим точніше від­повідають цим законам, чим менш насиченою є пара, тобто чим менша її густина.

Залежність між тиском і температурою насиченої пари не підлягає закону Шарля, тобто закон Шарля до насиченої пари незастосовний. Розглянемо причину цього. Нагрівання іде­ального газу за сталого об'єму приводить до підвищення його тиску внаслідок зростання середньої кінетичної енергії моле­кул (частішими стають їх удари об стінку посудини, і тим більший імпульс передають вони під час кожного удару). В результаті нагрівання насиченої пари зростає не лише середня кінетична енергія молекул, а й кількість цих молекул (внас­лідок інтенсивнішого випаровування зростає маса пари). Тому тиск насиченої пари з підвищенням

температури зростає

швидше, ніж тиск ідеального газу. На малюнку 1 зміну тиску ідеаль­ного газу показано пунктирною лінією.

Питання для самоперевірки:

1.Що відбувається при процесі пароутворення?

2.Що відбувається при процесі конденсації?

3. Яка пара називається насиченою?

4.Яка пара є ненасиченою?

Завдання для самоперевірки:

1. Що відбувається з насиченою парою при ізотермічному зменшенні

( збільшенні) її об'єму?

2. Що треба зробити для підвищення тиску насиченої пари?

3.Чи застосовані закони ідеального газу до насиченої пари? Чому? Як змінюється тиск ненасиченої пари із зміною її об'єму?

ТЕМА 4

Розділ : Молекулярна фізика.

Тема: Властивості твердих тіл

Мета вивчення : ознайомлення зі структурою, властивостями та застосування рідких кристалів.

План вивчення:

1.Рідкі кристали - структура, властивості, використання.

2.Створення матеріалів із наперед заданими технічними властивостями.

1. Рідкі кристали

Більшість речовин може перебувати в трьох агрегатних станах — твердому, рідкому й газоподібному. Однак деякі органічні речовини, молекули яких мають ниткоподібну форму або форму плоских пластин, можуть перебувати в особ­ливому стані, маючи одночасно властивості анізотропії і текучості. Цей стан, який поєднує властивості кристала і рідини, називають рідкокристалічним. А речовини, які до­сить дивовижно поєднують властивості рідин і кристалів, дістали назву рідких кристалів. Вони текучі і утворюють краплі. Правда, їхні краплі можуть мати не сферичну, а ви­довжену форму. Детальне дослідження показало, що розміще­ння молекул у них має порядок, не властивий звичайним рідинам і твердим тілам. Якщо в твердих кристалах спосте­рігається дальній порядок у розміщенні частинок в будь-яких трьох взаємно перпендикулярних напрямах, то в рідких — в одному напрямі (одновісний дальній порядок).

Маючи впорядковану орієнтацію молекул в одному з на­прямів, рідкі кристали характеризуються анізотропією фізич­них властивостей: поверхневого натягу, електропровідності, магнітних і оптичних характеристик тощо. За механічними властивостями вони нагадують рідини, в'язкість яких ко­ливається від рідкого клею до «твердого» скла.

Існують рідкі кристали в певному інтервалі температур, різному для різних речовин. Нагріваючись, вони перетворю­ються у звичайну рідину, від охолодження стають твердими кристалами. Розрізняють два основних типи рідких криста­лів: нематичнйи (від грецького «нема» — нитка) і смектичний (від грецького «смекма» — мило). В нематичних рідких кристалах впорядкованість розташування молекул полягає в тому, що в певному об'ємі, який відповідає одному «монокри­сталу», поздовжні осі всіх молекул паралельні , а

будь-який інший дальній порядок у розміщенні частинок від­сутній. У смектичних рідких кристалах молекули розташо­вані шарами. Найпоширеніший приклад смектичного рідкого кристала — розчин мила у воді. Ті якості мила, які роблять його мийним засобом, безпосередньо пов'язані з його здатністю утворювати рідкі кристали. Мильний розчин складається з великої кількості подвійних шарів молекул мила, розділених шарами води. Коли ми миємо з милом руки, то шари молекул мила легко ковзають один відносно одного і шкіри, забираючи з неї бруд і передаючи його воді.

Вже вивчено понад 3000 речовин, які утворюють рідкі кри­стали. До них належить багато органічних речовин біологіч­ного походження, наприклад дезоксирибонуклеїнова кислота, яка несе код спадкової інформації, і речовина мозку.

Багато рідких кристалів мають дуже цінну якість: деякі їх властивості різко змінюються за порівняно незначної зміни зовнішніх умов (температури, електричного і магнітного полів тощо). Це явище знайшло вже практичне застосування: на основі рідких кристалів опрацьовано перетворювач інфра­червоного зображення у видиме, лабораторний прилад для вимірювання коливань температури і т. ін.

Рідкі кристали використовуються в різних оптичних інди­каторах, наприклад у циферблатах наручних годинників, на яких час фіксується не стрілкою, а зміною цифр

Надзвичайно велике значення рідких кристалів у біології та медицині. Немає сумнівів у тому, що дальші дослідження цих речовин не тільки розширять їх застосування в техніці, а й дадуть змогу проникнути в таємниці біологічних процесів.