Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса.

Реальный газ — газ, который не описывается уравнением состояния идеального газа Клапейрона-Менделеева.

Зависимости между его параметрами показывают, что молекулы в реальном газе взаимодействуют между собой и занимают определенный объём. Состояние реального газа часто на практике описывается обобщённым уравнением Менделеева-Клапейрона:

где p — давление; V - объем T — температура; Z_r = Z_r (p,T)  — коэффициент сжимаемости газа; m - масса; М — молярная масса; R — газовая постоянная.

ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА УРАВНЕНИЕ - уравнение состояния реального газа. Для газа, содержащего N молекул, В. у. имеет вид:

где V - объём, р - давление, T - абсолютная температура газа, а и b - постоянные, учитывающие притяжение и отталкивание молекул. Член называют внутренним давлением, постоянная b равна учетверённому объёму молекулы газа, если в качестве модели молекулы принять слабо притягивающиеся упругие сферы.

В. у. количественно определяет свойства реальных газов лишь в небольшом интервале Т и р - в области относительно высоких Т и низких р, т. к. а и b являются функциями температуры.

Возможны 3 случая решения В. у.: 1) все три корня действительные и равны между собой; этот случай соответствует критическому состоянию (изотерма Т_кр; 2) все три корня действительные и различные - т. н. докритическое состояние (изотермы при T<T_кр); 3) два корня мнимые, не имеющие физического смысла, один корень действительный; этот случай соответствует сверхкритичному состоянию (изотермы при T>T_кр). Изотермы при Т/Т_кр качественно описывают поведение реальных газов. При докритических температуpax Т<Т_кр поведение газа описывается изотермой-изобарой насыщенного пара - прямой на диаграмме р - V, напр. прямой ас(р_н.n.=const), а не S-образной кривой adec, соответствующей В. у.

№16.

Особенности строения жидкостей. Поверхностное натяжение. Процессы испарения, конденсации и кристаллизации.

Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком. Молекула воды H2O состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных под углом 104°. Среднее расстояние между молекулами пара в десятки раз превышает среднее расстояние между молекулами воды. Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, то есть изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах. Жидкости, как и твердые тела, изменяют свой объем при изменении температуры. Для не очень больших интервалов температур относительное изменение объема ΔV / V0 пропорционально изменению температуры ΔT:

Коэффициент β называют температурным коэффициентом объемного расширения.

Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон.

Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь).

В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (то есть увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу внешних сил ΔAвнеш, пропорциональную изменению ΔS площади поверхности:

ΔAвнеш = σΔS.

Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу. Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией. Потенциальная энергия Ep поверхности жидкости пропорциональна ее площади:

Ep = Aвнеш = σS.

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (то есть от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.

Как в жидкостях, так и в твердых телах всегда имеется некоторое число молекул, энергия которых достаточна для преодоления притяжения к другим молекулам и кото­рые способны оторваться от поверхности жидкости или твердого тела и перейти в окружающее их пространство. Этот процесс для жидкости называется испарением (или парообразованием), для твердых тел — сублимацией (или возгонкой).

Испарение жидкостей идет при любой температуре, но его интенсивность с повы­шением температуры возрастает. Наряду с процессом испарения происходит компен­сирующий его процесс конденсации пара в жидкость. Если число молекул, покидающих жидкость за единицу времени через единицу поверхности, равно числу молекул, перехо­дящих из пара в жидкость, то наступает динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.

Если жидкость охлаждать, то процесс протекает в обратном направлении: сначала тем­пература жидкости понижается, затем при постоянной температуре, равной T_пл, начи­нается кристаллизация, после ее завершения температура кристалла начнет понижаться. Для кристаллизации вещества необходимо наличие центров кристал­лизации. Отсутствие центров кристаллизации в чистой жидкости затрудняет образование микроскопических кри­сталликов, и вещество, оставаясь в жидком состоянии, охлаждается до температуры, меньшей температуры кристаллизации, при этом образуется переохлажденная жидкость

№17.

Математический маятник. Вывод и решение дифференциального уравнения свободных незатухающих колебаний математического маятника. Характеристики колебательного движения. Взаимосвязь между скоростью и ускорением.

Математический маятник – тело, подвешенное на невесомой и нерастяжимой нити, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до точки подвеса, и совершающее колебания в поле тяжести.

Колебания называются свободными, если они совершаются за счет первоначально сообщенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на колебательную систему.

Дифференциальное уравнение свободных незатухающих колебаний:

Решение уравнения:

Гармоническими называются колебания, происходящие по законам синуса или косинуса.

- амплитуда колебаний – максимальное смещение колеблющейся величины относительно положения равновесия.

- фаза колебаний. Показывает, какая часть колебаний завершена к данному моменту времени.

- начальная фаза колебаний.

Математический маятник - механическая система, состоящая из материальной точки, подвешенной на невесомой нерастяжимой нити длины l.

Механические колебания - это движения, которые повторяются через определенные промежутки времени. Если промежутки времени одинаковые, то такие колебания называются периодическими.