7.6 Явления переноса

Явлениями переноса называются необратимые процессы в термодинамически неравновесных системах, в которых происходит пространственный перенос энергии (теплопроводность), массы (диффузия), импульса (внутреннее трение). Для простоты ограничимся одномерными случаями, выбрав ось x так, чтобы она была направлена в направлении переноса. .

7.7 Особенности строения жидкостей и твердых тел

Существенное различие между газом, с одной стороны, и твердым, и жидким телами – с другой, состоит в том, что газ занимает весь предоставленный ему объем сосуда, тогда как жидкость или твердое тело, помещенные в сосуд, занимают в нем лишь вполне определенный объем. Это обусловлено различием в характере теплового движения молекул в газах и в твердых и жидких телах. Молекулы газа практически не связаны между собой межмолекулярными силами. Во всяком случае средняя кинетическая энергия (W_K) теплового движения молекул газа гораздо больше средней потенциальной энергии (W_p), обусловленной силами сцепления между ними. В соответствии с этим диффузия в газах протекает достаточно быстро.

В твердых и жидких телах силы сцепления между молекулами (атомами, ионами) играют уже существенную роль, удерживая их на определенных расстояниях друг от друга. В этих телах средняя потенциальная энергия, обусловленная силами сцепления между молекулами, больше средней кинетической энергии теплового движения молекул ((Wn) >(W_K)). Иначе говоря, в среднем кинетическая энергия молекул недостаточна для преодоле­ния сил притяжения между ними. В твердом теле частицы (молекулы, атомы, ионы) расположены в геометрически строго определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Частицы совершают колебательные движения около своих положений равновесия. Переходы частиц с места на место в твердом теле возможны, но весьма редки. Поэтому, хотя диффузия существует и в твердых телах, она протекает здесь еще медленнее, чем в жидкостях.

Таким образом, существенное различие между газом, с одной стороны, и твердым и жидким телами – с другой, обусловлено тем, что у молекул газа средняя кинетическая энергия теплового движения больше глубины потенциальной ямы, а у молекул твердого и жидкого тел – меньше глубины потенциальной ямы.

Благодаря тому, что молекулы твердого тела связаны между собой прочнее, чем молекулы жидкости, для твердого тела в отличие от жидкости характерно постоянство не только объема, но и формы. Рассмотрим несколько подробнее вопрос о кристаллическом строении твердого тела.

7.8 Изменение агрегатного состояния

И в жидкостях и в твердых телах всегда есть некоторое число молекул, энергия которых достаточна для преодоления притяжения к другим молекулам, и которые способны покинуть поверхность жидкости или твердого тела. Такой процесс для жидкости называется испарением (или парообразованием), для твердых тел – сублимацией (или возгонкой).

Конденсацией называется переход вещества вследствие его охлаждения или сжатия из газообразного состояния в жидкое. Если число молекул, покидающих жидкость за единицу времени через единичную поверхность, 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.

П лавлением называется переход вещества из кристаллического (твердого) состояния в жидкое. Плавление происходит при определенной, возрастающей с увеличением внешнего давления, температуре плавления T_пл .

В процессе плавления теплота Q, сообщаемая веществу, идет насовершение работы по разрушению кристаллической решетки, и поэтому T_пл = constдо расплавления всего кристалла. Количество теплоты L, необходимое для расплавления 1кг вещества, называется удельной теплотой плавления. Если жидкость охлаждать, то процесс пойдет в обратном направлении, Q′– количество теплоты, отдаваемое телом при кристаллизации): сначала температура жидкости понижается, затем при постоянной температуре, равной T_пл , начинается кристаллизация. Для кристаллизации вещества необходимо наличие центров кристаллизации – кристаллических зародышей, которыми могут быть как кристаллики образующегося вещества, так и любые инородные включения. Если в чистой жидкости нет центров кристаллизации, то она может быть охлаждена до температуры, меньшей температуры кристаллизации, образуя при этом переохлажденную жидкость. Аморфные тела являются переохлажденными жидкостями.