6. Влияние молнии на работу электрических систем и радио Очень часто молния ударяет в провода линий передач электрической энергии. При этом либо грозовой разряд поражает один из проводов линии и соединяет его с землёю, либо молния соединяет между собой два или даже три

Изменение давления с высотой С изменением высоты давление падает. Впервые это было выяснено французом Перье по поручению Паскаля в 1648 г. Гора Пью де Дом, около которой жил Перье, была высотой 975 м. Измерения показали, что ртуть в торричеллиевой трубке падает при подъеме на

Зависимость температуры кипения от давления Температура кипения воды равна 100 °C; можно подумать, что это неотъемлемое свойство воды, что вода, где бы и в каких условиях она ни находилась, всегда будет кипеть при 100 °C.Но это не так, и об этом прекрасно осведомлены жители

1. Почему «обидели» температуру? Ошибка Фаренгейта. Порядок и беспорядок. Когда путь вниз труднее подъема. Ледяной кипяток. Существуют ли на Земле «холодные жидкости»? Длину мы измеряем в метрах, массу - в граммах, время в секундах, а температуру в градусах.Расстояние

Влияние магнитного поля на спектральные линии В то время, когда были объяснены главные черты спектральных линий. В 1896 г. Питер Зееман (1865-1943) живший в Лейдене (Голландия) открыл, что магнитное поле способно воздействовать на частоты спектральных линий, испускаемых газом,

135. Как же астрономы измеряют температуру Вселенной? Инфракрасное (ИК) излучение с длиной волны от 700 нм до 1 мм было открыто в 1800 Уильямом Гершелем (1738–1822).Гершель использовал призму, чтобы получить спектр солнечного света, от красного до синего. Он использовал

Глава X Влияние прогресса в области атомной энергии на экономическую и общественную жизнь Прежде чем дать краткий анализ социальной проблемы, возникшей в связи с открытием атомной энергии, мы в общих чертах рассмотрим экономическую сторону вопроса, связанную со

Переход вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое называется плавлением . Чтобы расплавить твердое кристаллическое тело, его нужно нагреть до определенной температуры, т. е. подвести тепло. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества.

Обратный процесс — переход из жидкого состояния в твердое — происходит при понижении температуры, т. е. тепло отводится. Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристал лизацией. Температура, при которой вещество кристаллизуется, называется температурой кристалли зации.

Опыт показывает, что любое вещество кристаллизуется и плавится при одной и той же температуре.

На рисунке представлен график зависимости температуры кристаллического тела (льда) от времени нагревания (от точки А до точки D) и времени охлаждения (от точки D до точки K ). На нем по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — температура.

Из графика видно, что наблюдение за процессом началось с момента, когда температура льда была -40 °С, или, как принято говорить, температура в начальный момент времени t нач = -40 °С (точка А на графике). При дальнейшем нагревании температура льда растет (на графике это участок АВ ). Увеличение температуры происходит до 0 °С — температуры плавления льда. При 0°С лед начинает плавиться, а его температура перестает расти. В течение всего времени плавления (т.е. пока весь лед не расплавится) температура льда не меняется, хотя горелка продолжает го-реть и тепло, следовательно, подводится. Процессу плавления соответствует горизонтальный учас-ток графика ВС. Только после того как весь лед расплавится и превратится в воду , температура снова начинает подниматься (участок CD ). После того, как температура воды достигнет +40 °С, горелку гасят и воду начинают охлаждать, т. е. тепло отводят (для этого можно сосуд с водой по-местить в другой, больший сосуд со льдом). Температура воды начинает снижаться (участок DE ). При достижении температуры 0 °С температура воды перестает снижаться, несмотря на то, что тепло по-прежнему отводится. Это идет процесс кристаллизации воды — образования льда (гори-зонтальный участок EF ). Пока вся вода не превратится в лед, температура не изменится. Лишь после этого начинает уменьшаться температура льда (участок FK ).

Вид рассмотренного графика объясняется следующим образом. На участке АВ благодаря подводимому теплу средняя кинетическая энергия молекул льда увеличивается, и температура его повышается. На участке ВС вся энергия, получаемая содержимым колбы, тратится на разрушение кристаллической решетки льда: упорядоченное пространственное расположение его молекул сменяется неупорядоченным, меняется расстояние между молекулами, т.е. происходит перестройка молекул таким образом, что вещество становится жидким. Средняя кинетическая энергия моле-кул при этом не меняется, поэтому неизменной остается и температура. Дальнейшее увеличение температуры расплавленного льда-воды (на участке CD ) означает увеличение кинетической энер-гии молекул воды вследствие подводимого горелкой тепла.

При охлаждении воды (участок DE ) часть энергии у нее отбирается, молекулы воды движутся с меньшими скоростями, их средняя кинетическая энергия падает — температура уменьшается, вода охлаждается. При 0°С (горизонтальный участок EF ) молекулы начинают выстраиваться в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Пока этот процесс не завершится, температура вещества не изменится, несмотря на отводимое тепло, а это означает, что при отвер-девании жидкость (вода) выделяет энергию. Это как раз та энергия, которую поглотил лед, пре-вращаясь в жидкость (участок ВС ). Внутренняя энергия у жидкости больше, чем у твердого тела. При плавлении (и кристаллизации) внутренняя энергия тела меняется скачком.

Металлы, плавящиеся при температуре выше 1650 ºС, называют тугоплавкими (титан, хром , молибден и др.). Самая высокая температура плавления среди них у вольфрама — около 3400 °С . Тугоплавкие металлы и их соединения используют в качестве жаропрочных материалов в самолетостроении, ракетостроении и космической технике, атомной энергетике.

Подчеркнем еще раз, что при плавлении вещество поглощает энергию. При кристаллизации оно, наоборот, отдает ее в окружающую среду. Получая определенное количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, среда нагревается. Это хорошо известно многим птицам. Неда-ром их можно заметить зимой в морозную погоду сидящими на льду, который покрывает реки и озера. Из-за выделения энергии при образовании льда воздух над ним оказывается на несколько градусов теплее, чем в лесу на деревьях, и птицы этим пользуются.

Плавление аморфных веществ.

Наличие определенной точки плавления — это важный признак кристаллических веществ. Именно по этому признаку их можно легко отличить от аморфных тел, которые также относят к твердым телам. К ним, в частности, относятся стекла, очень вязкие смолы, пластмассы.

Аморфные вещества (в отличие от кристаллических) не имеют определенной температуры плавления — они не плавятся, а размягчаются. При нагревании кусок стекла, например, снача-ла становится из твердого мягким, его легко можно гнуть или растягивать; при более высокой температуре кусок начинает менять свою форму под действием собственной тяжести. По мере нагревания густая вязкая масса принимает форму того сосуда, в котором лежит. Эта масса сначала густая, как мед, затем — как сметана и, наконец, становится почти такой же маловязкой жидкостью, как вода. Однако указать определенную температуру перехода твердого тела в жидкое здесь невозможно, поскольку ее нет.

Причины этого лежат в коренном отличии строения аморфных тел от строения кристаллических. Атомы в аморфных телах расположены беспорядочно. Аморфные тела по своему строению напоминают жидкости. Уже в твердом стекле атомы расположены беспорядочно. Значит, повы-шение температуры стекла лишь увеличивает размах колебаний его молекул, дает им постепенно все большую и большую свободу перемещения. Поэтому стекло размягчается постепенно и не обнаруживает резкого перехода «твердое—жидкое», характерного для перехода от расположения молекул в строгом порядке к беспорядочному.

Теплота плавления.

Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое. Теплота плавления равна тому количеству теплоты , которое выделяется при кристалли-зации вещества из жидкого состояния. При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энер-гии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить 332 Дж энергии, а для того чтобы расплавить 1 кг свинца — 25 кДж .

Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой m , следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:

Теплота сгорания.

Теплота сгорания (или теплотворная способность , калорийность ) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обыч-ное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод . При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода , содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа . Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.

Физическая величина , показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива. Удельную теплоту сгорания обозначают буквой q и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты Q , выделяющееся при сгорании m кг топлива, определяют по формуле:

Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.

Увеличение объема воды при ее замерзании имеет огромное значение в природе. Вследствие меньшей плотности льда по сравнению с плотностью воды (при 0 °С плотность льда 900 кг/м 3 , а воды 1000 кг/м 3) лед плавает на воде. Обладая плохой теплопроводностью, слой льда защищает воду, находящуюся под ним, от охлаждения и вымерзания. Поэтому рыбы и другие живые существа, находящиеся в воде, не гибнут во время морозов. Если бы лед тонул, то не очень глубокие водоемы промерзали бы за зиму насквозь.

При расширении замерзающей воды в закрытом сосуде возникают огромные силы, способные разорвать толстостенный чугунный шар. Подобный опыт легко осуществить с бутылкой, наполненной водой по горлышко и выставленной на мороз. На поверхности воды образуется ледяная пробка, закупоривающая бутылку, и при расширении замерзающей воды бутылка будет разорвана.

Замерзание воды в трещинах горных пород приводит к их разрушению.

Способность воды расширяться при отвердевании должна учитываться при прокладке труб водопровода и канализации, а также водяного отопления. Во избежание разрыва при замерзании воды подземные трубы должны укладываться на такой глубине, чтобы температура не опускалась ниже О °С. Наружные части труб должны на зимнее время покрываться теплоизолирующими материалами.

Зависимость температуры плавления от давления

Если плавление вещества сопровождается увеличением его объема, то при увеличении внешнего давления температура плавления вещества повышается. Это можно объяснить следующим образом. Сжатие вещества (при увеличении внешнего давления) препятствует увеличению расстояния между молекулами и, следовательно, возрастанию потенциальной энергии взаимодействия молекул, которое требуется для перехода в жидкое состояние. Поэтому приходится нагревать тело до большей температуры, пока потенциальная энергия молекул не достигнет необходимого значения.

Если плавление вещества сопровождается уменьшением его объема, то при увеличении внешнего давления температура плавления вещества понижается.

Так, например, лед при давлении 6 · 10 7 Па плавится при температуре -5 °С, а при давлении 2,2 · 10 8 Па температура плавления льда равна -22°С.

Понижение точки плавления льда при увеличении давления хорошо иллюстрируется опытом (рис. 8.34). Нейлоновая нить проходит сквозь лед, не разрушая его. Дело в том, что благодаря значительному давлению нити на лед он подтаивает под ней. Вода, вытекая из-под нити, тут же вновь замерзает.

Тройная точка

Жидкость может находиться в равновесии со своим паром (насыщенным паром). На рисунке 6.5 (см. § 6.3) представлена зависимость давления насыщенного пара от температуры (кривая АВ), полученная экспериментально. Так как кипение жидкости происходит при давлении, равном давлению ее насыщенных паров, то эта же кривая дает зависимость температуры кипения от давления. Область, лежащая ниже кривой АВ, отвечает газовому состоянию, а выше - жидкому.

Кристаллические тела плавятся при определенной температуре, при которой твердая фаза находится в равновесии с жидкой. Температура плавления зависит от давления. Эту зависимость можно показать на том же рисунке, где изображена зависимость температуры кипения от давления.

На рисунке 8.35 кривая ТК характеризует зависимость температуры кипения от давления. Она заканчивается в точке К, соответствующей критической температуре, так как выше этой температуры жидкость не может существовать. Левее кривой ТК по экспериментальным точкам построена кривая ТС зависимости температуры плавления от давления (левее, так как твердой фазе соответствуют меньшие температуры, чем жидкой). Обе кривые пересекаются в точке Т.

Что будет с веществом при температуре ниже температуры t т p , соответствующей точке T? Жидкая фаза при этой температуре уже существовать не может. Вещество будет либо в твердом, либо в газообразном состоянии. Кривая ОТ (см. рис. 8.35) соответствует равновесным состояниям твердое тело - газ, возникающим при сублимации твердых тел.

Три кривые КТ, ТС и ОТ делят фазовую плоскость на три области, в которых вещество может находиться в одной из трех фаз. Сами кривые описывают равновесные состояния жидкость - пар, жидкость - твердое тело и твердое тело - пар. Существует только одна точка Т, в которой все три фазы находятся в равновесии. Это и есть тройная точка.

Тройной точке отвечают единственные значения температуры и давления. Ее можно точно воспроизводить, и она служит одной из важнейших опорных точек при построении абсолютной шкалы температур. Для воды абсолютная температура тройной точки принята равной Т тр = 273,16 К, или t т p = 0,01°C.

На рисунке 8.35 изображена фазовая диаграмма воды, у которой температура плавления уменьшается с ростом давления. Для обычных веществ кривая ТС наклонена в противоположную сторону по отношению к вертикали, проходящей через точку Т.

Например, такой вид будет иметь фазовая диаграмма оксида углерода СО 2 . Температура тройной точки СО 2 t тр = -56,6 °С, а давление р тр = 5,1 атм. Поэтому при обычном атмосферном давлении и температуре, близкой к комнатной, углекислота не может находиться в жидком состоянии. Твердая фаза СО 2 называется обычно сухим льдом. Он имеет очень низкую температуру и не плавится, а сразу испаряется (сублимация).

Изменение объема при плавлении и отвердевании непосредственно связано с зависимостью температуры плавления от давления. У подавляющего большинства веществ температура плавления растет с давлением. У воды и некоторых других веществ она, напротив, понижается. Для обитателей Земли на высоких географических широтах это великое благо.

Существует единственная точка на диаграмме р -Т (тройная точка), в которой все три фазы вещества находятся в равновесии.

В заключение отметим огромное значение физики твердого тела для развития техники и цивилизации вообще.

Человечество всегда использовало и будет использовать твердые тела. Но если раньше физика твердого тела не поспевала за развитием технологии, основанной на непосредственном опыте, то теперь положение изменилось. Теоретические исследования начинают приводить к созданию твердых тел, свойства которых совершенно необычны и получить которые методом «проб и ошибок» было бы невозможно. Изобретение транзисторов, о которых пойдет речь в дальнейшем, яркий пример того, как понимание структуры твердых тел привело к революции во всей радиотехнике.

Создание материалов с заданными механическими, магнитными и другими свойствами - одно из основных направлений физики твердого тела. Приблизительно половина физиков всего мира работает сейчас в области физики твердого тела.