Абсолютною температурою газу 3 страница

ІІ.12 Явища змочування і незмочування

Рідина при контакті з твердим тілом може змочувати його поверхню або не змочувати.

Змочування відбувається тоді, коли сила притягання між молекулами рідини і молекулами твердого тіла більша, ніж сила притягання між молекулами рідини. Незмочування – коли сила притягання між молекулами рідини більша, ніж сила притягання між молекулами рідини і молекулами твердого тіла.

Одна й та ж рідина одні тверді тіла змочує, а інші не змочує.

Ступінь змочування характеризують крайовим кутом змочування.

Крайовим кутом змочування q називають кут між поверхнею твердого тіла і дотичною до поверхні рідини в місці її дотикання з твердим тілом (рис.ІІ.6).

Рис. ІІ.6

При повному змочуванні q = 0, а при повному незмочуванні q = 180°.

Числові значення q для різних рідин, що контактують з різними твердими тілами, наводяться в довідкових таблицях.

ІІ.І3 Додатковий тиск під викривленою поверхнею рідин

Поверхня рідин в посудинах внаслідок змочування – ввігнута, а внаслідок незмочування – випукла. Якщо поверхня рідини ввігнута, то результуюча сила, що діє на найнижчі молекули з боку сусідніх молекул поверхні направлена вверх (при випуклій поверхні – вниз) (рис.ІІ.7). Ця сила, напрямок і величину якої знаходять, користуючись правилом паралелограма, обумовлює додатковий тиск , що у випадку ввігнутої поверхні направлений протилежно атмосферному тиску і гідростатичному тиску рідини.

Рис. ІІ.7

Для сферичних поверхонь рідин Лаплас установив:

Додатковий тиск прямо пропорційний коефіцієнту поверхневого натягу і обернено пропорційний радіусу R кривизни поверхні.

. (ІІ.16)

Цей вираз називають формулою Лапласа. Знак "+" – для ввігнутої поверхні, „ – ” – для випуклої поверхні вказує на те, що в першому випадку додатковий тиск направлений назовні рідини, а в другому – всередину.

ІІ.14 Капілярні явища. Формула Жюрена

Капілярами називають посудини з дуже малими діаметрами.

При дуже малих радіусах капілярів вся поверхня рідини викривлена (у випадку змочування меніск ввігнутий, а при незмочуванні – випуклий) і радіус кривизни R може бути дуже малим, що обумовлює достатньо великий додатковий тиск Δр (згідно з формулою ІІ.16). Цей тиск піднімає рідину в капілярі при ввігнутому меніску і опускає при випуклому відносно її рівня в резервуарі, з яким з’єднаний капіляр (рис.ІІ.8).

Підняття рідини припи-няється, коли додатковий тиск Δр = стає рівним гідро-статичному тиску р _г = , тобто при умові:

=

де ρ – густина рідини, h – висота піднят-

тя рідини, g – прискорення вільного падіння. Рис. ІІ.8

Звідси:

. (ІІ.17)

Врахуємо, що кут (рис.ІІ.8) дорівнює крайовому куту змочування θ (як кути, утворені взаємоперпендикулярними сторонами). Тоді: , а і формула (ІІ.17) набуває вигляду:

, (ІІ.18)

де r – радіус капіляра.

Це рівняння називають формулою Жюрена, який вперше отримав його.Користуючись нею можна визначити висоту h підняття рідини в капілярі (наприклад, в стеблі рослини), а значить і можливу висоту, до якої вона може вирости, якщо відомі значення r, α, (r для різних речовин, зазвичай, відомі, як і значення , а значення α легко знайти експериментально).

ІІ.15 Пароутворення та його види. Конденсація

Пароутворенням називають перехід речовин із рідкого стану в газоподібний.

Питомою теплотою пароутворення λ називають кількість теплоти, яку необхідно затратити для перетворення одиниці маси (1 кг) рідини в пар при температурі пароутворення.

Для різних рідин чиселове значення λ різне, тому щовони складаються із різних молекул, сили притягання між якими неоднакові. Тому і різну енергію необхідно затратити для розриву міжмолекулярних зв’язків у різних рідинах.

Існує два процеси пароутворення – випаровування і кипіння.

Випаровуванням називають відрив молекул від поверхні рідини.

Відриваються від поверхні ті молекули, що мають кінетичну енергію, достатню для подолання сил притягання до сусідніх молекул. Таким чином, при випаровуванні відриваються від поверхні рідини молекули з більшою енергією, а залишаються в рідині молекули з меншою енергією. Це означає, що внаслідок випаровування температура рідини зменшується.

Випаровування відбувається при будь-якій температурі, тому що при будь-якій температурі є молекули, що мають достатню енергію для розриву міжмолекулярних зв’язків. Цю енергію вони отримують від своїх сусідок при взаємному зштовхуванні внаслідок хаотичного руху. При більш низьких температурах таких молекул менше, а значить менша й інтенсивність випаровування.

Кипінням називають випаровування молекул як із зовнішньої поверхні рідини, так і всередині рідини в бульбашки повітря.

Від поверхні, як і при випаровуванні, молекули відриваються в навколишню атмосферу, а в об’ємі – у бульбашки повітря, які практично завжди є в будь-якій рідині. Практично неможливо налити рідину в посудину, щоб усе повітря, яке було в посудині до цього, витиснулось з посудини рідиною. Найчастіше воно залишається в тріщинах і подряпинах дна та стінок посудини, у місцях незмочування матеріалу посудини тощо. На відміну від випаровування, кипіння рідини відбувається не при будь-яких температурах, а тільки при певних для кожної рідини. При нормальному тиску вода кипить при t = 100˚С.

У міру кипіння молекули рідини, що оточують бульбашку повітря, відриваються від рідини і розмір бульбашки газової суміші зростає. Зростає в бульбашці і величина тиску. Коли тиск в бульбашці стає рівним і більшим суми атмосферного тиску повітря над поверхнею рідини та гідростатичного тиску стовпа рідини над бульбашкою, вона спливає на поверхню і лопається, переносячи таким чином молекули рідини в атмосферу над поверхнею.

Конденсацією називають перехід речовин із газоподібного стану в рідкий.

Очевидно, що молекули речовини в газоподібному стані мають більшу енергію ніж в рідині. Тому при зштовхуванні молекул газу з рідиною їх енергія зменшується, а енергія молекул рідини збільшується. Це означає, що при конденсації температура рідини зростає.

ІІ.16 Вологість повітря. Точка роси

Повітря являє собою суміш різних газів (біля 78% азоту, 21% кисню, 0,03% вуглекислого газу тощо).

Повітря вологе, якщо в ньому є молекули води. І чим їх більше, тим вологіше повітря. Зазвичай повітря містить біля 1–2 % пари (води у газоподібному стані). Оскільки ступінь вологості повітря дуже важливий для всіх живих організмів, рослин, різноманітних харчових продуктів, технічних матеріалів, технічних виробів тощо, то визначення вологості повітря має велике практичне значення.

Для оцінки вологості повітря користуються поняттями абсолютної, максимальної та відносної вологості.

Абсолютною вологістю називають масу водяної пари в одиниці об’єму повітря.

Максимальною вологістю Е називають масу водяної пари в одиниці об’єму повітря, за якої пара при даній температурі стає насиченою і конденсується.

Абсолютна і максимальна вологість може виражатися у грамах на метр кубічний (г/м³) або паскалях (в останньому випадку оцінюється парціальний тиск пари, тобто тиск, який чинять молекули води, що знаходяться в газовій суміші повітря). Максимальна вологість повітря для кімнатної температури (20⁰С) становить біля 17 г/м³.

Відносною вологістю називають виражене у відсотках відношення абсолютної вологості а до максимальної вологості Е.

.

При зниженні температури повітря енергія його молекул, у тому числі і молекул води, зменшується. Це призводить до того, що, починаючи з деякої температури, енергії молекул води при їх зіштовхуванні з іншими молекулами води не вистачає для подолання сил притягання і вони залишаються одна біля одної. Поступово утворюється крапля води і випадає роса.

Температура, при якій водяна пара стає насиченою і починає конденсуватися (випадає роса) називається точкою роси.

Очевидно, що точка роси залежить від вологості повітря. Чим вона більша, тим при більш високій температурі випадає роса.

II.17 Основи термодинаміки. Закони термодинаміки.

Термодинаміка вивчає кількісні закономірності перетворення енергії в різних процесах, обумовлених тепловим рухом молекул. Основи термодинаміки закладені у двох законах (началах) термодинаміки. При формулюванні цих законів користуються поняттям термодинамічної системи. Термодинамічна система – це тіло або група тіл, в якому (яких) відбуваються процеси перетворення теплової енергії в інші види і навпаки. При цьому ізольована термодинамічна система не обмінюється речовиною та енергією з зовнішнім середовищем, а відкрита система – обмінюється. Перехід термодинамічної системи з одного стану в інший називається термодинамічним процесом.

Перший закон термодинаміки:

Теплота, що надається термодинамічній системі, йде на зміну внутрішньої енергії системи та на роботу, що виконується системою:

Q = ∆U + A

Перший закон термодинаміки виражає закон збереження енергії для термодинамічних систем і з нього, зокрема, випливає, що система не може виконати роботу, більшу за отриману ззовні енергію (при ∆U=0). Відкриття першого закону термодинаміки поклало край пошукам вічного двигуна – системи, яка б виконувала роботу, не витрачаючи при цьому енергії.

Другий закон термодинаміки має декілька формулювань і описує напрямок термодинамічних процесів. Друге начало термодинаміки наголошує, що теплова енергія є енергією “найнижчої якості”. Про це свідчить, зокрема, те, що всі процеси ведуть до переходу механічної (чи інших видів енергії) у теплову, але не можливий перехід усієї теплової енергії у механічну роботу. Зокрема, одне з формулювань другого закону термодинаміки стверджує, що не можливий механізм, який переводив би все отримане від нагрівача тепло у механічну роботу; частина цього тепла має бути втрачена (передана охолоджувачу). Наслідком цього закону є те, що коефіцієнт корисної дії теплової машини (тобто відношення виконаної машиною роботи до затраченої на це теплової енергії) завжди буде менше одиниці.

ІIІ. Основи електрики

ІІІ.1 Природа електричних явищ. Взаємодія зарядів

Електричні явища мають місце тому, що в природі існують особливі за фізичними властивостями частинки. Існує два види таких частинок. Перші із них умовились називати позитивно зарядженими, а другі – негативно зарядженими. В атомах хімічних елементів такими частинками є протони і електрони. Протони заряджені позитивно, а електрони – негативно. За числовим значенням величина заряду протона q_p і електрона q_е однакова (q_p= q_е= 1,6 · 10^-19 Кл). У природі існують і інші електрично заряджені елементарні частинки – позитрони, мезони, баріони тощо.

1 кулон (1 Кл) – це одиниця вимірювання заряду, що чисельно дорівнює кількості електрики, яка переноситься через поперечний переріз провідника за 1 с при силі струму, рівній 1 А.

У нормальному стані атоми, молекули і фізичні тіла мають однакову кількість електронів та протонів і є електронейтральними. Але при деяких взаємодіях вони обмінюються елементарними зарядами і стають зарядженими. Це має місце при взаємному терті, хімічних реакціях тощо. Внаслідок цього одні взаємодіючі тіла заряджаються негативно, а інші – позитивно.

Експериментально встановлено, що одноіменні заряди відштовхуються, а різнойменні притягуються, і силу взаємодії для точкових зарядів (заряджених тіл, розмірами яких можна знехтувати) знаходять, користуючись законом Кулона:

Сила F, з якою взаємодіють два точкових заряди q₁ і q₂ у вакуумі, прямо пропорційна числовому значенню цих зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані r між ними (рис.ІІІ.1):

, ( ІІІ.1 )

де k = , а – електрична стала ( = 8,85 ·10^-12 ).

Рис. ІІІ.1

Атоми і молекули, в яких кількість електронів менша від кількості протонів, є позитивними іонами, а атоми і молекули, в яких електронів більше ніж протонів – негативними. Макротіла з дефіцитом електронів заряджені позитивно, а з надлишком електронів – негативно.

ІІІ.2 Електричне поле. Напруженість поля точкового заряду. Силові лінії поля

Дія від одних зарядів до інших передається через особливий вид матерії – електричне поле.

Електричним полем називають особливий вид матерії, що існує навколо будь-якого зарядженого тіла (частинки), через яку передається дія від одних зарядів до інших.

Із закону Кулона (ІІІ.1) видно, що на різних відстанях r від заряду q ₁ на внесений в його електричне поле інший заряд q ₂ діє різна сила F. Це означає, що в різних місцях простору навколо заряду q ₁ різне поле. Для характеристики електричних полів користуються поняттям напруженості.

Напруженістю Е електричного поля називають силу, з якою поле у даній точці простору діє на одиничний позитивний заряд. Якщо на деякий заряд q в електричному полі діє сила F, то:

. (III.2)

Із (III.2) випливає:

.

На практиці напруженість Е вимірюється у В/м, при цьому 1 В/м = = 1 Н/Кл.

Згідно із законом Кулона, сила F, з якою точковий заряд Q діє на внесений в його поле на відстань r від нього заряд q, є:

, (III.3)

де e₀ – електрична стала.

Підставивши (ІІІ.3) в (ІІІ.2) отримуємо:

,

тобто, напруженість поля точкового заряду Q:

. (ІІІ.4)

Знання напруженості Е дає можливість визначити силу F, з якою поле діє на будь-який заряд q:

F = Е q (ІІІ.5)

Для практичних цілей електричні поля зручно зображати за допомогою силових ліній.

Силовою лінією електричного поля називають лінію, дотична в кожній точці якої співпадає з напрямком напруженості поля (з напрямком сили, що діє на позитивний заряд) (рис.ІІІ.2).

Рис. ІІІ.2

Очевидно, що від точкового позитивного заряду силові лінії розходяться, а до точкового негативного заряду – сходяться (рис.ІІІ.3).

Рис. ІІІ.3

При графічному зображенні електричних полів у просторі силові лінії проводять з такою густиною, щоб їх кількість, яка перетинає перпендикулярну до них поверхню площею 1 м², чисельно дорівнювала напруженості поля Е в даному місці простору(рис.ІІІ.4).

Рис. ІІІ.4

ІІІ.3 Потенціал електричного поля. Напруга

Електричне поле діє на внесений в нього заряд q з певною силою F = Еq, під дією якої заряд переміщується в просторі, тобто поле виконує роботу, а значить має певну потенціальну енергію W. Із формули напруженості поля точкового заряду видно, що на нескінченно великій відстані (r = ∞) від заряду Q величина Е = 0. Це означає, що при переміщенні заряду q з відстані r від заряду Q на відстань r = ∞ вся енергія поля витрачається на роботу А. Для оцінки числового значення енергії електричного поля в будь-якій точці простору користуються поняттям потенціалу поля.

Потенціалом φ електричного поля називають роботу по переміщенню одиничного позитивного заряду з даної точки поля на нескінченність.

Якщо виконана полем робота по переміщенню заряду q на нескінченність дорівнює А, то потенціал φ поля:

φ = . (ІІІ.6)

Із цієї формули отримуємо розмірність одиниці вимірювання потенціалу електричного поля в СІ:

.

За одиницю вимірювання потенціалу прийняли 1 вольт (1 В).

Потенціал електричного поля дорівнює 1 вольту, якщо при переміщенні одиничного позитивного заряду () з даної точки поля на нескінченість виконується робота, рівна 1 джоулю.

1В = 1Дж/Кл.

Потенціал електричного поля в різних точках простору може бути різним. Якщо в одній точці простору потенціал поля φ₁, а в іншій φ₂, то між ними існує різниця потенціалів φ₁ – φ₂.

Різниця потенціалів φ₁ – φ₂ між двома точками поля, яка чисельно дорівнює роботі по переміщенню одиничного заряду (q = 1 Кл) із точки з потенціалом φ₁ в точку з потенціалом φ₂, називають напругою U: .

Напруга, як і потенціал поля, вимірюється у вольтах.

ІІІ.4 Провідники в електричному полі

Провідниками називають речовини, що проводять електричний струм. У провідниках є заряди, що можуть вільно переміщуватись. Тіла, в яких такими зарядами є вільні електрони, називають провідниками І роду. До них належать всі метали. Тіла, в яких вільними зарядами є іони, називають провідниками ІІ роду. До них належать електроліти (розчини солей, кислот, лугів).

Якщо провідник помістити в електричне поле, то під його дією негативні заряди зміщуються проти напрямку силових ліній поля, а позитивні – у напрямку силових ліній. Внаслідок цього поверхня тіла, в яку входять силові лінії, заряджається негативно, а протилежна поверхня – позитивно (рис.ІІІ.5).

Явище зарядження повер-хонь провідника в електричному полі називають електростатич-ною індукцією.

Внаслідок цього явища всередині провідника виникає поле Рис. ІІІ.5

з напруженістю Е, направленою протилежно напруженості Е₀ зовнішнього поля. Концентрація вільних зарядів у провідниках дуже велика, тому, якою б не була напруженість зовнішнього поля, напруженість поля, обумовленого зарядженням поверхонь тіла, завжди компенсує напруженість зовнішнього поля (Е₀ = -Е). Отже, напруженість поля в провіднику дорівнює нулю. Описане явище використовують для запобігання проникнення зовнішніх полів у ті приміщення, де досліджують вплив електричних полів на властивості різних речовин. Для цього під штукатурку таких приміщень поміщають металеву сітку.

ІІІ.5 Діелектрики в електричному полі

Діелектриками називають речовини, що не проводять електричний струм. У діелектриках немає вільних зарядів, але є зв’язані заряди – електрони, які рухаються по орбітах навколо ядер атомів, ядра атомів, позитивні і негативні іони.

Якщо діелектрик помістити у зовнішнє електричне поле, то під його дією, як і у випадку провідників, його поверхні заряджаються. Поверхня, куди входять силові лінії зовнішнього поля, заряджається негативно, а протилежна – позитивно.

Зарядження поверхонь діелектрика у зовнішньому електричному полі називають поляризацією.

Причина зарядження поверхонь діелектрика залежить від типу його молекул. Діелектрики можуть складатись із неполярних, полярних молекул та різнойменних іонів.

У першому випадку під дією зовнішнього поля електронні орбіти молекул деформуються так, що електрони більшу частину часу свого обертання навколо ядер атомів знаходяться з того боку від ядер, з якого входять силові лінії поля (рис.ІІІ.6). Таку поляризацію називають електронною. Рис. ІІІ.6

У випадку полярних діелектриків (вода, аміак, ефір, ацетон) одна сторона молекули заряджена негативно, а протилежна – позитивно (диполі).

Внаслідок хаотичного руху молекулярні диполі зорієнтовані в просторі як завгодно. Зовнішнє поле орієнтує осі диполів уздовж силових ліній так, що негативні їх кінці знаходяться з боку входження в тіло силових ліній, а позитивні – з протилежного боку (рис.ІІІ.7). Відповідну поляризацію назива- Рис. ІІІ.7

ють дипольною.

У випадку діелектриків з іонною кристалічною решіткою позитивні іони зміщуються по полю, а негативні – проти силових ліній зовнішнього поля (рис.ІІІ.8). Таким чином, як і у попередніх випадках, поверхня, в яку входять силові лінії заряджається негативно, протилежна – позитивно, а поляризацію називають іонною. Рис. ІІІ.8

В усіх розглянутих випадках поверхні заряджаються і обумовлюють електричне поле, напруженість якого Е ₁ протилежно направлена напруженості Е ₀ зовнішнього поля (рис.ІІІ.9). На відміну від провідників, напруженість Е ₁ поля в діелектриках не компенсує напруженість Е ₀ зовнішнього поля і результуюча напруженість Е поля в діелектрику Е = Е ₀– Е ₁.

Число , яке показує, у скільки разів напруженість Е ₀ поля у вакуумі більша ніж напруженість цього ж поля Е в однорідному діелектрику, називається діелектричною проникністю діелектрика:

.

Як бачимо, і в провідниках, і в діелектриках відбуваються певні зміни, коли Рис. ІІІ.9

вони знаходяться в електричному полі. У діелектриків значення дає певну інформацію про тип молекул в них та зв’язки між ними.

ІІІ.6 Електричний струм. Сила струму.

Електрорушійна сила

Дата добавления: 2015-05-23