\u003e\u003e Физика: Зависимост на налягането на наситената пара от температурата. Кипене

Течността не само се изпарява. Кипи при определена температура.
Зависимост на налягането на наситената пара от температурата... Състоянието на наситени пари, както показва опитът (говорихме за това в предишния раздел), се описва приблизително чрез уравнението на състоянието на идеален газ (10.4) и неговото налягане се определя по формулата

С повишаване на температурата налягането се повишава. Като налягането на наситената пара не зависи от обема, следователно зависи само от температурата.
Въпреки това пристрастяване r н.п. от т, открит експериментално, не е право пропорционален, както при идеален газ с постоянен обем. С повишаване на температурата налягането на истинска наситена пара се увеличава по-бързо от налягането на идеален газ ( фиг. 11.1, част от кривата AB). Това става очевидно, ако изчертаем идеалните газови изохори през точките A и IN (пунктирани линии). Защо се случва това?

Когато течността се нагрява в затворен съд, част от течността се превръща в пара. В резултат на това, съгласно формула (11.1) налягането на наситените пари се увеличава не само поради повишаване на температурата на течността, но и поради увеличаване на концентрацията на молекули (плътност) на парите... По принцип увеличаването на налягането с повишаване на температурата се определя точно от увеличаването на концентрацията. Основната разлика в поведението на идеалния газ и наситената пара е, че когато температурата на парата в затворен съд се промени (или когато обемът се промени при постоянна температура), масата на парата се променя. Течността частично се превръща в пара или, напротив, парата се частично кондензира. Нищо подобно не се случва с идеален газ.
Когато цялата течност се изпари, парите при допълнително нагряване ще престанат да бъдат наситени и нейното налягане при постоянен обем ще се увеличи право пропорционално на абсолютната температура (вж. фиг. 11.1, част от кривата Слънце).
. С увеличаване на температурата на течността скоростта на изпаряване се увеличава. Накрая течността започва да кипи. При кипене по целия обем на течността се образуват бързо нарастващи мехурчета от пара, които изплуват на повърхността. Точката на кипене на течността остава постоянна. Това е така, защото цялата енергия, подавана към течността, се изразходва за превръщането й в пара. При какви условия кипенето започва?
Течността винаги съдържа разтворени газове, отделящи се на дъното и стените на съда, както и върху прахови частици, суспендирани в течността, които са центрове на изпаряване. Течните пари вътре в мехурчетата са наситени. С повишаване на температурата налягането на наситените пари се увеличава и мехурчетата увеличават размера си. Под действието на силата на плаваемост те се издигат нагоре. Ако горните слоеве на течността имат по-ниска температура, тогава в тези слоеве се получава кондензация на пара в мехурчета. Налягането бързо спада и мехурчетата се срутват. Срутването настъпва толкова бързо, че стените на балона, сблъсквайки се, произвеждат нещо като експлозия. Много от тези микро взривове създават характерен шум. Когато течността се затопли достатъчно, мехурчетата спират да се срутват и изплуват на повърхността. Течността ще заври. Обърнете голямо внимание на чайника на печката. Ще откриете, че почти спира да вдига шум, преди да заври.
Зависимостта на налягането на наситените пари от температурата обяснява защо точката на кипене на течността зависи от налягането върху нейната повърхност. Парен балон може да нарасне, когато налягането на наситената пара вътре в него леко надвишава налягането в течността, което е сумата от въздушното налягане върху повърхността на течността (външно налягане) и хидростатичното налягане на колоната на течността.
Нека обърнем внимание на факта, че изпарението на течност се случва при температури, по-ниски от точката на кипене, и само от повърхността на течността, по време на кипене, образуването на пари се случва по целия обем на течността.
Кипенето започва при температура, при която налягането на наситената пара в мехурчетата е равно на това в течността.
Колкото по-високо е външното налягане, толкова по-висока е точката на кипене... И така, в парен котел при налягане, достигащо 1,6 10 6 Pa, водата не кипи дори при температура от 200 ° C. В лечебни заведения в херметически затворени съдове - автоклави ( фигура 11.2) кипене на вода се получава и когато високо кръвно налягане... Следователно точката на кипене на течността е значително по-висока от 100 ° C. Автоклавите се използват за стерилизация на хирургически инструменти и др.

И обратно, намалявайки външното налягане, ние по този начин понижаваме точката на кипене... Чрез изпомпване на въздух и водни пари от колбата можете да накарате водата да заври, когато стайна температура (фиг.11.3). При изкачване на планини атмосферното налягане намалява, така че температурата на кипене намалява. На височина 7134 m (връх Ленин в Памир) налягането е приблизително равно на 4 10 4 Pa \u200b\u200b(300 mm Hg). Водата кипи там при около 70 ° C. Невъзможно е да се готви месо при тези условия.

Всяка течност има своя точка на кипене, която зависи от налягането на наситените й пари. Колкото по-високо е налягането на наситените пари, толкова по-ниска е температурата на кипене на течността, тъй като при по-ниски температури налягането на наситените пари става равно на атмосферното. Например при точка на кипене от 100 ° C налягането на наситените водни пари е 101 325 Pa (760 mm Hg), а на живачните пари е само 117 Pa (0,88 mm Hg). Живакът кипи при 357 ° C при нормално налягане.
Течността кипи, когато налягането на наситените й пари стане равно на налягането вътре в течността.

???
1. Защо точката на кипене се увеличава с налягане?
2. Защо повишаването на налягането на наситените пари в мехурчетата е от съществено значение за кипене, а не увеличаване на налягането на въздуха, присъстващ в тях?
3. Как да накараме течността да заври чрез охлаждане на съда? (Това не е лесен въпрос.)

Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Соцки, физика 10 клас

Съдържание на урока конспект на урока подкрепа рамка презентация урок ускорителни методи интерактивни технологии Практика задачи и упражнения семинари за самопроверка, обучения, казуси, куестове домашни задачи дискусионни въпроси реторични въпроси от ученици Илюстрации аудио, видеоклипове и мултимедия снимки, графики, таблици, схеми хумор, вицове, забавления, комикси притчи, поговорки, кръстословици, цитати Добавки резюмета статии чипове за любопитните шпаргалки учебници основен и допълнителен речник на термини други Подобряване на учебниците и уроците корекции на грешки в урока актуализиране на фрагмент в учебника елементи на иновации в урока, заместващи остарелите знания с нови Само за учители перфектни уроци календарен план за годината насоки дневен ред на дискусията Интегрирани уроци

Ако имате някакви корекции или предложения за този урок,

Изпаряването може да се случи не само в резултат на изпаряване, но и по време на кипене. Помислете за кипене от енергийна гледна точка.

Определено количество въздух винаги се разтваря в течността. При нагряване на течността количеството разтворен в нея газ намалява, в резултат на което част от него се отделя под формата на малки мехурчета по дъното и стените на съда и върху неразтворени твърди частици, суспендирани в течността. Настъпва изпаряване на течност във вътрешността на тези въздушни мехурчета. С течение на времето изпаренията в тях се насищат. При по-нататъшно нагряване налягането на наситените пари в мехурчетата и техният обем се увеличават. Когато налягането на парите вътре в мехурчетата стане равно на атмосферното, под действието на плаващата сила на Архимед те се издигат на повърхността на течността, избухват и парата излиза от тях. Изпаряването, което се извършва едновременно от повърхността на течността и вътре в самата течност във въздушни мехурчета, се нарича кипене. Нарича се температурата, при която налягането на наситените пари в мехурчетата става равно на външното налягане точка на кипене.

Тъй като при едни и същи температури налягането на наситените пари на различните течности са различни, при различни температури те стават равни атмосферно налягане... Това води до кипене на различни течности при различни температури. Това свойство на течностите се използва при сублимация на петролни продукти. При нагряване на маслото първо се изпаряват най-ценните, летливи части (бензин), които по този начин се отделят от „тежките“ остатъци (масла, мазут).

От факта, че кипенето се получава, когато налягането на наситените пари е равно на външното налягане върху течността, следва, че точката на кипене на течността зависи от външното налягане. Ако се увеличи, тогава течността кипи при по-висока температура, тъй като за да се постигне такова налягане, наситените пари се нуждаят от повече топлина... И обратно, при понижено налягане течността кипи при по-ниска температура. Това се вижда от опит. Загрейте водата в колбата до кипене и извадете алкохолната лампа (Фиг. 37, а). Водата спира да кипи. След като затворим колбата със запушалка, ще започнем да отстраняваме от нея въздух и водни пари с помпа, като по този начин намаляваме налягането върху водата, което „в резултат на това кипи. Като го кипнем в отворена колба, изпомпвайки въздух в колбата, ще увеличим налягането върху водата (фиг. 37, б) Спира да кипи. 1 атм водата кипи при 100 ° С и при 10 атм - при 180 ° C. Тази зависимост се използва, например, в автоклави, в лекарства за стерилизация, при готвене, за да се ускори готвенето на храната.

За да може течността да започне да кипи, тя трябва да се нагрее до точката на кипене. За да направите това, е необходимо да придадете енергия на течността, например количеството топлина Q \u003d cm (t ° k - t ° 0)... При кипене температурата на течността остава постоянна. Това е така, защото количеството топлина, предадено по време на кипене, се изразходва не за увеличаване на кинетичната енергия на течните молекули, а за работата по разрушаване на молекулните връзки, т.е. за изпаряване. По време на кондензацията парата, съгласно закона за запазване на енергията, се отказва до околен свят количеството топлина, което е изразходвано за изпаряване. Кондензацията възниква при точка на кипене, която остава постоянна по време на кондензацията. (Обясни защо).

Нека съставим уравнението на топлинния баланс по време на изпаряване и кондензация. Парите, взети в точката на кипене на течността, попадат във водата в калориметъра (фиг. 38, а) през тръба А., кондензират се в нея, като й отделят количеството топлина, изразходвано за получаването му. Водата и калориметърът получават в този случай количеството топлина не само от кондензацията на пара, но и от течността, която се получава от нея. Физическите данни са дадени в таблица. 3.

Кондензиращата пара отделя количеството топлина Q p \u003d rm 3 (Фиг. 38, б). Течността, получена от пара, след охлаждане от t ° 3 до θ °, отделя количеството топлина Q 3 \u003d c 2 m 3 (t 3 ° - θ °).

Калориметърът и водата, загряващи от t ° 2 до θ ° (фиг. 38, в), получават количеството топлина

Q 1 \u003d c 1 m 1 (θ ° - t ° 2); Q 2 \u003d c 2 m 2 (θ ° - t ° 2).

Въз основа на закона за запазване и преобразуване на енергията

Q p + Q 3 \u003d Q 1 + Q 2,

Кипенето е процес на промяна на агрегатното състояние на дадено вещество. Когато говорим за вода, имаме предвид промяна от течно състояние в състояние на пара. Важно е да се отбележи, че кипенето не е изпаряване, което може да се случи дори при стайна температура. Също така, да не се бърка с кипенето, което е процесът на загряване на водата до определена температура. След като разбрахме концепциите, можем да определим при каква температура кипи водата.

Процес

Самият процес на превръщане на агрегатното състояние от течно в газообразно е сложен. Въпреки че хората не го виждат, има 4 етапа:

1. На първия етап на дъното на нагрятия съд се образуват малки мехурчета. Те могат да се видят и отстрани или на повърхността на водата. Те се образуват поради разширяването на въздушните мехурчета, които винаги присъстват в пукнатините на контейнера, където водата се нагрява.
2. На втория етап обемът на мехурчетата се увеличава. Всички те започват да се разкъсват на повърхността, тъй като съдържат наситена пара, която е по-лека от водата. С повишаване на температурата на нагряване налягането на мехурчетата се увеличава и те се изтласкват на повърхността поради известната сила на Архимед. В същото време можете да чуете характерния кипящ звук, който се образува поради постоянното разширяване и намаляване на размера на мехурчетата.
3. На третия етап на повърхността могат да се видят голям брой мехурчета. Това първоначално създава мътна вода. Този процес се нарича популярно „кипене с бял ключ“ и продължава за кратък период от време.
4. На четвъртия етап водата кипи интензивно, на повърхността се появяват големи пукащи се мехурчета и могат да се появят пръски. Най-често пръскането означава, че течността е достигнала максималната си температура. Парата ще започне да излиза от водата.

Известно е, че водата кипи при температура от 100 градуса, което е възможно само на четвъртия етап.

Температура на парата

Парата е едно от състоянията на водата. Когато попадне във въздуха, той, както и другите газове, оказва определен натиск върху него. По време на изпаряването температурите на парата и водата остават постоянни, докато цялата течност не промени агрегационното си състояние. Това явление може да се обясни с факта, че по време на кипене цялата енергия се изразходва за превръщане на водата в пара.

В самото начало на кипене се образува влажна наситена пара, която след изпаряване на цялата течност става суха. Ако температурата му започне да надвишава температурата на водата, тогава такава пара се прегрява и по своите характеристики ще бъде по-близо до газта.

Солена вода вряща

Достатъчно интересно е да се знае при каква температура кипи вода с високо съдържание на сол. Известно е, че тя трябва да бъде по-висока поради съдържанието на Na + и Cl-йони в състава, които заемат област между водните молекули. По този начин химичният състав на водата със сол се различава от обикновената прясна течност.

Факт е, че в солената вода протича реакция на хидратация - процесът на прикрепване на водните молекули към солените йони. Връзката между молекулите на прясна вода е по-слаба от тези, образувани по време на хидратацията, така че кипенето на течност с разтворена сол ще отнеме повече време. С повишаването на температурата молекулите във водата, съдържаща сол, се движат по-бързо, но има по-малко от тях, което прави сблъсъците помежду им по-редки. В резултат на това се генерира по-малко пара и следователно нейното налягане е по-ниско от парното налягане на прясна вода. Следователно, за пълното генериране на пара е необходима повече енергия (температура). Средно, за да заври един литър вода, съдържаща 60 грама сол, е необходимо да се повиши степента на кипене на водата с 10% (т.е. с 10 С).

Налягане на кипене спрямо налягане

Известно е, че в планината, независимо от химичен състав точката на кипене на водата ще бъде по-ниска. Това се дължи на факта, че атмосферното налягане е по-ниско на височина. Налягане със стойност 101,325 kPa се счита за нормално. При него точката на кипене на водата е 100 градуса по Целзий. Но ако се изкачите в планината, където налягането е средно 40 kPa, тогава водата там кипи при 75,88 С. Но това не означава, че готвенето в планината ще трябва да прекара почти половината от времето. За топлинна обработка продуктите се нуждаят от определена температура.

Смята се, че на височина 500 метра над морското равнище водата ще кипи при 98,3 С, а на височина 3000 метра температурата на кипене ще бъде 90 С.

Имайте предвид, че този закон работи и в обратна посока. Ако поставите течност в затворена колба, през която парата не може да премине, тогава с повишаване на температурата и образуването на пара, налягането в тази колба ще се увеличи и кипенето при повишено налягане ще се случи при по-висока температура. Например, при налягане от 490,3 kPa, точката на кипене на водата ще бъде 151 C.

Вряща дестилирана вода

Дестилираната вода е пречистена вода, която не съдържа никакви примеси. Често се използва за медицински или технически цели. Като се има предвид, че в такава вода няма примеси, тя не се използва за готвене. Интересно е да се отбележи, че дестилираната вода кипи по-бързо от обикновената прясна вода, но точката на кипене остава същата - 100 градуса. Разликата във времето на кипене обаче ще бъде минимална - само частица секунда.

В чайника

Често хората се интересуват от температурата, при която водата кипи в чайник, тъй като именно тези устройства използват за кипене на течност. Като се вземе предвид факта, че атмосферното налягане в апартамента е равно на стандартното, а използваната вода не съдържа соли и други примеси, които не трябва да има, тогава температурата на кипене също ще бъде стандартна - 100 градуса. Но ако водата съдържа сол, тогава точката на кипене, както вече знаем, ще бъде по-висока.

Заключение

Сега знаете при каква температура кипи водата и как атмосферното налягане и течният състав влияят на този процес. В това няма нищо трудно и децата получават такава информация в училище. Основното нещо е да запомните, че с намаляване на налягането температурата на кипене на течността също намалява и с нейното увеличаване също се увеличава.

В Интернет можете да намерите много различни таблици, които показват зависимостта на точката на кипене на течността от атмосферното налягане. Те са достъпни за всички и се използват активно от ученици, студенти и дори преподаватели в институти.

Състояния на материята

Желязна пара и твърд въздух

Не е ли странна комбинация от думи? Това обаче съвсем не е глупост: както желязна пара, така и твърд въздух съществуват в природата, но не само кога нормални условия.

За какви условия говорим? Състоянието на веществото се определя от два фактора: температура и налягане.

Животът ни протича в сравнително малко променящи се условия. Въздушното налягане се колебае в рамките на няколко процента от около една атмосфера; температурата на въздуха, да речем, в района на Москва лежи в диапазона от -30 до + 30 ° С; в абсолютна температурна скала, при която най-ниската възможна температура се приема за нула (-273 ° С); този интервал ще изглежда по-малко впечатляващ: 240-300 K, което също е само ± 10% от средната стойност.

Съвсем естествено е, че сме свикнали с тези обикновени условия и затова, когато говорим прости истини като: „желязото е твърдо вещество, въздухът е газ“ и т.н., забравяме да добавим: „при нормални условия“.

Ако загреете желязото, то първо ще се стопи и след това ще се изпари. Ако въздухът се охлади, той първо ще се превърне в течност и след това ще се втвърди.

Дори читателят никога да не е срещал железни пари и твърд въздух, той вероятно лесно ще повярва, че всяко вещество, чрез промяна на температурата, може да се получи в твърдо, течно и газообразно състояние или, както се казва, в твърдо вещество , течни или газообразни фази.

Лесно е да се повярва в това, защото всеки би наблюдавал едно вещество, без което животът на Земята би бил невъзможен, както под формата на газ, така и като течност, и под формата на твърдо вещество. Тук става въпрос, разбира се, за водата.

При какви условия се случват трансформациите на материята от едно състояние в друго?

Кипене

Ако спуснем термометъра във водата, която се излива в чайника, включим електрическата печка и наблюдаваме живака на термометъра, ще видим следното: почти веднага нивото на живака ще пропълзи. Вече 90, 95, накрая 100 ° C. Водата кипи и в същото време възходът на живака спира. Водата кипи от много минути, но нивото на живак не се е променило. Докато цялата вода не изкипи, температурата няма да се промени (Фигура 4.1).

Фигура: 4.1

За какво отива топлината, ако температурата на водата не се промени? Отговорът е очевиден. Процесът на превръщане на водата в пара изисква енергия.

Нека сравним енергията на грам вода и грам пара, образувана от нея. Молекулите на парите са разположени по-далеч една от друга, отколкото молекулите на водата. Ясно е, че поради това потенциалната енергия на водата ще се различава от потенциалната енергия на парата.

Потенциалната енергия за привличане на частици намалява с техния подход. Следователно енергията на парата е по-голяма от енергията на водата и превръщането на водата в пара изисква енергия. Този излишък от енергия се предава от електрическата печка на вряща вода в чайника.

Енергия, необходима за превръщане на водата в пара; наречена топлина на изпаряване. За да превърнете 1 g вода в пара, са необходими 539 калории (това е цифрата за температура от 100 ° C).

Ако 539 калории отиват на 1 g, тогава 18 * 539 \u003d 9700 калории ще бъдат изразходвани за 1 мол вода. Това количество топлина трябва да бъде изразходвано за разкъсване на междумолекулните връзки.

Можете да сравните тази цифра с обема работа, необходима за разкъсване на вътремолекулните връзки. За да се раздели 1 мол водна пара на атоми, са необходими около 220 000 калории, тоест 25 пъти повече енергия. Това директно доказва слабостта на силите, които свързват молекулите помежду си, в сравнение със силите, които привличат атомите заедно в молекула.

Точка на кипене спрямо налягане

Точката на кипене на водата е 100 ° C; може да се мисли, че това е присъщо свойство на водата, че водата, където и в какви условия е, винаги ще кипи при 100 ° C.

Но това не е така и жителите на високопланинските села са наясно с това.

Близо до върха на Елбрус има туристическа къща и научна станция. Начинаещите понякога се чудят „колко е трудно да сварите яйце във вряща вода“ или „защо врящата вода не гори“. При тези условия им се казва, че водата кипи на върха на Елбрус вече при 82 ° С.

Какво става тук? Кой физически фактор пречи на явлението на кипене? Колко важна е височината?

Това физически фактор е налягането, действащо върху повърхността на течността. Не е нужно да се изкачвате на върха на планината, за да проверите истинността на казаното.

Поставяйки загрята вода под камбаната и изпомпвайки или изпомпвайки въздух от там, можете да се уверите, че точката на кипене се повишава с увеличаване на налягането и намалява с намаляване на налягането.

Водата кипи при 100 ° C само при определено налягане - 760 mm Hg. Изкуство. (или 1 атм).

Кривата на точката на кипене спрямо налягането е показана на фиг. 4.2. В горната част на Елбрус налягането е 0,5 атм и това налягане съответства на точка на кипене от 82 ° С.

Фигура: 4.2

Но с вода, вряща при 10-15 mm Hg. Чл., Можете да се освежите в горещо време... При това налягане точката на кипене ще спадне до 10-15 ° С.

Можете дори да получите „вряща вода“ при температурата на замръзващата вода. За да направите това, ще трябва да намалите налягането до 4,6 mm Hg. Изкуство.

Интересна картина може да се наблюдава, ако поставите отворен съд с вода под камбаната и изпомпате въздуха. Изпомпването ще доведе до кипене на водата, но кипенето изисква топлина. Няма къде да го вземем и водата ще трябва да се откаже от енергията си. Температурата на врящата вода ще започне да спада, но тъй като изпомпването продължава, налягането също спада. Следователно кипенето няма да спре, водата ще продължи да се охлажда и в крайна сметка да замръзне.

Такова кипене на студена вода се случва не само при изпомпване на въздух. Например, когато витлото на кораба се върти, налягането в слой вода, бързо движещ се в близост до метална повърхност, пада рязко и водата в този слой кипи, тоест в него се появяват множество мехурчета, пълни с пара. Това явление се нарича кавитация (от латинската дума cavitas - кухина).

Чрез понижаване на налягането понижаваме точката на кипене. И да го увеличите? Графика като нашата отговаря на този въпрос. Налягане от 15 atm може да забави кипенето на водата, то ще започне само при 200 ° C, а налягане от 80 atm ще накара водата да заври само при 300 ° C.

И така, определена точка на кипене съответства на определено външно налягане. Но това твърдение може да бъде и „обърнато“, като се каже следното: всяка точка на кипене на водата има свое специфично налягане. Това налягане се нарича налягане на парите.

Кривата, изобразяваща точката на кипене спрямо налягането, също е кривата на налягането на парите спрямо температурата.

Цифрите, нанесени на графиката с точката на кипене (или на графиката на налягането на парите) показват, че налягането на парите се променя много бързо с температурата. При 0 ° C (т.е. 273 K), налягането на парите е 4,6 mm Hg. Чл., При 100 ° C (373 K) е равно на 760 mm Hg. Чл., Тоест тя се увеличава 165 пъти. Когато температурата се повиши два пъти (от 0 ° C, т.е. 273 K, до 273 ° C, т.е. 546 K), налягането на парите се увеличава от 4.6 mm Hg. Изкуство. почти до 60 атм, т.е. приблизително 10 000 пъти.

Следователно, напротив, точката на кипене се променя доста бавно с натиск. Когато налягането се промени наполовина от 0,5 atm на 1 atm, точката на кипене се увеличава от 82 ° C (355 K) до 100 ° C (373 K), а когато налягането се промени наполовина от 1 до 2 atm - от 100 ° C (373 K) до 120 ° С (393 К).

Същата крива, която разглеждаме сега, също контролира кондензацията (сгъстяването) на парата във вода.

Парата може да се превърне във вода или чрез компресия, или чрез охлаждане.

Както по време на кипене, така и по време на кондензация, точката няма да се движи с кривата, докато преобразуването на парата във вода или водата в пара завърши. Това може да се формулира и по следния начин: при условията на нашата крива и само при тези условия е възможно съжителството на течност и пари. Ако това не доставя или отвежда топлина, тогава количеството пара и течност в затворен съд ще останат непроменени. За такава пара и течност се казва, че са в равновесие, а парите в равновесие с течността си се наричат \u200b\u200bнаситени.

Кривата на кипене и кондензация има, както виждаме, друго значение: това е кривата на равновесие на течността и парите. Кривата на равновесие разделя полето на диаграмата на две части. Вляво и нагоре (към по-високи температури и по-ниско налягане) има област със стабилно състояние на парата. Вдясно и надолу - зоната на стабилно състояние на течността.

Кривата на равновесие пара-течност, т.е. кривата на точката на кипене спрямо налягането или, което е същото, налягането на парите спрямо температурата, е приблизително еднаква за всички течности. В някои случаи промяната може да бъде малко по-рязка, в други малко по-бавна, но винаги налягането на парите се увеличава бързо с повишаване на температурата.

Много пъти сме използвали думите „газ“ и „пара“. Тези две думи са почти равни. Можем да кажем: водният газ е водна пара, кислородният газ е пара на кислородна течност. Въпреки това има известен навик да се използват тези две думи. Тъй като сме свикнали с определен относително малък температурен диапазон, обикновено прилагаме думата „газ“ към тези вещества, чието налягане на парите при обикновени температури е по-високо от атмосферното налягане. Напротив, говорим за пара, когато при стайна температура и атмосферно налягане веществото е по-стабилно под формата на течност.

Изпаряване

Кипенето е бърз процес и за кратко време от вряща вода няма и следа, тя се превръща в пара.

Но има и друг феномен на превръщането на водата или друга течност в пара - това е изпаряване. Изпаряването става при всякаква температура, независимо от налягането, което при нормални условия винаги е близо до 760 mm Hg. Изкуство. Изпарението, за разлика от кипенето, е много бавен процес. Бутилката с одеколон, която забравихме да затворим, ще бъде празна след няколко дни; повече време o чинийката с вода ще престои, но рано или късно тя също ще бъде суха.

Въздухът играе важна роля в процеса на изпаряване. Сам по себе си той не пречи на водата да се изпарява. Веднага след като отворим повърхността на течността, молекулите на водата ще започнат да се движат в най-близкия слой въздух.

Плътността на парите в този слой бързо ще се увеличи; след кратък период от време налягането на парите ще стане равно на еластичността, характерна за температурата на средата. В този случай налягането на парите ще бъде абсолютно същото, както при липса на въздух.

Преминаването на пара във въздуха не означава, разбира се, повишаване на налягането. Общото налягане в пространството над водната повърхност не се увеличава, а само делът на това налягане, който се поема от парата, се увеличава и съответно делът на въздуха, който се измества от парата, намалява.

Над водата има пара, смесена с въздух, отгоре има слоеве въздух без пара. Те неизбежно ще се смесят. Водните пари непрекъснато ще се движат към по-високите слоеве, а въздухът, който не съдържа водни молекули, ще влезе в долния слой на негово място. Следователно в най-близкия до водата слой винаги ще бъде освободено място за нови водни молекули. Водата ще се изпарява непрекъснато, поддържайки налягането на водните пари на повърхността, равно на еластичността, и процесът ще продължи, докато водата напълно се изпари.

Започнахме с пример за одеколон и вода. Добре известно е, че те се изпаряват с различна скорост. Етерът се изпарява изключително бързо, алкохолът доста бързо и водата се забавя много по-бавно. Веднага ще разберем какъв е въпросът, ако открием в справочника стойностите на парното налягане на тези течности, да речем при стайна температура. Това са цифрите: етер - 437 mm Hg. Арт., Алкохол - 44,5 mm Hg. Изкуство. и вода - 17,5 mm Hg. Изкуство.

Колкото по-еластичен, толкова повече пари в съседния въздушен слой и по-бързо течността се изпарява. Знаем, че налягането на парите се увеличава с повишаване на температурата. Ясно е защо скоростта на изпарение се увеличава с нагряване.

Скоростта на изпарение може да бъде повлияна по друг начин. Ако искаме да подпомогнем изпарението, е необходимо бързо да отстраним парите от течността, т.е. да ускорим смесването на въздуха. Ето защо изпаряването се ускорява значително чрез продухване над течността. Водата, въпреки че има относително ниско налягане на парите, ще изчезне доста бързо, ако чинийката се постави на вятъра.

Следователно е разбираемо защо плувец, който е излязъл от водата, усеща студа на вятъра. Вятърът ускорява смесването на въздуха с пара и следователно ускорява изпарението и човешкото тяло е принудено да се откаже от топлината за изпаряване.

Благосъстоянието на човек зависи от това дали във въздуха има много или малко водна пара. Както сухият, така и влажният въздух са неприятни. Влажността се счита за нормална, когато е 60%. Това означава, че плътността на водните пари е 60% от плътността на наситените водни пари при същата температура.

Ако влажният въздух се охлади, тогава в крайна сметка налягането на водната пара в него става равно на налягането на парите при тази температура. Парата ще се насити и с понижаване на температурата ще се кондензира във вода. Сутрешната роса, която овлажнява тревата и листата, се появява именно заради това явление.

При 20 ° C плътността на наситените водни пари е около 0,00002 g / cm 3. Ще се чувстваме добре, ако 60% от това число са водни пари във въздуха, което означава само малко повече от сто хилядни от грам на 1 см 3.

Въпреки че тази цифра е малка, но за една стая, това ще доведе до впечатляващи количества пара. Лесно е да се изчисли, че в средно голяма стая с площ 12 м 2 и височина 3 м, около килограм вода може да „побере“ под формата на наситена пара.

Това означава, че ако плътно затворите такава стая и поставите отворен варел с вода, тогава литър вода ще се изпари, независимо от капацитета на цевта.

Интересно е да се сравни този резултат за водата със съответните цифри за живак. При същата температура от 20 ° C, плътността на наситените пари на живак е 10 -8 g / cm 3.

Току-що посочената стая ще съдържа не повече от 1 g живачни пари.

Между другото, живачните пари са много отровни и 1 g живачни пари могат сериозно да навредят на здравето на всеки човек. Когато работите с живак, трябва да сте сигурни, че и най-малката капка живак няма да се разлее.

Критична температура

Как да превърнем газ в течност? Графиката за кипене отговаря на този въпрос. Можете да превърнете газ в течност, като намалите температурата или увеличите налягането.

През 19 век повишаването на налягането се разглежда като по-лесна задача от понижаването на температурите. В началото на този век великият английски физик Майкъл Фарад успя да компресира газовете до стойностите на налягането на парите и по този начин да превърне много газове в течност (хлор, въглероден диоксид и др.).

Някои газове - водород, азот, кислород - обаче не се поддават на втечняване. Колкото и да беше увеличено налягането, те не се превърнаха в течност. Някой може да си помисли, че кислородът и другите газове не могат да бъдат течни. Те бяха отчетени сред истинските или постоянни газове.

Всъщност неуспехите са причинени от неразбирането на едно важно обстоятелство.

Помислете за течност и пара в равновесие и помислете какво се случва с тях с увеличаване на точката на кипене и, разбира се, съответно увеличение на налягането. С други думи, представете си, че точка на графиката на кипене се движи нагоре по кривата. Ясно е, че течността се разширява с повишаване на температурата и нейната плътност намалява. Що се отнася до парата, увеличаването на температурата на кипене? разбира се, той насърчава нейното разширяване, но, както вече казахме, налягането на наситените пари нараства много по-бързо от точката на кипене. Следователно плътността на парите не намалява, а напротив, бързо се увеличава с увеличаване на точката на кипене.

Тъй като плътността на течността намалява и плътността на парите се увеличава, тогава, движейки се "нагоре" по кривата на кипене, неизбежно ще стигнем до точката, в която плътностите на течността и парите станат равни (фиг. 4.3).

Фигура: 4.3

В тази забележителна точка, която се нарича критична точка, кривата на кипене завършва. Тъй като всички разлики между газ и течност са свързани с разликата в плътността, тогава в критичната точка свойствата на течността и газа стават еднакви. Всяко вещество има своя критична температура и свое критично налягане. Така че за водата критичната точка съответства на температура от 374 ° C и налягане от 218,5 atm.

Ако компресирате газ, чиято температура е под критичната, тогава процесът на неговото компресиране ще бъде представен със стрелка, пресичаща кривата на кипене (фиг. 4.4). Това означава, че в момента на достигане на налягане, равно на налягането на парите (точката на пресичане на стрелката с кривата на кипене), газът ще започне да се кондензира в течност. Ако нашият съд беше прозрачен, тогава в този момент щяхме да видим началото на образуването на слой течност на дъното на съда. При постоянно налягане течният слой ще расте, докато накрая целият газ се превърне в течност. По-нататъшното компресиране ще изисква повишаване на налягането.

Фигура: 4.4

Съвсем различна е ситуацията, когато се компресира газ, чиято температура е по-висока от критичната. Процесът на компресиране отново може да бъде изобразен като стрелка отдолу нагоре. Но сега тази стрелка не пресича кривата на кипене. Това означава, че по време на компресията парата няма да се кондензира, а само ще се кондензира непрекъснато.

При температура над критичната температура съществуването на течност и газ, разделени чрез интерфейс, е невъзможно: Когато се компресира до всякаква плътност, хомогенно вещество ще бъде разположено под буталото и е трудно да се каже кога може да се нарече газ и кога - течност.

Наличието на критична точка показва, че няма фундаментална разлика между течното и газообразното състояние. На пръв поглед може да изглежда, че няма такава фундаментална разлика само когато става въпрос за температури над критичната. Това обаче не е така. Съществуването на критична точка показва възможността за превръщане на течността - съвсем реалната течност, която може да се излее в чаша - в газообразно състояние без никакво подобие на кипене.

Този път на трансформация е показан на фиг. 4.4. Кръстът маркира известна течност. Ако намалите малко налягането (стрелка надолу), то ще заври, ще заври, дори ако малко повишите температурата (стрелка вдясно). Но ние ще действаме по съвсем различен начин, Ще компресираме течността много силно, до налягане над критичното. Точката, представляваща състоянието на течността, ще върви вертикално нагоре. След това нагряваме течността - този процес ще бъде представен с хоризонтална линия. Сега, след като се озовахме вдясно от критичната температура, ще намалим налягането до първоначалната. Ако сега намалите температурата, можете да получите истинска пара, която може да бъде получена от тази течност по по-прост и кратък начин.

По този начин винаги е възможно чрез промяна на налягането и температурата, заобикаляйки критичната точка, да се получи пара чрез непрекъснато прехвърляне от течност или течност от пара. Този непрекъснат преход не изисква кипене или кондензация.

Поради това ранните опити за втечняване на газове като кислород, азот и водород бяха неуспешни, тъй като не беше известно съществуването на критична температура. Тези газове имат много ниски критични температури: азот -147 ° C, кислород -119 ° C, водород -240 ° C или 33 К. Хелийът е рекордьор, критичната му температура е 4,3 K. Превърнете тези газове в течност е възможно само по един начин - необходимо е температурата им да се понижи под посочената.

Получаване на ниски температури

Значително намаляване на температурата може да се постигне по различни начини. Но идеята на всички методи е една и съща: необходимо е да принудим тялото, което искаме да охлади, да изразходва вътрешната си енергия.

Как може да се направи това? Единият начин е да накарате течността да заври, без да добавяте топлина отвън. За това, както знаем, е необходимо да се намали налягането - да се намали до стойността на налягането на парите. Топлината, изразходвана за кипене, ще се отнеме от течността и температурата на течността и парите и заедно с това налягането на парите ще намалее. Следователно, така че кипенето да не спира и да се случва по-бързо, въздухът трябва непрекъснато да се изпомпва от съда с течност.

Спадът на температурата по време на този процес обаче достига граница: налягането на парите в крайна сметка става напълно незначително и дори най-силните евакуационни помпи не могат да създадат необходимото налягане.

За да продължи да се понижава температурата, е възможно чрез охлаждане на газа с получената течност да се превърне в течност с по-ниска точка на кипене.

Сега процесът на изпомпване може да се повтори с второто вещество и по този начин да се получат по-ниски температури. Ако е необходимо, този "каскаден" метод за получаване на ниски температури може да бъде удължен.

Точно това направиха в края на миналия век; Газовете се втечняват на етапи: етиленът, кислородът, азотът и водородът последователно се превръщат в течност - вещества с точки на кипене от -103, -183, -196 и -253 ° C. С течен водород можете да получите течност с най-ниско кипене - хелий (-269 ° C). „Левият“ съсед помогна да се получи „десният“ съсед.

Каскадният метод за охлаждане е на почти век. През 1877 г. по този метод се получава течен въздух.

През 1884-1885г. за първи път беше получен течен водород. И накрая, двадесет години по-късно, е взета последната крепост: през 1908 г. Камерлинг-Онес в град Лайден в Холандия превръща хелия в течност - веществото с най-ниската критична температура. Наскоро беше отбелязана 70-годишнината от това важно научно постижение.

Дълги години Лайденската лаборатория беше единствената лаборатория за „ниски температури“. Сега във всички страни има десетки такива лаборатории, да не говорим за фабрики, които произвеждат течен въздух, азот, кислород и хелий за технически цели.

Понастоящем рядко се използва каскадният метод за получаване на ниски температури. В техническите инсталации за понижаване на температурата се използва друг метод за понижаване на вътрешната енергия на газа: те принуждават газа бързо да се разширява и извършват работа, използвайки вътрешна енергия.

Ако например в разширител се постави въздух, компресиран до няколко атмосфери, тогава когато приключва работата по преместване на буталото или въртене на турбината, въздухът ще се охлади толкова рязко, че ще се превърне в течност. Въглеродният диоксид, ако бързо се освободи от цилиндъра, се охлажда толкова рязко, че се превръща в „лед“ в движение.

Течните газове се използват широко в технологията. Течният кислород се използва в експлозивната технология като компонент на горивната смес в реактивните двигатели.

Втечняване на въздух се използва в технологията за отделяне на газове, които съставляват въздуха.

В различни области на техниката се изисква да се работи при температура на течен въздух. Но за много физически изследвания тази температура не е достатъчно ниска. Всъщност, ако превърнем градусите по Целзий в абсолютен мащаб, тогава ще видим, че температурата на течния въздух е около 1/3 от стайната температура. Много по-интересни за физиката са температурите на "водорода", тоест температурите от порядъка на 14-20 К, и особено температурите на "хелий". Най-ниската температура, получена при изпомпване на течен хелий, е 0,7 К.

Физиците успяха да се приближат до абсолютната нула много по-близо. В момента са получени температури, които надвишават абсолютната нула само с няколко хилядни от градуса. Тези свръхниски температури обаче се получават по начини, които не са подобни на описаните по-горе.

През последните години физиката на ниските температури породи специален отрасъл на индустрията, занимаващ се с производството на оборудване, което дава възможност да се поддържат големи обеми при температури, близки до абсолютната нула; Разработени са захранващи кабели, чиито шини работят при температури под 10 К.

Преохладена пара и прегрята течност

При преминаване през точката на кипене парата трябва да се кондензира и да се превърне в течност. Въпреки това,; оказва се, че ако парите не влязат в контакт с течността и ако парите са много чисти, тогава е възможно да се получат преохладени или „пренаситени пари - пари, които отдавна е трябвало да се превърнат в течност.

Пренаситената пара е много нестабилна. Понякога потрепването или изпарението на зърно, хвърлено в космоса, е достатъчно, за да започне забавената кондензация.

Опитът показва, че концентрацията на молекулите на парата значително се улеснява от въвеждането на малки чужди частици в парата. В прашния въздух не се получава пренасищане на водни пари. Вдишването на дим може да причини конденз. В крайна сметка димът се състои от малки твърди частици. Попадайки в парите, тези частици събират молекули около себе си и се превръщат в центрове на кондензация.

Така че, макар и нестабилни, парите могат да съществуват в температурния диапазон, адаптиран за "живота" на течността.

Но може ли течност да „живее“ в зоната на парите при същите условия? С други думи, възможно ли е да се прегрее течност?

Оказва се, че можете. За да направите това, е необходимо да се гарантира, че молекулите на течността не се отделят от повърхността му. Радикалното средство е да се премахне свободната повърхност, т.е. да се постави течността в такъв съд, където тя да бъде компресирана от всички страни от твърди стени. По този начин е възможно да се постигне прегряване от порядъка на няколко градуса, т.е. да се премести точката, представляваща състоянието на течностите, вдясно от кривата на кипене (фиг. 4.4).

Прегряването е изместване на течността в зоната на парите, така че прегряването на течността може да бъде постигнато както чрез подаване на топлина, така и чрез намаляване на налягането.

Последният начин да постигнете невероятни резултати. Вода или друга течност, напълно освободена от разтворени газове (това не е лесно да се направи), се поставя в съд с бутало, достигащо повърхността на течността. Съдът и буталото трябва да се намокри с течност. Ако сега дръпнете буталото към себе си, тогава водата, която е залепена към дъното на буталото, ще последва. Но слой вода, който е хванал буталото, ще издърпа следващия слой вода, този слой ще издърпа подлежащия, в резултат течността ще се разтегне.

В крайна сметка водният стълб ще се спука (това е водният стълб, а не водата, която ще се откъсне от буталото), но това ще се случи, когато силата на единица площ достигне десетки килограми. С други думи, в течността се създава отрицателно налягане от десетки атмосфери.

Дори при ниски положителни налягания, парообразното състояние на материята е стабилно. И течността може да бъде доведена до отрицателно налягане. Не можете да си представите по-поразителен пример за „прегряване“.

Топене

Няма твърдо тяло, което да издържа на повишаването на температурата толкова, колкото е необходимо. Рано или късно едно твърдо парче се превръща в течност; нали, в някои случаи няма да можем да стигнем до точката на топене - може да настъпи химично разлагане.

С повишаване на температурата молекулите се движат все по-интензивно. И накрая, идва момент, в който става невъзможно да се поддържа ред "сред силно" люлеещите се "молекули. Твърдото вещество се топи. Волфрамът има най-висока точка на топене: 3380 ° C. Златото се топи при 1063 ° C, желязото - при 1539 ° C. Има и ниско топящи се метали.Жертурът, както е добре известно, се топи вече при температура от -39 ° С. Органичните вещества нямат високи точки на топене.Нафталинът се топи при 80 ° С, толуенът - при -94,5 ° С.

Изобщо не е трудно да се измери точката на топене на тялото, особено ако то се топи в температурния диапазон, който се измерва с обикновен термометър. Изобщо не е необходимо да следите топящото се тяло с очите си. Достатъчно е да погледнете живачната колона на термометъра. Докато започне топенето, телесната температура се повишава (фиг. 4.5). След като започне топенето, повишаването на температурата спира и температурата остава непроменена, докато процесът на топене завърши.

Фигура: 4.5

Точно както превръщането на течност в пара, превръщането на твърдо вещество в течност изисква топлина. Необходимата за това топлина се нарича латентна топлина на синтез. Например за топенето на един килограм лед са необходими 80 ккал.

Ледът е едно от телата с висока топлина на синтез. Топенето на лед изисква например 10 пъти повече енергия от топенето на същата маса на олово. Разбира се, говорим за самото топене, тук не казваме, че преди да започне топенето на оловото, то трябва да се нагрее до + 327 ° C. Поради голямата топлина на топене на лед, топенето на снега се забавя. Представете си, че топлината на топене би била 10 пъти по-малка. Тогава пролетните наводнения биха довели до невъобразими бедствия всяка година.

И така, топлината на топене на лед е голяма, но също така е малка в сравнение със специфичната топлина на изпаряване от 540 kcal / kg (седем пъти по-малко). Тази разлика обаче е напълно естествена. Когато превръщаме течността в пара, трябва да откъснем молекулите една от друга и когато се топим, трябва само да разрушим реда в подреждането на молекулите, оставяйки ги на почти еднакви разстояния. Ясно е, че във втория случай се изисква по-малко работа.

Наличието на определена точка на топене е важен признак на кристалните вещества. На тази основа те могат лесно да бъдат разграничени от други твърди вещества, наречени аморфни или стъкла. Очилата се срещат както сред неорганични, така и сред органични вещества. Прозорците обикновено са направени от натриеви и калциеви силикати; на бюрото често се слага органично стъкло (наричано още плексиглас).

Аморфните вещества, за разлика от кристалите, нямат специфична точка на топене. Стъклото не се топи, а омекотява. При нагряване парче стъкло първо става меко от твърдо, може лесно да се огъне или разтегне; при по-висока температура парчето започва да променя формата си под въздействието на собствената си гравитация. Докато се загрява, плътната, вискозна маса на стъклото приема формата на съда, в който лежи. Тази маса отначало е гъста, като мед, след това - като заквасена сметана и накрая става почти същата течност с нисък вискозитет като водата. С цялото ни желание тук не можем да посочим определена температура на прехода на твърдо вещество в течност. Причините за това се крият в основната разлика между структурата на стъклото и структурата на кристалните тела. Както бе споменато по-горе, атомите в аморфните тела са подредени произволно. Стъклата по структура наподобяват течности. Вече в твърдо стъкло молекулите са подредени произволно. Това означава, че повишаването на температурата на стъклото само увеличава обхвата на вибрациите на неговите молекули, като постепенно им дава все по-голяма и по-голяма свобода на движение. Следователно стъклото омеква постепенно и не показва рязък преход „твърдо“ - „течност“, характерен за прехода от подреждането на молекулите в строг ред към произволно подреждане.

Що се отнася до кривата на кипене, казахме, че течността и парите могат, макар и в нестабилно състояние, да живеят в чужди региони - парите могат да бъдат преохладени и прехвърлени вляво от кривата на кипене, течността може да бъде прегрята и изтеглена вдясно от тази крива.

Възможни ли са аналогични явления в случай на кристал с течност? Оказва се, че аналогията е непълна.

Ако кристалът се нагрее, той ще започне да се топи при точката си на топене. Няма да е възможно прегряването на кристала. Напротив, чрез охлаждане на течността е възможно, ако се предприемат някои мерки, относително лесно да се "изплъзне" точката на топене. В някои течности е възможно да се постигне голяма хипотермия. Има дори течности, които са лесни за преохлаждане и трудни за кристализация. Тъй като такава течност се охлажда, тя става все по-вискозна и накрая се втвърдява, без да кристализира. Това е стъкло.

Водата също може да бъде преохладена. Капките мъгла може да не замръзнат дори при силни студове. Ако кристал от вещество - семе - бъде хвърлен в преохладена течност, тогава кристализацията веднага ще започне.

И накрая, в много случаи забавената кристализация може да започне от разклащане или други случайни събития. Известно е например, че кристалният глицерин е получен за първи път по време на транспорт по железопътен транспорт. Очилата след дълго стоене могат да започнат да кристализират (девитрифицират се или „се разпадат“, както се казва в техниката).

Как да отглеждаме кристал

Почти всяко вещество може известни условия дават кристали. Кристали могат да бъдат получени от разтвор или от стопилка на дадено вещество, както и от неговите пари (например, черни диамантени кристали с йод лесно падат от неговите пари при нормално налягане без междинен преход в течно състояние).

Започнете да разтваряте готварска сол или захар във водата. При стайна температура (20 ° C) ще можете да разтворите само 70 g сол в оградена чаша. По-нататъшните добавки на сол няма да се разтворят и ще се утаят на дъното като утайка. Разтвор, при който по-нататъшното разтваряне вече не настъпва, се нарича наситен. .Ако промените температурата, степента на разтворимост на веществото също ще се промени. Добре известно е, че горещата вода разтваря повечето вещества много по-лесно от студената вода.

Представете си сега, че сте приготвили наситен разтвор, да речем, захар при температура 30 ° C и започнете да го охлаждате до 20 ° C. При 30 ° C успяхте да разтворите 223 g захар в 100 g вода, 205 g да се разтворят при 20 ° C. След това, когато се охладят от 30 до 20 ° C, 18 g ще се окажат „излишни“ и, както се казва, ще изпаднат от разтвора. И така, един от възможните начини за получаване на кристали е охлаждането на наситен разтвор.

Можете да направите друго. Пригответе наситен солен разтвор и го оставете в отворена чаша. След известно време ще откриете появата на кристали. Защо са се образували? Внимателното наблюдение ще покаже, че едновременно с образуването на кристалите се е случила и друга промяна - количеството вода е намаляло. Водата се изпари и "излишното" вещество се появи в разтвора. Така че друг възможен начин за образуване на кристали е чрез изпаряване на разтвора.

Как се образуват кристали от разтвора?

Казахме, че кристалите "падат" от разтвора; Необходимо ли е да се разбере това по такъв начин, че в продължение на една седмица да няма кристал и в един миг Той веднага се появи внезапно? Не, това не е така: кристалите растат. Не е възможно, разбира се, да се открият с окото първите начални моменти на растеж. Първоначално малко от произволно движещите се молекули или атоми на разтвореното вещество се събират приблизително в реда, необходим за образуване на кристална решетка. Такава група атоми или молекули се нарича ядро.

Опитът показва, че ембрионите се образуват по-често в присъствието на всякакви странични частици прах в разтвора. Кристализацията започва най-бързо и лесно, когато малък семен кристал се постави в наситен разтвор. В този случай освобождаването на твърдо вещество от разтвора няма да се състои в образуването на нови кристали, а в растежа на семето.

Растежът на ембриона не се различава, разбира се, от растежа на семето. Смисълът на използването на семето е, че то „изтегля“ освободеното вещество върху себе си и по този начин предотвратява едновременното образуване на голям брой ембриони. Ако се образуват много ядра, те ще си пречат помежду си по време на растежа и няма да ни позволят да получим големи кристали.

Как се разпределят части от атоми или молекули от разтвора по повърхността на ембриона?

Опитът показва, че растежът на ембрион или семе се състои като че ли в изместването на краищата, успоредни на самите тях, в посока, перпендикулярна на ръба. В този случай ъглите между челата остават постоянни (вече знаем, че постоянството на ъглите е най-важната характеристика на кристала, произтичаща от решетъчната му структура).

На фиг. 4.6 показва контурите на три кристала от едно и също вещество по време на растежа им. Подобни снимки могат да се наблюдават с микроскоп. В случая отляво броят на лицата се запазва по време на растежа. Средната рисунка дава пример за поява на ново лице (горе вдясно) и след това отново изчезване.

Фигура: 4.6

Много е важно да се отбележи, че скоростта на растеж на лицата, тоест скоростта на тяхното движение успоредно на самите тях, не е еднаква за различните лица. В същото време онези лица, които се движат най-бързо, например лявата долна граница в средния чертеж, „растат“ (изчезват). Напротив, бавно нарастващите ръбове се оказват най-широки, както се казва, най-развити.

Това може да се види особено ясно на последната фигура. Безформеният фрагмент придобива същата форма като другите кристали, именно поради анизотропията на скоростта на растеж. Съвсем определени аспекти се развиват за сметка на другите по-силно и придават на кристала формата, характерна за всички проби от това вещество.

Много красиви преходни форми се наблюдават, когато топката се вземе като семе, а разтворът се редува леко охлаждане и загряване. При нагряване разтворът става ненаситен и семената се разтварят частично. Охлаждането води до насищане на разтвора и растеж на семената. Но молекулите се установяват по различен начин, сякаш отдават предпочитание на някои места. По този начин веществото се прехвърля от едно място на топката на друго.

Първо на повърхността на топката се появяват малки кръгообразни лица. Кръговете постепенно се увеличават и, докосвайки се, се сливат по прави ръбове. Топката се превръща в многоъгълник. Тогава някои фасети изпреварват други, някои от лицата са обрасли и кристалът придобива характерната си форма (фиг. 4.7).

Фигура: 4.7

Когато се наблюдава растежа на кристалите, основната характеристика на растежа е поразителна - паралелното изместване на лицата. Оказва се, че освободеното вещество изгражда лицето на слоеве: докато един слой не бъде завършен, следващият не започва да се изгражда.

На фиг. 4.8 показва "недовършеното" пакетиране на атоми. В коя от позициите, обозначени с буквите, новият атом ще се държи най-здраво, когато е прикрепен към кристала? Без съмнение в А, тъй като тук той изпитва привличането на съседи от три страни, докато в Б - от две, а в В - само от едната страна. Следователно, първо се завършва колоната, след това цялата равнина и едва след това започва полагането на новата равнина.

Фигура: 4.8

В редица случаи кристалите се образуват от разтопена маса - от стопилка. В природата това се случва в огромни мащаби: от огнена магма са възникнали базалти, гранити и много други скали.

Нека започнем да загряваме някакво кристално вещество, например каменна сол. До 804 ° C кристалите на каменната сол ще се променят малко: те се разширяват само леко и веществото остава твърдо. Измервател на температура, поставен в съд с вещество, показва непрекъснато повишаване на температурата при нагряване. При 804 ° C веднага ще открием две нови, взаимосвързани явления: веществото ще започне да се топи и повишаването на температурата ще спре. Докато цялото вещество се превърне в течност; температурата няма да се промени; по-нататъшно повишаване на температурата вече нагрява течността. Всички кристални вещества имат определена точка на топене. Ледът се топи при 0 ° C, желязото при 1527 ° C, живакът при -39 ° C и т.н.

Както вече знаем, във всеки кристал атомите или молекулите на веществото образуват подредена опаковка G и извършват малки вибрации около средните им позиции. Докато тялото се нагрява, скоростта на трептящите частици се увеличава с обхвата на трептенията. Това увеличаване на скоростта на частиците с повишаване на температурата е един от основните природни закони, който се отнася за материята във всяко състояние - твърдо, течно или газообразно.

Когато се достигне определена, достатъчно висока температура на кристала, вибрациите на частиците му стават толкова енергични, че точното подреждане на частиците става невъзможно - кристалът се топи. С началото на топенето доставената топлина вече не се използва за увеличаване на скоростта на частиците, а за разрушаване на кристалната решетка. Следователно повишаването на температурата се спира. Последващото нагряване е увеличаване на скоростта на течните частици.

В случай на кристализация от стопилка, представляваща интерес за нас, горните явления се наблюдават в обратен ред: докато течността се охлажда, нейните частици забавят своето хаотично движение; когато се достигне определена, достатъчно ниска температура, скоростта на частиците вече е толкова ниска, че някои от тях под действието на силите на привличане започват да се прикрепват една към друга, образувайки кристални ядра. Докато цялото вещество кристализира, температурата остава постоянна. Тази температура обикновено е същата като точката на топене.

Ако не предприемете специални мерки, тогава кристализацията от стопилката ще започне веднага на много места. Кристалите ще растат под формата на правилни, присъщи многогранници по абсолютно същия начин, както го описахме по-горе. Свободният растеж обаче не трае дълго: докато се увеличават, кристалите се сблъскват помежду си, в точките на контакт, растежът спира и втвърденото тяло получава гранулирана структура. Всяко зърно е отделен кристал, който не е успял да вземе правилната си форма.

В зависимост от много условия и най-вече от скоростта на охлаждане, твърдото вещество може да има повече или по-малко груби зърна: колкото по-бавно е охлаждането, толкова по-груби зърна. Размерите на зърната на кристалните тела варират от милионна част от сантиметър до няколко милиметра. В повечето случаи гранулираната кристална структура може да се наблюдава с микроскоп. Твърдите вещества обикновено имат точно такава фино-кристална структура.

Процесът на втвърдяване на металите представлява голям интерес за технологиите. Физиците разследват много подробно събитията, случващи се по време на леенето и втвърдяването на метала във форми.

В по-голямата си част по време на втвърдяването растат дървоподобни монокристали, наречени дендрити. В други случаи дендритите са ориентирани произволно, в други случаи - успоредно един на друг.

На фиг. 4.9 показва етапите на растеж на един дендрит. С това поведение дендритът може да прерасне, преди да срещне друг подобен. Тогава няма да намерим дендрити в отливката. Събитията могат да се развият по друг начин: дендритите могат да се срещат и да растат един в друг (клонове на един в интервалите между клонове на друг), докато са още „млади“.

Фигура: 4.9

По този начин могат да възникнат отливки, чиито зърна (показани на фиг. 2.22) имат много различна структура. А свойствата на металите значително зависят от естеството на тази структура. Можете да контролирате поведението на метала по време на втвърдяване, като промените скоростта на охлаждане и системата за отстраняване на топлината.

Сега нека поговорим за това как да отглеждаме голям единичен кристал. Ясно е, че трябва да се вземат мерки, за да се гарантира, че кристалът расте от едно място. И ако няколко кристала вече са започнали да растат, тогава във всеки случай е необходимо да се уверите, че условията за растеж са благоприятни само за един от тях.

Например, ето как го правят при отглеждане на кристали от ниско топящи се метали. Металът се разтопява в изтеглена стъклена епруветка. Епруветката, окачена с резби във вертикална цилиндрична фурна, бавно се спуска надолу. Изтегленият край постепенно излиза от фурната и се охлажда. Кристализацията започва. Отначало се образуват няколко кристала, но тези, които растат настрани, опират до стената на епруветката и растежът им се забавя. При благоприятни условия ще има само този кристал, който расте по оста на епруветката, т.е. дълбоко в стопилката. При спускане на епруветката нови части от стопилката, попадащи в нискотемпературната област, ще „захранват“ този монокристал. Следователно от всички кристали той единствен оцелява; като тръбата е спусната, тя продължава да расте по оста си. В крайна сметка целият разтопен метал се втвърдява в един кристал.

Същата идея лежи в основата на отглеждането на огнеупорни рубинени кристали. Фин прах от веществото се излива на струя през пламъка. В този случай прахът се топи; малки капчици падат върху много малка площ от огнеупорна опора, образувайки много кристали. Тъй като капките падат по-нататък върху опората, всички кристали растат, но отново расте само този, който е в най-благоприятно положение за „приемане“ на падащите капки.

За какво са големи кристали?

Промишлеността и науката често се нуждаят от големи монокристали. Голямо значение за технология имат кристали от сол на Рошел и кварц, които имат забележително свойство да преобразуват механичните въздействия (например налягане) в електрическо напрежение.

Оптичната индустрия се нуждае от големи кристали калцит, каменна сол, флуорит и др.

Часовникарската индустрия се нуждае от кристали рубини, сапфири и някои други скъпоценни камъни. Факт е, че отделни движещи се части на обикновен часовник правят до 20 000 вибрации на час. Това високо натоварване поставя извънредни изисквания към качеството на върховете на оста и лагерите. Изтриването ще бъде най-ниско, когато рубин или сапфир е лагерът за върха на оста 0,07-0,15 mm. Изкуствените кристали на тези вещества са много трайни и се износват много малко от стоманата. Забележително е, че изкуствените камъни са по-добри от същите естествени камъни.

въпреки това най-голяма стойност за промишлеността има отглеждане на монокристали от полупроводници - силиций и германий.

Влияние на налягането върху точката на топене

Ако промените налягането, температурата на топене също ще се промени. Срещнахме същия модел, когато говорихме за кипене. Колкото по-голямо е налягането; колкото по-висока е точката на кипене. Това обикновено важи и за топенето. Има обаче малък брой вещества, които се държат ненормално: точката им на топене намалява с увеличаване на налягането.

Факт е, че по-голямата част от твърдите вещества са по-плътни от техните течности. Изключение от това правило са само тези вещества, чиято точка на топене се променя с промяна на налягането не съвсем обикновено, например вода. Ледът е по-лек от водата и точката на топене на леда намалява с увеличаване на налягането.

Компресията допринася за образуването на по-плътно състояние. Ако твърдото вещество е по-плътно от течното, тогава компресията подпомага втвърдяването и предотвратява топенето. Но ако топенето е затруднено от компресия, това означава, че веществото остава твърдо, докато по-рано при тази температура то вече би се стопило, т.е. В аномален случай течността е по-плътна от твърдото вещество и налягането спомага за образуването на течността, т.е. понижава температурата на топене.

Ефектът от натиска върху точката на топене е много по-малък от този при кипене. Увеличаването на налягането с повече от 100 kgf / cm 2 понижава точката на топене на леда с 1 ° C.

Защо кънките се плъзгат само по леда, но не и по също толкова гладкия паркет? Очевидно единственото обяснение е образуването на вода, която смазва билото. За да разберете възникналото противоречие, трябва да запомните следното: тъпите кънки се плъзгат много лошо по лед. Кънките трябва да бъдат заточени, така че да режат леда. В този случай само върхът на ръба на билото притиска леда. Налягането върху леда достига десетки хиляди атмосфери и ледът все още се топи.

Изпаряване на твърди вещества

Когато казваме „вещество се изпарява“, обикновено се има предвид, че течността се изпарява. Но твърдите вещества също могат да се изпарят. Понякога изпаряването на твърдите вещества се нарича сублимация.

Изпаряващото се твърдо вещество е например нафтален. Нафталенът се топи при 80 ° C и се изпарява при стайна температура. Именно това свойство на нафталина позволява да се използва за унищожаване на молци.

Козината, поръсена с нафтал, е наситена с нафтал и създава атмосфера, която молците не могат да издържат. Всяко твърдо вещество без мирис се сублимира до голяма степен. В края на краищата миризмата се създава от молекули, които са откъснали веществото и са стигнали до носа ни. По-чести са обаче случаите, когато веществото се сублимира до незначителна степен, понякога до такава степен, че не може да бъде открита дори при много задълбочени проучвания. По принцип всяко твърдо вещество (както и всяко, дори желязо или мед) се изпарява. Ако не открием сублимация, това означава само, че плътността на наситените пари е много незначителна.

Вижда се, че редица вещества, които имат остър мирис при стайна температура, го губят при ниски температури.

Плътността на наситена пара в равновесие с твърдо вещество нараства бързо с повишаване на температурата. Илюстрирахме това поведение с кривата на леда, показана на фиг. 4.10. Вярно, ледът не мирише ...

Фигура: 4.10

В повечето случаи е невъзможно значително да се увеличи плътността на наситените пари на твърдо вещество по проста причина - веществото ще се стопи по-рано.

Ледът също се изпарява. Домакините са наясно с това. При мразовито време те се мотаят да сушат мокри дрехи. "Водата първо замръзва, а след това ледът се изпарява и прането се оказва сухо.

Тройна точка

И така, има условия, при които парата, течността и кристалът могат да съществуват по двойки в равновесие. Могат ли и трите състояния да са в равновесие? Такава точка на диаграмата налягане-температура съществува, тя се нарича тройна. Къде е тя?

Ако вода с плаващ лед се постави в затворен съд при нула градуса, тогава водни (и "ледени") пари ще започнат да текат в свободното пространство. При налягане на парите от 4,6 mm Hg. Изкуство. изпарението спира и насищането започва. Сега трите фази - лед, вода и пара - ще бъдат в равновесие. Това е тройната точка.

Връзката между различните състояния е ясно и ясно показана от диаграмата за водата, показана на фиг. 4.11.

Фигура: 4.11

Такава диаграма може да бъде изградена за всяко тяло.

Кривите на фигурата са ни познати - това са кривите на равновесие между лед и пара, лед и вода, вода и пара. Вертикалата, както обикновено, е налягането, хоризонталата е температурата.

Трите криви се пресичат в тройна точка и разделят диаграмата на три области - жилищните пространства от лед, вода и водни пари.

Диаграмата на състоянието е кратка справка. Целта му е да отговори на въпроса какво състояние на тялото е стабилно при такова и такова налягане и такава и такава температура.

Ако водата или парата се поставят в условията на „лявата зона“, те ще станат лед. Ако течност или твърдо вещество се въведат в "долната област", тогава се получава пара. В „дясната зона“ парата ще се кондензира и ледът ще се стопи.

Диаграмата за съществуването на фази ви позволява незабавно да отговорите какво ще се случи с дадено вещество при нагряване или когато е компресирано. Нагряването при постоянно налягане е показано на диаграмата с хоризонтална линия. По тази линия се движи точка отляво надясно, представляваща състоянието на тялото.

Фигурата показва две такива линии, едната от които се нагрява при нормално налягане. Линията се намира над тройната точка. Следователно, той ще пресече първо кривата на топене, а след това, извън чертежа, и кривата на изпаряване. Ледът под нормално налягане ще се стопи при 0 ° С и получената вода ще заври при 100 ° С.

Ситуацията ще бъде различна за лед, нагрят при много ниско налягане, да речем, малко под 5 mm Hg. Изкуство. Процесът на нагряване е изобразен с линия под тройната точка. Кривите на топене и кипене не се пресичат от тази линия. При такова ниско налягане нагряването ще доведе до директна трансформация на леда в пара.

На фиг. 4.12 същата диаграма показва какво интересно явление ще се случи, когато водната пара се компресира в състоянието, отбелязано на фигурата с кръст. Парата първо ще се превърне в лед и след това ще се стопи. Чертежът ви позволява веднага да кажете при какво налягане кристалът ще започне да расте и кога ще се стопи.

Фигура: 4.12

Диаграмите на състоянието на всички вещества са подобни една на друга. Големи от ежедневна гледна точка разлики възникват поради факта, че местоположението на тройната точка на диаграмата може да бъде много различно за различните вещества.

В края на краищата ние съществуваме близо до "нормални условия", т.е. преди всичко при налягане, близко до една атмосфера. Как е разположена тройната точка на материята спрямо линията на нормалното налягане е много важно за нас.

Ако налягането в тройната точка е по-малко от атмосферното, тогава за нас, живеещи в "нормални" условия, веществото се отнася до топене. Когато температурата се повиши, тя първо се превръща в течност, а след това кипи.

В обратния случай - когато налягането в тройната точка е по-високо от атмосферното - няма да видим течност при нагряване, твърдото вещество директно ще се превърне в пара. Така се държи "сухият лед", което е много удобно за продавачите на сладолед. Брикетите за сладолед могат да се разместват с парченца „сух лед“, без да се страхувате, че сладоледът ще се намокри. "Сух лед" е твърд въглероден диоксид CO2. Тройната точка на това вещество се намира на 73 атм. Следователно, когато твърдото CO 2 се нагрява, точката, представляваща неговото състояние, се движи хоризонтално, пресичайки само кривата на изпаряване на твърдото вещество (точно както при редовен лед при налягане от около 5 mm Hg. Изкуство.).

Вече казахме на читателя как се определя една степен на температурата по скалата на Келвин или, както системата SI изисква сега, един келвин. Ставаше дума обаче за принципа на определяне на температурата. Не всички метрологични институти разполагат с идеални газови термометри. Следователно, температурната скала се изгражда, като се използват точки на равновесие между различни състояния на материята, фиксирани от природата.

Особена роля за това играе тройната точка на водата. Сега Келвин се определя като 273,16-та част от термодинамичната температура на тройната точка на водата. Тройната точка на кислорода се приема равна на 54.361 К. Температурата на втвърдяване на златото се приема за 1337.58 К. Използвайки тези референтни точки, можете точно да калибрирате всеки термометър.

Същите атоми, но ... различни кристали

Матовият черен, мек графит, с който пишем, и блестящият прозрачен, твърд диамант за рязане на стъкло са изградени от същите въглеродни атоми. Защо свойствата на тези две вещества от един и същ състав са толкова различни?

Спомнете си решетката от наслоен графит, всеки атом от която има три най-близки съседи, и решетката от диамант, чийто атом има четири най-близки съседи. Този пример ясно показва, че свойствата на кристалите се определят от взаимното разположение на атомите. Огнеупорните тигли са направени от графит, който може да издържи на температури до две до три хиляди градуса, а диамантените изгаряния при температури над 700 ° C; плътност на диаманта 3,5 и графита - 2,3; графитът провежда електрически ток, диамантът не и т.н.

Не само въглеродът има тази характеристика да произвежда различни кристали. Почти всеки химичен елементи не само елемент, но и всяко химично вещество може да съществува в няколко разновидности. Има шест вида лед, девет вида сяра, четири вида желязо.

Когато обсъждахме фазовата диаграма, ние не говорихме за различни видове кристали и нарисувахме една-единствена област от твърдо вещество. И тази област за много много вещества е разделена на секции, всяка от които съответства на определен „тип“ на твърда или, както се казва, определена твърда фаза (определена кристална модификация).

всяка кристална фаза има своя област на стабилно състояние, ограничена от определен интервал от налягания и температури. Законите на трансформация на един кристален вид в друг са същите като законите за топене и изпаряване.

За всяко налягане можете да посочите температурата, при която и двата вида кристали ще съществуват спокойно. Ако температурата се повиши, кристал от един вид ще се превърне в кристал от втория вид. Ако температурата се понижи, ще настъпи обратната трансформация.

За да може червената сяра да пожълтява при нормално налягане, е необходима температура под 110 ° C. Над тази температура, до точката на топене, атомното устройство, присъщо на червената сяра, е стабилно. Температурата спада, - вибрациите на атомите намаляват и, започвайки от 110 ° С, природата намира по-удобно разположение на атомите. Има трансформация на един кристал в друг.

Шест различен лед никой не измисли име. Така казват: лед едно, лед две, ...., лед седем. Какво ще кажете за седем, ако има само шест разновидности? Въпросът е, че по време на многократни експерименти не е открит лед четири.

Ако компресирате вода при температура около нула, тогава при налягане от около 2000 атм се образува лед пет, а при налягане около 6000 атм лед шест.

Лед две и лед три са стабилни при температури под нулата градуса.

Лед седем е горещ лед; това се случва, когато горещата вода се компресира до налягане от около 20 000 атм.

Целият лед, с изключение на обичайния, е по-тежък от водата. Ледът, получен при нормални условия, се държи ненормално; напротив, ледът, получен при условия, различни от нормалните, се държи нормално.

Казваме, че всяка кристална модификация има специфичен регион на съществуване. Но ако да, тогава как графитът и диамантът съществуват при същите условия?

Подобно „беззаконие“ е много разпространено в света на кристалите. Способността да се живее в "извънземни" условия за кристали е почти правило. Ако човек трябва да прибегне до различни трикове, за да прехвърли пара или течност в чужди региони на съществуване, тогава кристалът, напротив, почти никога не може да бъде принуден да остане в границите, отредени му от природата.

Прегряването и преохлаждането на кристалите се обяснява с трудността на трансформирането на един ред в друг в условия на изключителна плътност. Жълтата сяра трябва да се превърне в червена при 95,5 ° C. С повече или по-бързо нагряване ще „преминем” тази точка на трансформация и ще доведем температурата до точката на топене на сярата при 113 ° С.

Най-лесният начин за откриване на истинската температура на трансформация е когато кристалите влязат в контакт. Ако те са тясно насложени един върху друг и температурата се поддържа на 96 ° C, тогава жълтото ще бъде изядено от червено, а при 95 ° C жълтото ще абсорбира червено. За разлика от прехода "кристал-течност", трансформациите "кристал-кристал" обикновено се забавят както по време на преохлаждане, така и по време на прегряване.

В някои случаи имаме работа с такива материални състояния, които би трябвало да живеят при напълно различни температури.

Белият калай трябва да стане сив, когато температурата спадне до + 13 ° C. Обикновено се занимаваме с бял калай и знаем, че през зимата нищо не се прави с него. Той перфектно издържа на хипотермия от 20-30 градуса. Въпреки това, при условия сурова зима бял калай се превръща в сив. Невежеството на този факт е едно от обстоятелствата, които съсипват експедицията на Скот до Южния полюс (1912). Течното гориво, взето от експедицията, е било в съдовете, споявани с калай. При силен студ белият калай се превърна в сив прах - съдовете бяха разтворени; и горивото се разля. Не напразно появата на сиви петна върху бял калай се нарича калаена чума.

Точно както в случая на сяра, бялата калай може да се превърне в сива при температури малко под 13 ° C; ако само малко зърно от сивия сорт падне върху предмета от калай.

Съществуването на няколко разновидности на едно и също вещество и забавянето на взаимните им трансформации са от голямо значение за технологията.

При стайна температура железните атоми образуват телесно центрирана кубична решетка, в която атомите заемат позиции по върховете и в центъра на куба. Всеки атом има 8 съседи. При високи температури железните атоми образуват по-плътна „опаковка“ - всеки атом има 12 съседи. Желязото с 8 съседи е меко, желязото с 12 съседи е твърдо. Оказва се, че можете да получите втория вид желязо при стайна температура. Този метод - втвърдяване - се използва широко в металургията.

Закаляването се извършва съвсем просто - метален предмет се нажежава до червено и след това се хвърля във вода или масло. Охлаждането се случва толкова бързо, че трансформацията на структура, която е стабилна при високи температури, няма време да се случи. По този начин една високотемпературна структура ще съществува безкрайно при необичайни за нея условия: прекристализацията в стабилна структура протича толкова бавно, че е практически невидима.

Не бяхме съвсем точни, когато говорихме за втвърдяване на желязото. Стоманата е закалена, тоест желязо, съдържащо фракции от процент въглерод. Наличието на много малки примеси на въглерод забавя трансформацията на твърдо желязо в меко желязо и позволява закаляване. Що се отнася до напълно чистото желязо, не е възможно да се потуши - трансформацията на структурата има време да се случи дори при най-рязкото охлаждане.

В зависимост от вида на диаграмата на състоянието, промяна на налягането или температурата, се постига една или друга трансформация.

Наблюдават се много трансформации кристал в кристал само с промяна в налягането. По този начин се получава черен фосфор.

Фигура: 4.13

Графитът беше възможно да се превърне в диамант само чрез използване на висока температура и високо налягане. На фиг. 4.13 показва диаграма на състоянието на въглерода. При налягания под десет хиляди атмосфери и при температури под 4000 K графитът е стабилна модификация. По този начин диамантът живее в "извънземни" условия, така че може лесно да се превърне в графит. Но обратният проблем представлява практически интерес. Не е възможно графитът да се трансформира в диамант само чрез повишаване на налягането. Фазовото преобразуване в твърдо състояние очевидно протича твърде бавно. Появата на диаграмата на състоянието предполага правилното решение: повишаване на налягането и едновременно загряване. След това получаваме (десния ъгъл на диаграмата) разтопен въглерод. Като го охлаждаме при високо налягане, трябва да влезем в диамантената област.

Практическата възможност за такъв процес е доказана през 1955 г. и в момента проблемът се счита за технически решен.

Удивителна течност

Ако телесната температура бъде понижена, рано или късно тя ще се втвърди и ще придобие кристална структура. В този случай няма значение при какво налягане се получава охлаждането. Това обстоятелство изглежда напълно естествено и разбираемо от гледна точка на законите на физиката, които вече сме срещали. Всъщност, чрез понижаване на температурата, ние намаляваме интензивността на топлинното движение. Когато движението на молекулите стане толкова слабо, че вече не пречи на силите на взаимодействие между тях, молекулите ще се подредят в чист ред - те образуват кристал. По-нататъшното охлаждане ще отнеме от молекулите цялата енергия на тяхното движение и при абсолютна нула веществото трябва да съществува под формата на молекули в покой, подредени в правилна решетка.

Опитът показва, че всички вещества се държат по този начин. Всички, с изключение на един и единствен: такъв "изрод" е хелий.

Вече дадохме известна информация за хелия на читателя. Хелий държи рекорда за критичната си температура. Нито едно вещество няма критична температура по-ниска от 4,3 К. Въпреки това, този запис сам по себе си не означава нищо изненадващо. Поразително е и друго: чрез охлаждане на хелий под критичната температура, след достигане на почти абсолютна нула, няма да получим твърд хелий. Хелийът остава течен дори при абсолютна нула.

Поведението на хелия е напълно неразбираемо от гледна точка на законите за движение, които сме очертали и е един от признаците на ограничената пригодност на такива природни закони, които изглеждаха универсални.

Ако тялото е течно, атомите му са в движение. Но след охлаждане на тялото до абсолютна нула, ние отнехме цялата енергия на движение от него. Трябва да признаем, че хелийът има такава енергия на движение, която не може да бъде отнета. Това заключение е несъвместимо с механиката, с която сме се занимавали досега. Според тази механика, която сме изучавали, движението на тялото винаги може да бъде забавено до пълно спиране, отнемайки цялата му кинетична енергия; по същия начин е възможно да се спре движението на молекулите, като се вземе енергия от тях, когато те се сблъскат със стените на охладения съд. За хелий тази механика явно не е подходяща.

„Странното“ поведение на хелия е индикация за факт от голямо значение. За първи път се срещнахме с невъзможността да приложим основните закони на механиката в света на атомите, установени чрез пряко изследване на движението на видимите тела - закони, които изглеждаха непоклатима основа на физиката.

Фактът, че при абсолютна нула хелийът „отказва“ да кристализира, по никакъв начин не може да бъде съгласуван с механиката, която сме изучавали досега. Противоречието, с което се срещнахме за първи път - неподчинението на света на атомите на законите на механиката - е само първото звено във веригата от още по-остри и по-остри противоречия във физиката.

Тези противоречия водят до необходимостта от преразглеждане на основите на механиката на атомния свят. Тази ревизия е много задълбочена и води до промяна в цялото ни разбиране за природата.

Необходимостта от радикална ревизия на механиката на атомния свят не означава, че е необходимо да се сложи край на законите на механиката, които сме изучавали. Би било несправедливо да принуждаваме читателя да изучава ненужни неща. Старата механика е напълно валидна в света на големите тела. Дори това е достатъчно, за да се отнасяме към съответните физически глави с пълно уважение. Важно е обаче също така, че редица закони на „старата“ механика преминават в „новата“ механика. Това включва по-специално закона за запазване на енергията.

Наличието на "неотстранима" енергия при абсолютна нула не е особено свойство на хелия. Оказва се; Всички вещества имат "нулева" енергия.

Само в хелия тази енергия е достатъчна, за да попречи на атомите да образуват правилна кристална решетка.

Не мислете, че хелийът не може да бъде в кристално състояние. За кристализация на хелий е необходимо само да се увеличи налягането до около 25 атм. Охлаждането, проведено при по-високо налягане, ще доведе до образуването на твърд кристален хелий с напълно нормални свойства. Хелийът образува лицева центрирана кубична решетка.

На фиг. 4.14 показва фазовата диаграма на хелия. Той се различава рязко от диаграмите на всички останали вещества по липсата на тройна точка. Кривите на топене и кипене не се пресичат.

Фигура: 4.14

И още една характеристика има тази уникална диаграма на състоянието: има две различни хелиеви течности. Каква е разликата - ще научите малко по-късно.

Водата и парата като работна течност и топлоносител се използват широко в топлотехниката. Това е така, защото водата е много често срещано вещество в природата; и второ, водата и водните пари имат относително добри термодинамични свойства и не влияят неблагоприятно върху металите и живите организми. Парата се получава от вода чрез изпаряване и кипене.

Изпаряване наречено изпаряване, което се случва само на повърхността на течността. Този процес протича при всякаква температура. По време на изпарението от течността излитат молекули, които имат относително високи скорости, в резултат на което средната скорост на движение на останалите молекули намалява и температурата на течността намалява.

Кипенесе нарича енергично изпаряване в цялата маса на течността, което се случва, когато течността се предава през стените на съда на определено количество топлина.

Температура на кипенезависи от налягането, под което се намира водата: колкото по-голямо е налягането, толкова по-висока е температурата, при която водата започва да кипи.

Например атмосферното налягане е 760 mm Hg. съответства на t к \u003d 100 о С, колкото по-високо е налягането, толкова по-висока е точката на кипене, толкова по-ниско е налягането, толкова по-ниска е точката на кипене на водата.

Ако кипенето на течност се случи в затворен съд, тогава над течността се образуват пари, които имат капчици влага. Тази пара се нарича влажно наситен ... В този случай температурата на мокра пара и вряща вода е еднаква и равна на точката на кипене.

Ако постоянно прилагате топлина непрекъснато, тогава цялата вода, включително и най-малките капки, ще се превърне в пара. Тази пара се нарича сух наситен.

Температурата на сухата наситена пара също е равна на точката на кипене, която съответства на дадено налягане.

Нарича се отделянето на водните частици от парата разделяне, и устройството, предназначено за това, е разделител.

Призовава се преходът на водата от течно в газообразно състояние генериране на пара, и от газообразно до течно - кондензация.

Парата може да бъде наситена и прегрята. Извиква се стойността, която определя количеството суха наситена пара в 1 кг влажна пара в проценти сухота на пара и се обозначава с буквата X (x). За суха наситена пара X \u003d 1. Съдържанието на влага в наситената пара в парните котли трябва да бъде в рамките на 1-3%, т.е. степента на нейната сухота X \u003d 100- (1-3) \u003d 99-97%.

Извиква се пара, чиято температура за определено налягане надвишава температурата на наситена пара прегрял. Нарича се температурната разлика между прегрята и суха наситена пара при едно и също налягане прегрята пара.

6. Основни понятия за професионално здраве и умора.

Задачите на индустриалната санитария са да осигури най-благоприятните условия на труд за работниците чрез защита на здравето на работниците от въздействието на вредните производствени фактори.

Вредните производствени фактори включват: шум, вибрации, запрашеност на помещенията, замърсяване на въздуха, наличие на токсични вещества, лошо осветяване на работните места, високи температури в цеховете и др.

Всички тези изброени вредни фактори влияят неблагоприятно на човешкото здраве.

Лична хигиена има положителен ефект върху човешкото здраве. Той укрепва организма на работниците и повишава тяхната устойчивост на въздействието на нездравословни и вредни фактори. За това работниците трябва да спазват санитарните норми и правила. Използвайте правилно гащеризони, обувки, душ, лични предпазни средства. Поддържайте инструмента чист и подреден и работно място... Спазвайте рационален режим на работа, почивка и диета. Редовно се занимавайте с физическо възпитание и различни видове летни и зимни спортове, което прави тялото здраво и издръжливо, тъй като втвърденото от спорта тяло лесно преодолява болестите, неблагоприятните ефекти външна среда, включително производствени фактори.