Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах
Как ведут себя кристаллические вещества при нагревании? С этим вопросом, который кажется относительно простым только при поверхностном его рассмотрении, естественно, связаны многие особенности протекания реакций в смесях твердых веществ.
До сравнительно недавнего времени считали, что тепловое движение частиц твердого тела сводится к колебаниям атомов относительно их равновесных положений, обусловленных строением кристаллической решетки. Было известно, что амплитуда и частота этих колебаний зависят от температуры, но считалось, что при любой температуре, вплоть до плавления кристаллического тела, каждая его частица «привязана» к своей определенной (узловой) точке решетки. Это представление, будучи даже пополнено поправкой на тепловое расширение кристаллов, не согласовывалось с возможностью протекания процессов возгонки, растворения (образования твердых растворов) и взаимной диффузии твердых тел.
По Френкелю, эти необратимые перемещения сводятся к переходу атомов из исходного положения равновесия в новое положение равновесия в узлах или междуузлиях решетки, которые были до этого вакантными. Такие переходы, естественно,сопровождаются возникновением дефектов кристаллической решетки вакансий и междуузельных атомов, упоминавшихся выше. Возникновение и перемещение вакансий, как показал Френкель, всегда возможно и, более того, неизбежно; внедрение же атомов в промежутки между узлами может иметь существенное значение лишь при достаточно большом соотношении между размером междуузлия и радиусом атома [48].
В принципе вполне возможно последовательное перемещение частиц твердых тел по узлам решетки (из занятого в ближайший вакантный), по междуузлиям (из одного в другое, соседнее), а также по узлам и междуузлиям (из узла в соседнее междуузлие, и наоборот). Результатом подобного рода элементарных последовательных перемещений и является диффузия их в твердых телах, подробно рассмотренная ниже, и связанное с ней образование твердых растворов.
Пользуясь формулировкой Курнакова [71], твердыми растворами называют, как известно, кристаллические фазы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться без нарушения однородности. Эти кристаллические фазы принято делить на три категории или натри типа: твердые растворы замещения, внедрения и вычитания.
В твердых растворах замещения атомы растворенного вещества замещают в кристаллической решетке атомы растворителя, распределяясь статистически между элементами А и В (рис. 13, а). При образовании твердого раствора замещения между химическими соединениями А В и АС, например NaCl и КС1, атомы (или ионы) компонентов размещаются, как показано на рис. 13, б. В относящихся к тому же типу сложных твердых растворах состава А, В, С, D атомы или ионы размещаются согласно схеме в и состава А, АВ (в растворах компонента А в химическом соединении АВ) — согласно схеме г рис. 13.
В твердых растворах внедрения атомы растворенного вещества располагаются в междуузлиях кристаллической решетки растворителя. Растворы этого типа часто образуются при растворении металлоидов с малыми атомными радиусами в металлах. К твердым растворам внедрения относятся, например, аусте-нит — раствор углерода в γ-железе (рис. 14). Особенностью растворов внедрения является прочная связь между внедренными атомами и атомами растворителя, которая приводит к значительной твердости и тугоплавкости растворов этого типа. Таковы, например, карбиды вольфрама, молибдена, титана, ванадия, железа, нитриды железа, титана и др., играющие большую роль в современной металлургии.
Другие части:
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 1
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 2
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 3
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 4
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 5
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 6
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 7
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 8
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 9
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 10
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 11
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 12
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 13
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 14
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 15
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах
положении и высоты Е2 дополнительного потенциального барьера, который необходимо преодолеть при перемещении атома из регулярного положения в междуузлие1 (рис. 17).
Однако в связи с этой деформацией энергетический барьер, преодолеваемый дислоцированным атомом при его дальнейшем перемещении в новое положение (по второму варианту механизма), меньше барьера, преодолеваемого* при переходе в междуузлие из нормального положения в узле (га> первому варианту), т. е. дислоцированные атомы обладают повышенной подвижностью. Аналогичное положение имеем в случае образования и перемещения вакансий.
Энергия активации перемещения вакансий, образующихся при переходе атомов в междуузлия, примерно в 2 — 3 раза меньше энергии их образования, и раз возникшие вакансии легко перемещаются по решетке.
Если атом, находящийся в поверхностном слое кристаллического тела, в процессе его испарения переходит не в газовую фазу, а только на поверхность тела, то это может повести к возникновению нового поверхностного слоя. На место атома, перешедшего на поверхность, может перейти один из атомов того же (прилежащего к поверхности) слоя или ближайшего к нему внутреннего слоя. Освободившееся место может быть замещено каким-либо атомом того же или следующего внутреннего слоя. В этом случае в кристалле также образуются и затем перемещаются вакансии.
Работа перехода атома на поверхность довольно велика. Однако преодолеваемый при этом энергетический барьер меньше того, который необходимо преодолевать при переходе атома в газовую фазу, и обычно меньше, чем при его перемещении в междуузлие.
Современная теория твердого тела позволяет оценить энергию активации диффузии при различных ее механизмах.
Такие вычисления показывают прежде всего, что энергия активации при прямом обмене больше, чем при дислоцировании в междуузлие, и последняя больше, чем при переходе на поверхность.
По вычислениям Хантингтона и Зейтца [94], энергия активации самодиффузии меди составляет, например,соответственно при прямом обмене 400, при дислоцировании 230, при образовании и диффузии вакансий 64 ккал/г-атом; по экспериментальным данным эта величина составляет около 50 ккал/г*атом [95].
Отметим, что гетеродиффузия в кристаллических телах тесно связана с явлением самодиффузии. Механизмы обоих процессов в принципе одинаковы. Однако, как установлено экспериментально, энергия активации процесса самодиффузии всегда больше, чем гетеродиффузии в той же решетке.
Одновременно с обусловленным переходом атомов в между-узлия и возникновением вакансий происходит и их исчезновение за счет так называемой рекомбинации: дислоцированные атомы, встречаясь при своем передвижении по междуузлиям с перемещающимися в решетке вакансиями, становятся на их места, причем устраняются дефекты обоих типов (дислоцированные атомы и вакансии).
Вероятность встречи странствующего атома с вакансией в течение 1 сек, очевидно, пропорциональна количеству блуждающих дислоцированных атомов и вакансий в единице объема.
Другие части:
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 1
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 2
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 3
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 4
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 5
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 6
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 7
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 8
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 9
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 10
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 11
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 12
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 13
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 14
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 15
Содержание
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах
Диффузии в твердых телах посвящено много теоретических и экспериментальных исследований. В результате их установлена существенная роль диффузионных явлений в спекании, рекристаллизации, «отдыхе», химическом взаимодействии кристаллических тел и в некоторых других важных процессах их превращения, при рассмотрении которых диффузию раньше недостаточно учитывали или совсем не принимали во внимание.
Изучение диффузии в твердых телах имеет поэтому большое теоретическое и практическое значение. Основными задачами этого изучения являются выяснение механизма и кинетики диффузии, влияния на нее различных факторов (структуры тела, температуры, концентрации диффундирующего элемента и т. п.) и ее воздействия на другие явления, протекающие в твердых телах.
Позволяя во многих случаях выяснить энергию активизации взаимодействия и механизм подвижности элементов кристаллических решеток, а также характер их дефектов, исследование диффузии имеет большое значение также для развития теории твердого тела.
Некоторые вопросы, связанные с диффузией, не могут быть достаточно строго рассмотрены в рамках современной теории твердого тела и до настоящего времени еще не имеют точного решения. Поэтому при их описании пока обычно используют сильно упрощенные модели истинных явлений. К таким вопросам относятся объемная диффузия в сплавах, диффузия вдоль граней кристаллов, поверхностная миграция вещества, диффузия, осложненная химической реакцией, и некоторые другие.
Однако сведения о диффузии в твердых телах, имеющиеся в настоящее время, достаточны для освещения общих закономерностей этого процесса и характеристики основных проблем и направлений его дальнейшего исследования.
Диффузия есть перемещение вещества в результате хаотического движения его частиц, вызванного кинетической энергией, или направленного их движения, обусловленного градиентом концентрации или химического потенциала. В последнем случае диффузия
происходит в направлении меньшей концентрации диффундирующего агента или большего химического потенциала растворителя. В практике диффузия является часто результатом сочетания обоих указанных явлений.
Диффузионные процессы, протекающие в твердых телах, отличаются большим разнообразием. Различают прежде всего самодиффузию и гетеродиффузию в твердых телах в зависимости от того, происходит ли перемещение в кристаллической решетке ее же элементов (атомов) или чужеродных атомов, ионов и т. п.
Количественные исследования гетеродиффузии начаты значительно раньше, чем самодиффузии; изучение последней до работ Хевеши [80, 81 ] было затруднено невозможностью отмечать атомы одного и того же тела и, таким образом, следить за их продвижением в кристаллической решетке. В настоящее время с помощью меченых атомов самодиффузию изучают количественно в широких масштабах.
В зависимости от путей миграции атомов, ионов, молекул различают объемную диффузию (в глубине решетки), диффузию вдоль граней кристаллов (по «внутренним поверхностям» тела) и поверхностную диффузию (по внешней поверхности). Первая из них изучена наиболее полно, последняя значительно меньше; что же касается диффузии вдоль граней кристаллов (по их «внутренним поверхностям»), то о ней имеются лишь отрывочные сведения.
Другие части:
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 1
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 2
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 3
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 4
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 5
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 6
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 7
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 8
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 9
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 10
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 11
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 12
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 13
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 14
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 15
Содержание
Движение молекул в газах, жидкостях и твёрдых телах
Молекулярно-кинетическая теория даёт объяснение тому, что все вещества могут находиться в трёх агрегатных состояниях: в твёрдом, жидком и газообразном. Например, лёд, вода и водяной пар. Часто плазму считают четвёртым состоянием вещества.
Агрегатные состояния вещества (от латинского aggrego – присоединяю, связываю) – состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются изменением его физических свойств. В этом и заключается изменение агрегатных состояний вещества.
Во всех трёх состояниях молекулы одного и того же вещества ничем не отличаются друг от друга, меняется только их расположение, характер теплового движения и силы межмолекулярного взаимодействия.
Движение молекул в газах
В газах обычно расстояние между молекулами и атомами значительно больше размеров молекул, а силы притяжения очень малы. Поэтому газы не имеют собственной формы и постоянного объёма. Газы легко сжимаются, потому что силы отталкивания на больших расстояниях также малы. Газы обладают свойством неограниченно расширяться, заполняя весь предоставленный им объём. Молекулы газа движутся с очень большими скоростями, сталкиваются между собой, отскакивают друг от друга в разные стороны. Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.
Движение молекул в жидкостях
В жидкостях молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседнее. Эти перескоки происходят периодически. Временной отрезок между такими перескоками получил название среднее время оседлой жизни (или среднее время релаксации) и обозначается буквой τ. Иными словами, время релаксации – это время колебаний около одного определённого положения равновесия. При комнатной температуре это время составляет в среднем 10-11 с. Время одного колебания составляет 10-12…10-13 с.
Время оседлой жизни уменьшается с повышением температуры. Расстояние между молекулами жидкости меньше размеров молекул, частицы расположены близко друг к другу, а межмолекулярное притяжение велико. Тем не менее, расположение молекул жидкости не является строго упорядоченным по всему объёму.
Жидкости, как и твёрдые тела, сохраняют свой объём, но не имеют собственной формы. Поэтому они принимают форму сосуда, в котором находятся. Жидкость обладает таким свойством, как текучесть. Благодаря этому свойству жидкость не сопротивляется изменению формы, мало сжимается, а её физические свойства одинаковы по всем направлениям внутри жидкости (изотропия жидкостей). Впервые характер молекулярного движения в жидкостях установил советский физик Яков Ильич Френкель (1894 – 1952).
Движение молекул в твёрдых телах
Молекулы и атомы твёрдого тела расположены в определённом порядке и образуют кристаллическую решётку. Такие твёрдые вещества называют кристаллическими. Атомы совершают колебательные движения около положения равновесия, а притяжение между ними очень велико. Поэтому твёрдые тела в обычных условиях сохраняют объём и имеют собственную форму.
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах
Поскольку возникновение тех и других дефектов обусловлено тепловым движением, их количество увеличивается с повышением температуры.
Исходя из законов статистической физики, Френкель [90] показал, что каждой температуре соответствует определенная равновесная концентрация тех и других дефектов, при которой вероятность элементарных процессов диссоциации и рекомбинации, происходящих в единицу времени, одинакова. Равновесное число вакансий Nв в кристалле при любой температуре Т может быть выражено уравнением
(16)
где N — общее число узлов; k — постоянная Больцмана; U — энергия образования вакансий.
Величина U по порядку близка к скрытой теплоте испарения, откуда, между прочим, следует, что концентрация вакансий в кристалле является величиной того же порядка, что и концентрация насыщенного пара этого кристалла в окружающем пространстве при той же температуре.
Остановимся вкратце на вопросе о скрытой энергии деформации реального кристаллического тела. Известно, что величина этой энергии (колеблющаяся от нескольких калорий до нескольких сотен калорий на грамм-моль), а также характер и закономерности
ее выделения при отжиге зависят от природы и относительного количества дефектов, имеющихся в теле.
По наиболее распространенным в настоящее время представлениям Мотта [97], скрытая энергия может аккумулироваться в группах, скоплениях дислокаций, затормозившихся на препятствиях,
и быть связанной с вакансиями и дислоцированными атомами.
В связи с рассматриваемым вопросом представляют интерес следующие частично описанные выше процессы, происходящие при нагревании кристаллического тела:
1) удаление вакансий (в результате их диффузии к границам блоков и исчезновения на этих границах), сопровождаемое выделением части скрытой энергии и увеличением плотности тела;
2) исчезновение дислоцированных атомов с выделением энергии; при этом плотность тела существенно не увеличивается;
3) перераспределение дислокаций в группах, сопровождаемое уменьшением запаса энергии системы;
4) распад групп дислокаций одного знака на отдельные дислокации, сопровождаемый высвобождением энергии.
Определяя энергию активации процесса, происходящего в геле при его отжиге, и наблюдая изменение плотности, электропроводности и твердости тела в этом процессе, можно в известной мере судить о его характере.
Клербро [98, 99] для меди, например, отметил, что выделение скрытой энергии, сопровождающееся понижением электросопротивления и твердости тела (рис. 18, а), связано с рекристаллизацией меди в изученном интервале температур.
Можно предположить,’ что исчезновение вакансий и обусловленное им выделение энергии происходит в меди при более низких температурах, чем в опытах Клербро.
В случае нагревания никеля выделение скрытой энергии происходит в три этапа (рис. 18, б). На первом этапе при пониженной
Другие части:
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 1
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 2
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 3
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 4
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 5
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 6
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 7
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 8
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 9
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 10
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 11
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 12
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 13
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 14
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 15
Содержание
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах
Процесс диффузии в сплавах нельзя характеризовать каким-либо одним значением энергии активации; в этом случае разные
диффундирующие атомы одного вида с неодинаковым характером окружения соседними атомами преодолевают потенциальные барьеры разной высоты, энергия образования вакансий в разных узлах также различна и т. д.
Кривоглаз [108, 11О] и Смирнов [111], развивая теорию диффузии атомов в сплавах, показали, что как для неупорядоченных, так и в особенности для упорядоченных твердых растворов зависи-
mocть
не является линейной. Переход раствора из неупо-
рядоченного в упорядоченное состояние должен отражаться на кривых температурной зависимости коэффициента диффузии. Если упорядочение является фазовым переходом второго рода, то коэффициент диффузии изменяется непрерывно, но кривая зависимости
от j, при температуре перехода имеет излом. Если же переход в упорядоченное состояние является фазовым переходом первого рода, то при температуре перехода происходит скачкообразное изменение не только энергии активации, но и самого коэффициента диффузии. В упорядоченном состоянии вблизи температуры перехода отклонения указанной зависимости от прямой должны быть особенно заметны.
Несмотря на все это, на опыте зависимость InD от 1/T чаще всего
получается линейной. Это объясняется тем, что в небольшом интервале температур (порядка 300°), за пределы которого обычно не выходят при определении коэффициентов диффузии, график рассматриваемой зависимости с известной точностью может быть аппроксимирован прямой линией. Изменение, в частности, энергии активации диффузии в металлах в указанном интервале по Дехтяру [109] составляет 1000 ккал/г-атом, что лежит в пределах погрешности обычных определений теплоты диффузии.
Естественно, что измерения в более широком диапазоне температур либо в условиях, позволяющих воспользоваться особенно точными методами определения коэффициента диффузии (например, основанными на наблюдении затухания вибраций образца сплава [112]), обнаруживают нелинейный характер зависимости логарифма коэффициента диффузии от температуры.
Очень часто значение коэффициента диффузии зависит от концентрации диффундирующего (растворенного) агента в диффузионной среде (растворителе)1. Эта зависимость становится особенно заметной при высоких концентрациях твердого раствора, приближающихся к границе растворимости диффундирующего агента.
Так как изменение D с концентрацией может быть очень существенным, в некоторых случаях тысячекратным [113], то применение уравнения (34) в случае зависимости D от С способно дать только «средние» значения коэффициента диффузии и привести к весьма
существенным погрешностям в определении значений коэффициента А = Do и теплоты диффузии.
Кинетика диффузии в этом случае выражается уравнением (23), решения которого для многих типов систем в настоящее время имеются.
Другие части:
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 1
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 2
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 3
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 4
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 5
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 6
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 7
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 8
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 9
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 10
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 11
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 12
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 13
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 14
Тепловое движение частиц твердого тела. Диффузия в твердых телах . Часть 15
Содержание
[Физика зачет 24] Силы межмолекулярного взаимодействия. Агрегатные состояние вещества. Характер теплового движения молекул в твердых, жидких, газообразных телах и его изменение с ростом температуры. Тепловой расширение тел. Линейное расширение твердых тел при нагревании. Объемное тепловое расширение твердых тел и жидкостей. Переходы между агрегатными состояниями. Теплота фазового перехода. Равновесие фаз. Уравнение теплового баланса.
Силы межмолекулярного взаимодействия.Межмолекулярное взаимодействие имеет электрическую природу. Между ними действуют силы притяжения и отталкивания, которые быстро убывают при увеличении расстояния между молекулами. Силы отталкивания действуют только на очень малых расстояниях. Практически поведение вещества и его агрегатное состояние определяется тем, что является доминирующим: силы притяжения или хаотическое тепловое движение. В твердых телах доминируют силы взаимодействия, поэтому они сохраняет свою форму.
Агрегатные состояние вещества.
Агрега́тное состоя́ние вещества (лат. aggrego ‘присоединяю’) — состояние одного и того же вещества в определённом интервале температур и давлений, характеризующееся определёнными, неизменными в пределах указанных интервалов, качественными свойствами:- способностью (твёрдое тело) или неспособностью (жидкость, газ, плазма) сохранять объём и форму,
- наличием или отсутствием дальнего (твёрдое тело) и ближнего порядка (жидкость), и другими свойствами.
Характер теплового движения молекул в твердых, жидких, газообразных телах и его изменение с ростом температуры.
Тепловое движение в твердых телах является в основном колебательным. При высоких
температурах интенсивное тепловое движение мешает сближению молекул – газообразное
состояние, движение молекул поступательное и вращательное. . В газах менее 1% объема
приходится на объем самих молекул. При промежуточных значениях температур
молекулы будут непрерывно перемещаться в пространстве, обмениваясь местами, однако
расстояние между ними не намного превышает d – жидкость. Характер движения молекул
в жидкости носит колебательный и поступательный характер ( в тот момент, когда они
перескакивают в новое положение равновесия).
Тепловое расширение тел.
Тепловое движение молекул объясняет явление теплового расширения тел. При
нагревании амплитуда колебательного движения молекул увеличивается, что приводит к
увеличению размеров тел.
Линейное расширение твердых тел при нагревании.
Линейное расширение твердого тела описывается формулой: L=L0(1+at) , где a — коэффициент линейного расширения ~10^-5 К^-1.
Объемное тепловое расширение твердых тел и жидкостей.
Объемное расширение тел описывается аналогичной формулой: V = V0(1+Bt), B- коэффициент объемного расширения, причем B=3a.
Вещество может находится в твердом, жидком, газообразном состояниях. Эти
состояния называют агрегатными состояниями вещества. Вещество может переходить из
одного состояния в другое. Характерной особенностью превращения вещества является
возможность существования стабильных неоднородных систем, когда вещество может
находится сразу в нескольких агрегатных состояниях. При описании таких систем
пользуются более широким понятием фазы вещества. Например, углерод в твердом
агрегатном состоянии может находится в двух различных фазах – алмаз и графит. Фазой
называется совокупность всех частей системы, которая в отсутствии внешнего
воздействия является физически однородной. Если несколько фаз вещества при данной
температуре и давлении существуют, соприкасаясь друг с другом, и при этом масса одной
фазы не увеличивается за счет уменьшения другой, то говорят о фазовом равновесии.
Теплота фазового перехода.
Теплота́ фа́зового перехо́да — количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу (или отвести от него) при равновесном изобарно-изотермическом переходе вещества из одной фазы в другую (фазовом переходе I рода — кипении, плавлении, кристаллизации, полиморфном превращении и т. п.).Для фазовых переходов II рода теплота фазового превращения равна нулю.
Равновесный фазовый переход при данном давлении происходит при постоянной температуре — температуре фазового перехода. Теплота фазового перехода равна произведению температуры фазового перехода на разность энтропий в двух фазах, между которыми происходит переход.
Различают удельную и мольную теплоту фазового перехода, отнесённые соответственно к 1 кг и 1 молю вещества.Равновесие фаз. Равнове́сие фаз в термодинамике — состояние, при котором фазы в термодинамической системе находятся в состоянии теплового, механическогои химического равновесия.
Типы фазовых равновесий:
Тепловое равновесие означает, что все фазы вещества в системе имеют одинаковую температуру. Механическое равновесие означает равенство давлений по разные стороны границы раздела соприкасающихся фаз. Строго говоря, в реальных системах эти давления равны лишь приближенно, разность давлений создается поверхностным натяжением.Химическое равновесие выражается в равенстве химических потенциалов всех фаз вещества.
Уравнение теплового баланса.
Если тела образуют замкнутую систему и между ними происходит только теплообмен, то алгебраическая сумма полученных Qnи отданных Q0 энергий равна нулю:
Полученная Qn и отданная Q0 теплоты численно равны, но Qn берется со знаком плюс, a Q0 — со знаком минус.