Теплоемкость

Теплоемкостью называется отношение количества теплоты, поглощенной телом при бесконечно малом изменении его температуры, к этому изменению. Единицей теплоемкости служат Дж/(кг К), Дж/(моль К), Дж/(м3 К) и внесистемная единица кал/(моль К).

Количество теплоты, поглощенной телом при изменении его состояния, зависит от способа, которым был осуществлен переход от одного состояния к другому. Соответственно, от способа нагревания тела зависит его теплоемкость. Обычно различают теплоемкость при постоянном объеме (су) и теплоемкость при постоянном давлении (Ср). Для идеальных (точнее, термически совершенных газов) ср- су=Я, где Я - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль К) или 1,986 кал/(моль К). У жидкостей и твердых тел разница между ср и су сравнительно мала. При нормальных условиях теплоемкость воды равна 4,19 кДж/(кг К), теплоемкость воздуха при постоянном давлении 29,2 Дж/(моль К).

Поверхностные явления

Поверхностные явления вызываются избытком свободной энергии в пограничном слое - поверхностной энергии, повышенной активностью и ориентацией молекул поверхностного слоя, особенностями его структуры и состава. Химические и физические взаимодействия тел происходят, прежде всего, в поверхностных слоях. Основные поверхностные явления связаны с уменьшением поверхностной энергии, пропорциональной площади поверхности. Так, образование равновесных форм жидких капель или газовых пузырей определяется минимумом свободной энергии при постоянном объеме. Поверхностные явления, возникающие при совместном действии молекулярных сил (поверхностного натяжения и смачивания) и внешних сил (например, силы тяжести) и вызывающие искривление жидких поверхностей раздела, называются капиллярными явлениями.

Термодинамическая характеристика поверхности раздела двух фаз, определяемая работой обратимого изотермического образования единицы площади этой поверхности, называется поверхностным натяжением и измеряется в Дж/м2 или Н/м. В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение можно рассматривать также как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объемах фаз. Работа образования новой поверхности затрачивается на преодоление сил межмолекулярного сцепления (когезии) при переходе молекул вещества из объема тела в поверхностный слой. Равнодействующая межмолекулярных сил в поверхностном слое не равна нулю, как в объеме тела, а направлена во внутрь той фазы, в которой силы сцепления больше. Для подвижных жидкостей поверхностное натяжение - величина, тождественно равная свободной поверхностной энергии. Благодаря поверхностному натяжению жидкость при отсутствии внешних воздействий принимает форму шара, обеспечивая минимальную площадь поверхности и минимальное значение свободной поверхностной энергии. На легкоподвижных границах жидкость-газ (пар) или жидкость-жидкость поверхностное натяжение можно легко измерить (например, по массе капли, отрывающейся от вертикальной трубки).

Из всех жидкостей наибольшее значение поверхностного натяжения имеют расплавленные металлы (у платины - при температуре 2300К - 1,82 Н/м, у ртути - при комнатной температуре 0,465 Н/м. Поверхностное натяжение воды при нормальных условиях - 0,073 Н/м. У большинства жидкостей поверхностное натяжение имеет при 20°С порядок от 0,01 до 0,1).

Физические явления, обусловленные поверхностным натяжением на границе раздела несмешивающихся сред, называют капиллярными. К капиллярным явлениям относят обычно процессы в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности, граничащей с другой жидкостью, газом или собственным паром. Искривление поверхности приводит к появлению в жидкости дополнительного давления - Ар, величина которого определяется уравнением Лапласа:

а

ДР = Р-Р2 =-’

Г

где сг12 — поверхностное натяжение на границе двух сред;

рх и р2 - давление в жидкости 1 и контактирующей с ней среде (в случае вогнутой поверхности Ар<0, в случае выпуклой поверхности Ар>0).

При контакте жидкости с твердым телом на форму ее поверхности существенно влияют явления смачивания, обусловленные взаимодействием молекул жидкости и тела. Смачивание означает, что жидкость сильнее взаимодействует с поверхностью сосуда, чем находящийся над ней газ или другая жидкость. Силы притяжения, действующие между молекулами твердого тела и жидкости, заставляют подниматься ее по стенке сосуда, создавая отрицательное давление в каждой точке искривленной поверхности. Если сближать плоские стенки сосуда для перекрытия зон искривления, то образуется вогнутый мениск, под которым в жидкости создается отрицательное давление. Состояние равновесия описывается формулой Жюрена:

2)и*1 = Ар = ст/г,

где Р1 и р2 - плотности жидкости 1 и газа 2.

Жидкость, не смачивающая поверхность сосуда, образует выпуклый мениск, что вызывает ее опускание в капилляре ниже уровня свободной поверхности.

Если жидкость ограничена поверхностью двойной кривизны, то формула Лапласа принимает следующий вид:

где #1 и г2 - радиусы кривизны двух взаимно перпендикулярных

нормальных сечений поверхности.

Если поверхность жидкости сферическая, то

г

и формула Жюрена примет следующий вид:

(р -Р2^ = ЛР =—

Г

Капиллярные явления играют существенную роль в водоснабжении растений, передвижении влаги в почвах и других пористых средах. Капиллярная пропитка различных материалов широко применяется в различных технологических процессах. Не меньшую роль капиллярные явления играют и при образовании новой фазы: капель жидкости при конденсации паров и пузырьков пара при кипении и кавитации.

Поверхностные явления в твердых телах имеют место на внешней поверхности. К ним относятся сцепление (когезия), прилипание (адгезия), смачивание, трение. Значительную группу поверхностных явлений составляют адсорбционные явления, при которых изменяется состав поверхностного слоя. На использовании поверхностных явлений основаны многие технологические процессы: смазка, флотация. При количественном описании этих процессов часто приходится отказываться от гипотезы сплошной жидкой среды.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >