68

42. Экспериментальные изотермы реальных газов и их сравнение с изотермами Ван-дер-Ваальса. Участки изотерм Ван-дер-Ваальса, соответствующие неустойчивым состояниям перегретой жидкости и пересыщенному пару. Понятие о фазовых переходах. Фазовые переходы I и II рода.

Рассмотрим графическое изображение изотерм Ван-дер-Ва-альса на диаграмме (рис.

2.24).

Как видно из диаграммы, вид изотерм зависит от температуры, при которой протекает изотермический процесс. На изотерме одному значению давления р соответствуют три значения объема. Для изотермы характерно наличие точки перегиба , изотерма имеет вид плавной кривой, совпадающей с изотермой для идеального газа.

Как показывают экспериментальные изотермы, при переход вещества из одной фазы в другую совершается при постоянном давлении р (прямая АВ на рис. 2.25). Если из исследуемой жидкости предварительно удалить воздух и различные примеси, то экспериментально можно обнаружить участок изотермы АВ (см. рис. 2.24). Участок изотермы АВ описывает перегретую жидкость, т. е. такую жидкость, которая при температуре кипения некоторое время не переходит в пар, расширяясь по кривой АВ.

Фа́зовый перехо́д (фазовое превращение) в термодинамике — переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий. С точки зрения движения системы по фазовой диаграмме при изменении её интенсивных параметров (температуры, давления и т. п.), фазовый переход происходит, когда система пересекает линию, разделяющую две фазы.

При фазовом переходе первого рода скачкообразно изменяются самые главные, первичные экстенсивные параметры: удельный объём, количество запасённой внутренней энергии, концентрация компонентов и т. п. Подчеркнём: имеется в виду скачкообразное изменение этих величин при изменении температуры, давления и т. п., а не скачкообразное изменение во времени При фазовом переходе второго рода плотность и внутренняя энергия не меняются,

так что невооружённым глазом такой фазовый переход может быть незаметен. Скачок же испытывают их производные по температуре и давлению: теплоёмкость, коэффициент теплового расширения, различные восприимчивости и т. д.

Фазовые переходы второго рода происходят в тех случаях, когда меняется симметрия строения вещества

43) Внутренняя энергия реального газа складывается из кинетической энергии теплового движения его молекул, которая определяет внутреннюю энергию идеального газа и потенциальную энергию межмолекулярного взаимодействия.

Внутренняя энергия реального газа

Эффе́ктом Джо́уля — То́мсона называется изменение температуры газа при адиабатическом дросселировании — медленном протекании газа под дей-

ствием постоянного перепада давлений сквозь дроссель (пористую перегородку). Данный эффект является одним из методов получения низких температур.

Если при протекании газа через пористую перегородку температура возрастает (

), то эффект называют отрицательным, и наоборот, если температура убывает (), то процесс называют положительным. Температуру, при которой меняет знак, называют температурой инверсии.

Изменение температуры при малом изменении давления (дифференциальный эффект)

в результате процесса Джоуля — Томсона определяется производной , называемой коэффициентом Джоуля — Томсона. С помощью элементарных преобразований можно получить выражение для этого коэффициента:

где — теплоёмкость при постоянном давлении. Для идеального газа , а для реального газа он определяется уравнением состояния.

•Процесс Джоуля — Томсона используют для получения низких температур. Для этой цели обычно применяют интегральный процесс, при котором давление изменяется в широких пределах.

•Измерение позволяет установить уравнение состояния газа.

44. Электрический заряд. Электрическое поле. Свойства заряда. Понятие точечного заряда. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Силовые линии напряженности электрического поля; их свойства. Напряженность электрического поля точечного заряда.

Электри́ческий заря́д — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.Кл.

Напряженность - векторная физическая величина, численно равная отношению силы, действующей на заряд, помещенный в данную точку данного поля, к величине этого заряда.

Силовые линии (линии напряженности) -

непрерывные (воображаемые) линии вектор напряженности касателен к каждой точке которых. Способ описания с помощью силовых линий введен Фарадеем.

Свойства:

1. Начинаются на положительных и заканчиваются

на отрицательных зарядах.

2.Не пересекаются.

3.Густота линий тем больше, чем больше напряженность. Т.е. напряженность поля прямо пропорциональна количеству силовых линий, проходящих через единицу площади поверхности.

Можно договориться изображать поля так, что количество проведенных линий пропорционально величине заряда.

Каждое заряженное тело создает в окружающем пространствеэлектрическое поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела.

Свойства электрического заряда :

1.Электрический заряд не является знакоопределенной величиной, существуют как положительные, так и отрицательные заряды.

2.Электричесий заряд - величина инвариантная. Он не изменяется при движении носителя заряда.

3.Электричесий заряд аддитивен.

4.Электричесий заряд кратен элементарному. q = Ne. Это свойство заряда называется квантованностью.

5.Суммарный электричесий заряд всякой изолированной системы сохраняется. Это свойство есть закон сохранения электрического заряда

Точечный заряд – это электрический заряд, когда размер тела, на котором этот заряд сосредоточен, намного меньше расстояния между заряженными телами

F = k · (|q1| · |q2|) / r2 Зако́н сохране́ния электри́ческого заря́да гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

45. Электрический диполь. Применяя принцип суперпозиции, получить формулу для расчета напряженности электростатического поля точечного диполя в точке, лежащей на продолжении оси диполя; получить формулу для расчета напряженности электростатического поля точечного диполя в точке, лежащей на перпендикуляре, восстановленном к оси диполя из центра этой оси. Электрический диполь в однородном электростатическом поле. Электрический диполь в неоднородном электростатическом поле

Электрический диполь — система двух равных по модулю разноименных точечных

зарядов (), расстояние между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля.

В однородном эл поле диполь стремится развернуться вдоль силовых линий магнитного поля. в неоднородном дополнительно притягивается туда, где поле сильнее, силовые линии гуще.

Рис. 4. Электрический диполь в неоднородном электрическом поле Е в частном случае, когда момент диполя p направлен по полю (сгущению силовых линий соответствует большая напряжённость поля). F1, F2 — силы, действующие со стороны поля на заряды +е и -e: F2>F1 и результирующая сила F=F2-F1 стремится переместить диполь в область большей напряжённости внешнего поля.

46. Потенциал (φ) электростатического поля. Потенциал поля, созданного точечным зарядом. Связь между силовой и энергетической характеристикой электростатического поля: а) по известной функции φ(x,y,z)) – найти напряженность ( E ) электростатического поля; б) по известной функции E(x, y, z) - определить

разность потенциалов (φ1-φ2) между двумя точками в пространстве. Теорема о циркуляции (в интегральной и дифференциальной формах) вектора напряженности электростатического поля. Понятие потенциального поля. Эквипотенциальные поверхности. Направление вектора напряженности электрического поля вблизи эквипотенциальной поверхности.

Потенциал эл. Стат. Поля . = 4 Е0

-потенциал , Q-заряд, Е-проводимость среды Е0-физич. Постоянная=8,85*10−12 ф/м. r- радиус вектор

Потенциал поля, созданного точечным зарядом

= 4Е0

Циркуляция вектора напряженности в инт. форме

Е =0

Потенциальное поле - поле созданное точечным зарядом.

Эквипотенциальная поверхность — это поверхность, на которой скалярный потенциал данного потенциального поля принимает постоянное значение.

Направление вектора напряженности электрического поля вблизи эквипотенциальной поверхности.

Линии напряженности всегда перпендикулярны к эквипотенциальным поверхностям. В самом деле, все точки эквипотенциальной поверхности обладают одинаковым потенциалом, поэтому работа по перемещению заряда вдоль этой поверхности равна нулю, т. е. электростатические силы, которые действуют на заряд, всегда направлены по перпендикурярам к эквипотенциальным поверхностям. Значит, вектор Е всегда перпендикулярен к эквипотенциальным поверхностям, а поэтому линии вектора Е перпендикулярны этим поверхностям.

47. 48. 49 Поток вектора напряженности электрического поля. Теорема Остроградского-Гаусса (в интегральной и дифференциальной формах) для электростатического поля в вакууме.

ФЕ = Е dS cos αdS −

Е-напряженность, площадь, α-угол между Е и n

Теорема гауса в инт. Форме

Теорема гауса в диф. Форме divE= 0

50. Диэлектрики (однородные, неоднородные, изотропные, анизотропные). Свободные (сторонние) и связанные (поляризационные) заряды. Полярные и неполярные молекулы. Типы диэлектриков и виды поляризации. Поляризуемость молекулы. Поляризация диэлектрика. Вектор поляризованности (поляризации). Диэлектрическая восприимчивость. Напряженность электростатического поля в диэлектрике. Вывод формулы, связывающей поверхностную плотность связанных зарядов и нормальную составляющую вектора поляризации. Поток вектора поляризованности диэлектрика.

однородного диэлектрика вещества с приблизительно одинаковым количеством положительных и отрицательных зарядов диполей в любом не слишком малом объеме. ( Продукты нефти и различные газы)

Связанные заряды. В результате процесса поляризации в объеме (или на поверхности) диэлектрика возникают нескомпенсированные заряды, которые называются поляризационными, или связанными. Частицы, обладающие этими зарядами, входят в состав молекул и под действием внешнего электрического поля смещаются из своих положений равновесия, не покидая молекулы, в состав которой они входят. Связанные заряды характеризуют поверхностной плотностью.

Под свободными зарядами понимают, во-первых, все электрические заряды, которые под влиянием электрического поля могут перемещаться на макроскопические расстояния (электроны в металлах и вакууме, ионы в газах и электролитах и т. п.), и, во-вторых, заряды, нанесенные извне на поверхность диэлектриков и нарушающие их нейтральность).

ПОЛЯРНЫЕ МОЛЕКУЛЫ, молекулы, обладающие постоянным дипольным моментом в отсутствие внеш. электрич. поля. Дипольный момент присущ таким молекулам, у к-рых распределение электронного и ядерного зарядов не имеет центра симметрии.

Неполярными называются молекулы, дипольный момент которых равен нулю при отсутствии поля Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением

связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризацииЭлектронная — смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10−15 с). Не связана с потерями. Типы поляризации:

•Ионная — смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего

электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10−13 с, без потерь.

•Дипольная (Ориентационная) — протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.

•Электронно-релаксационная — ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.

•Ионно-релаксационная — смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.

•Структурная — ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.

•Вектор поляризации — векторная физическая величина, равная дипольному

моменту единицы объёма вещества, возникающему при его поляризации, количественная характеристика диэлектрической поляризации.[1]

•Диэлектри́ческая восприи́мчивость (или поляризу́емость) вещества — физическая величина, мера способности вещества поляризоваться под действием электрического поля. Диэлектрическая восприимчивость — коэффициент

• Р-поляризация, Е-нпряженность, Хе-коэфф. Поляризованностилинейной связи между поляризацией диэлектрика P и внешним электрическим

поляризация диэлектрика. Его поместили в

электростатическое поле и заряды, которыми он обладал перераспределились.
Рд=∆S ! =P* ц = ∆S ! со
Вывод формулы	→ ! = - Связь вектора поляризации и связанных зарядов.
! =

51. Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в диэлектриках (в интегральной и дифференциальной формах). Вектор электрического смещения. Диэлектрическая проницаемость.

Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в диэлектриках:

т. е. поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности свободных электрических зарядов. В такой форме теорема Гаусса справедлива для электростатического поля как для однородной и изотропной, так и для неоднородной и анизотропной сред.

Для вакуума Dn = e0En (e =1), тогда поток вектора напряженности Е сквозь произвольную замкнутую поверхность равен

Так как источниками поля Е в среде являются как свободные, так и связанные заряды, то теорему Гаусса (81.2) для поля Е в самом общем виде можно записать как

Вектор электрического смещения:

Напряженность электростатического поля, согласно , зависит от свойств среды: в однородной изотропной среде напряженность поля Е обратно пропорциональна e. Вектор напряженности Е, переходя через границу диэлектриков, претерпевает скачкообразное изменение, создавая тем самым неудобства при расчетах электростатических полей. Поэтому оказалось необходимым помимо вектора напряженности характеризовать поле еще вектором электрического смещения, который для электрически изотропной среды, по определению, равен

Используя формулы , вектор электрического смещения можно выразить как

Единица электрического смещения — кулон на метр в квадрате (Кл/м2).

Диэлектрическая пронецаемость:

ДИЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ ПРОНИЦА́ЕМОСТЬ, безразмерная величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия F между электрическими зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия Fo в вакууме:

e =Fо/F.

Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, количественно характеризуя свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.