Аморфные тела.
К аморфным телам относятся тела, которые при затвердевании не образуют кристаллической решётки. Основным свойством аморфных тел является их изотропность, т. е. постоянство физических свойств во всех направлениях внутри тела. Аморфные тела, даже в твёрдом состоянии, обладают текучестью, хотя и очень незначительной. Это позволяет рассматривать их как нечто среднее между кристаллическими телами и жидкостями повышенной вязкости.
К
ривые
плавления и отвердевания аморфных тел,
показанные на рисунке 4, лишены
изотермических участков. Вместо них
имеются лишь точки перегиба, соответствующие
состоянию размягчения аморфного тела.
Для аморфных тел невозможно указать
значение температуры, при которой в
сосуде одновременно будут присутствовать
обе фазы - твёрдая и жидкая. Температура,
соответствующая точке перегиба,
называется температурой
размягчения.
Теория метода и описание экспериментальной установки.
Экспериментальная
установка (рис.5) состоит из электрической
печи 1, внутри которой расположена
металлическая ампула 2 с оловом. Разность
температур олова и окружающей среды
измеряется при помощи дифференциальной
копель-хромелевой термопары 3. Один спай
термопары находится в воздухе, а второй
заключен в металлическую трубку-чехол
и располагается непосредственно в
исследуемом образце олова. Термо-ЭДС
измеряется мультиметром 4. При помощи
винта 5 ампула может либо опускаться в
жерло печи, либо извлекаться оттуда.
Для
определения температуры кристаллизации
олова, ампулу с исследуемым образцом
помещают в печь и нагревают до тех пор,
пока все олово не расплавится полностью.
После этого печь выключают, а ампулу
извлекают наружу. В результате процесса
теплообмена с окружающей средой
температура образца с течением времени
начинает изменяться. Графически
зависимость температуры олова от времени
представлена на рис.6. пока образец
находится в жидком состоянии, его
температура продолжает падать (участок
1 кривой) до некоторого значения
.
Отрезок времени
соответствует этапу остывания жидкого
олова. Затем наступает процесс
кристаллизации (участок 2 кривой),
сопровождающийся постоянством температуры
олова. Так продолжается до тех пор, пока
не кристаллизуется весь образец (момент
времени
),
после чего температура олова вновь
начинает падать до температуры окружающей
среды (участок 3 кривой).
Поскольку процесс остывания твердого олова сопровождается уменьшением его внутренней энергии, а процесс кристаллизации – еще и упорядочиванием структуры олова, то можно говорить об изменении энтропии олова в сторону ее уменьшения.
Энтропией называется функция состояния системы S, дифференциал которой равен:
,
(1)
где
– бесконечно малое количество теплоты,
сообщенное системе во время элементарного
и обратимого процесса, Т
– абсолютная температура системы.
Изменение энтропии при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 равно приведенному количеству теплоты, переданному системе в этом процессе:
.
В качестве примера рассмотрим процесс изменения температуры олова от температуры кристаллизации.
ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ОЛОВА.
На
основании закона сохранения энергии
понятно, что в течении всего периода
кристаллизации
олова окружающая среда через поверхность
ампулы получает некоторое количество
тепла
,
равное количеству тепла
,
которое олово отдает окружающей среде
за тот же отрезок времени
:
.
(2)
Величина
представляет собой количество теплоты,
передаваемое оловом окружающей среде
за время кристаллизации путем
теплопроводности:
,
(3)
где
– количество теплоты, передаваемое
окружающей среде единицей массы олова
за время кристаллизации путем
теплопроводности,
– масса олова.
Величина
представляет собой количество тепла,
полученное средой за время кристаллизации
путем излучения поверхностью ампулы
электромагнитных волн инфракрасной
части спектра (теплового излучения).
Эта величина может быть определена
формулой:
,
(4)
где
S
– площадь поверхности ампулы,
– температура кристаллизации,
– температура окружающей среды, α
– коэффициент теплоотдачи, представляющий
собой количество тепла, излучаемого
единицей поверхности ампулы в течении
одной секунды при разности температур
ампулы и окружающей среды равной 1
градусу. Подставляя выражения (3) и (4) в
(2), получаем:
.
(5)
ПРОЦЕСС ОХЛЕЖДЕНИЯ ТВЕРДОГО ОЛОВА.
Аналогично опишем процесс остывания уже кристаллизовавшегося олова:
,
(6)
где
и
– количества тепла, полученные окружающей
средой и отданные в окружающую среду
оловом в процессе остывания твердого
олова.
Величина
представляет собой сумму количеств
тепла, передаваемых окружающей среде
оловом и ампулой при изменении температуры
последних на величину
:
,
(7)
где
и
– удельные теплоемкости, а
и
– массы олова и ампулы соответственно.
Величина
представляет собой количество тепла,
полученное средой за время остывания
олова
в результате излучения поверхностью
ампулы тепловой энергии. Эта величина
может быть определена формулой:
,
(8)
где
Т
– температура олова по истечении времени
,
а остальные величины те же, что и в
уравнении (4). Подставляя выражения (8) и
(7) в (6), получаем:
.
(9)
Из (5) и (9) следует:
.
(10)
.
(11)