9. Перший закон термодинаміки та його застосування до процесів у газах.

Перший принцип термодинаміки виражає закон збереження і перетворення енергії в застосуванні до теплових процесів.

Q = DU + A.

Його читають так: кількість теплоти, яку дістає система ззовні, йде на збільшення внутрішньої енергії системи і на виконання роботи проти зовнішніх сил.

З формулювання першого принципу термодинаміки зовсім не випливає, що завжди, коли система дістає певну кількість теплоти, її внутрішня енергія збільшується. Може статися, що система дістає теплоту ззовні, а її внутрішня енергія зменшується. Це буде тоді, коли система виконує роботу, більшу від теплоти, яку вона дістає (А > Q), і тому на цю роботу витрачається частково внутрішня енергія. До цього треба також додати, що величини Q і А можуть бути і додатними, і від’ємними. Коли Q <

система віддає тепло; якщо А < 0, робота виконується над системою за рахунок енергії зовнішніх тіл

10. Характеристика кристалічного стану речовини. Симетрія кристалів. Дефекти в кристалах.

З макроскопічної точки зору твердим тілом у механіці називають таке тіло, яке зберігає свою форму. За внутрішньою будовою тверді тіла поділяють на кристалічні й аморфні. Яскраво виражена анізотропність монокристалів в результатом певного упорядкованого розміщення частинок тіла, утворення так званих кристалічних решіток. Така упорядкованість у розміщенні частинок характерна для всього об’єму тіла (дальній порядок). Монокристал - тіло, всі частинки якого вкладаються в одну загальну просторову решітку.

Частинки кристала розміщені правильними рядами вздовж трьох косокутних осей координат. Частинки здійснюють коливальні рухи навколо своїх положень рівноваги, які називають вузлами кристалічної решітки. Залежно від того, які саме частинки містяться у вузлах кристалічних решіток, розрізняють такі чотири типи решіток: іонну, атомну, молекулярну і металічну.

У вузлах іонної решітки чергуються позитивні й негативні іони. Завдяки електричним взаємодіям вони створюють стійку структуру кристала. Переважна більшість кристалів має іонну решітку. До них належать кристали неорганічних речовин NaCl, CsCl і т.д.

В атомних решітках нейтральні атоми сусідніх вузлів зв’язуються між собою валентними електронами. Орбіти в атомах зміщуються так, що електрони обертаються як спільні навколо ядер сусідніх атомів і цим зв’язують їх між собою. Так зв’язуються атоми в молекулах. Атомну решітку мають графіт, алмаз, карборунд та ін.

Молекулярні решітки утворюються полярними молекулами; різнойменно заряджені частини двох сусідніх молекул притягуються і зв’язують молекули в решітці. Порівняно з іонними молекулярні решітки слабкіші, легше деформуються. Такі решітки, наприклад, у гуми, парафіну, целюлози тощо.

Металічні решітки утворюються позитивними іонами металу, які зв’язуються вільними (точніше - колективізованими) електронами, що заповнюють простір поза вузлами решітки. Такі решітки властиві металам. Причиною упорядкованого розміщення частинок твердого тіла є сили взаємодії між ними: притягання і відштовхування. Частинки займають певні положення рівноваги, при яких сили притягання і відштовхування взаємно зрівноважуються. Потенціальна енергія частинок у полі сил взаємодії стає мінімальною. Правильне розміщення частинок у решітці кристалів є причиною анізотропії кристалів, яка полягає в залежності яких-небудь властивостей кристалів від напряму.

У багатьох кристалів дуже добре виражена залежність механічної міцності кристала від напряму. Наприклад, слюда легко розщеплюється на пластинки, кам'яна сіль колеться на кубики тощо. Особливо помітна ця залежність у графіту. У кожному шарі кристала графіту атоми вуглецю розміщені у вершинах правильних шестикутників, а відстань між сусідніми шарами у 2,5 раза більша, ніж відстань між найближчими атомами вуглецю в кожному шарі.

Тому шари в кристалі графіту легко зсуваються один відносно одного. Зісковзуванням шарів графіту ми користуємось, коли пишемо олівцем. Ця сама властивість графіту дає змогу використовувати його як мастильний матеріал (особливо часто ним користуються при високих температурах). Якщо на поверхню кристала кварцу нанести шар воску і торкнутися кінцем добре нагрітої дротини до середини грані кристала, то віск розплавлюється по еліпсу. Отже, теплопровідність кристала кварцу залежить від напряму. Такими дослідами можна встановити залежність від напряму й багатьох інших властивостей кристалів.

Зазначимо, що в кристалах часто можна виявити і такі напрями, в яких ті чи інші властивості будуть однакові. Зріжмо верхню половину кристала, зображену на рис, і повторимо попередній дослід, торкнувшись дротинкою до центра зрізу. При цьому віск розплавлюється по колу б.

Нагадаємо ще раз, що анізотропію мають лише монокристали. Більшість твердих речовин мають полікристалічну будову (від грецьк. «полі» — багато), тобто складаються з безлічі дуже дрібних кристалів, які іноді можна спостерігати тільки в мікроскоп. Оскільки ці кристалики один відносно одного розміщені хаотично, тверде тіло в цілому є і з о т р оп н и м, тобто має однакові властивості в усіх напрямах, хоч кожний окремий кристалик має анізотропію. Аморфні тіла також ізотропні, бо в них немає просторової решітки. Відмінність між полікристалічними і аморфними тілами щодо цього полягає в тому, що в полікристалічних тіл завжди можна виділити таку малу частину тіла, в якій виявляється, анізотропія, а аморфні речовини ізотропні при будь-яких розмірах тіла або його частини.

Дослід показав, що ідеального далекого порядку в розміщенні частинок твердої речовини на практиці ніколи не буває. Будь-які відхилення від ідеального порядку кристалів називають дефектами просторової решітки.