Методичні вказівки до розв’язування задач з розділу «Молекулярна фізика»

Задачі на розрахунок параметрів стану ідеального газу можна розподілити на дві основні групи. До першої групи належать задачі, в яких у разі зміни будь-якого з параметрів маса ідеального газу залишається сталою. Причому маса газу може бути не заданою. Тоді задачі можна розв'язувати за об'єднаним газовим законом, частинним випадком якого залежно від сталих параметрів є закони Бойля-Маріотта, Гей-Люссака, Шарля.До другої групи належать задачі із заданою або змінною масою. До них застосовний закон Менделєєва-Клапейрона, причому його записують для кожного стану ідеальних газів. Одержану систему рівнянь з урахуванням додаткових умов розв'язують відносно шуканої величини.

 

Завдання для самоперевірки:

1. Скільки треба затратити теплоти, щоб 0,5кг води при температурі

20⁰С довести до температури кипіння і перетворити у пару?

 

2. Закриту посудину об’ємом 0,8м³, яка містить 1кг води, нагріли до 120⁰С. Як треба змінити об’єм посудини, щоб пара у ній стала насиченою?

 

 

ТЕМА 4

Розділ: Молекулярна фізика.

 

Тема: Властивості твердих тіл

Мета вивчення: ознайомлення зі структурою, властивостями та застосування рідких кристалів.

 

План вивчення:

1.Рідкі кристали - структура, властивості, використання.

2.Створення матеріалів із наперед заданими технічними властивостями.

3. Будова полімерів та їх властивості.

 

1. Рідкі кристали

Більшість речовин може перебувати в трьох агрегатних станах — твердому, рідкому й газоподібному. Однак деякі органічні речовини, молекули яких мають ниткоподібну форму або форму плоских пластин, можуть перебувати в особ­ливому стані, маючи одночасно властивості анізотропії і текучості. Цей стан, який поєднує властивості кристала і рідини, називають рідкокристалічним. А речовини, які до­сить дивовижно поєднують властивості рідин і кристалів, дістали назву рідких кристалів. Вони текучі і утворюють краплі. Правда, їхні краплі можуть мати не сферичну, а ви­довжену форму. Детальне дослідження показало, що розміще­ння молекул у них має порядок, не властивий звичайним рідинам і твердим тілам. Якщо в твердих кристалах спосте­рігається дальній порядок у розміщенні частинок в будь-яких трьох взаємно перпендикулярних напрямах, то в рідких — в одному напрямі (одновісний дальній порядок).

Маючи впорядковану орієнтацію молекул в одному з на­прямів, рідкі кристали характеризуються анізотропією фізич­них властивостей: поверхневого натягу, електропровідності, магнітних і оптичних характеристик тощо. За механічними властивостями вони нагадують рідини, в'язкість яких ко­ливається від рідкого клею до «твердого» скла.

Існують рідкі кристали в певному інтервалі температур, різному для різних речовин. Нагріваючись, вони перетворю­ються у звичайну рідину, від охолодження стають твердими кристалами. Розрізняють два основних типи рідких криста­лів: нематичнйи (від грецького «нема» — нитка) і смектичний (від грецького «смекма» — мило). В нематичних рідких кристалах впорядкованість розташування молекул полягає в тому, що в певному об'ємі, який відповідає одному «монокри­сталу», поздовжні осі всіх молекул паралельні, а будь-який інший дальній порядок у розміщенні частинок від­сутній. У смектичних рідких кристалах молекули розташо­вані шарами. Найпоширеніший приклад смектичного рідкого кристала — розчин мила у воді. Ті якості мила, які роблять його мийним засобом, безпосередньо пов'язані з його здатністю утворювати рідкі кристали. Мильний розчин складається з великої кількості подвійних шарів молекул мила, розділених шарами води. Коли ми миємо з милом руки, то шари молекул мила легко ковзають один відносно одного і шкіри, забираючи з неї бруд і передаючи його воді.

Вже вивчено понад 3000 речовин, які утворюють рідкі кри­стали. До них належить багато органічних речовин біологіч­ного походження, наприклад дезоксирибонуклеїнова кислота, яка несе код спадкової інформації, і речовина мозку.

Багато рідких кристалів мають дуже цінну якість: деякі їх властивості різко змінюються за порівняно незначної зміни зовнішніх умов (температури, електричного і магнітного полів тощо). Це явище знайшло вже практичне застосування: на основі рідких кристалів опрацьовано перетворювач інфра­червоного зображення у видиме, лабораторний прилад для вимірювання коливань температури і т. ін.

Рідкі кристали використовуються в різних оптичних інди­каторах, наприклад у циферблатах наручних годинників, на яких час фіксується не стрілкою, а зміною цифр

Надзвичайно велике значення рідких кристалів у біології та медицині. Немає сумнівів у тому, що дальші дослідження цих речовин не тільки розширять їх застосування в техніці, а й дадуть змогу проникнути в таємниці біологічних процесів.

2. Створення матеріалів із наперед заданими технічними властивостями

Останнім часом у багатьох галузях народного господарства зростають потреби в економічних і високоякісних матеріалах, що мають певні технічні властивості. Для науки й техніки по­трібні матеріали досить міцні та особливо стійкі проти нагрівання, дії хімічних реагентів, корозії. В авіації, ракетній, космічній і ядерній техніці, радіоелек­троніці прогрес був би просто неможливий без надміцних ма­теріалів, здатних витримувати температури до 2500 °С і вище.

Багато з використовуваних у техніці матеріалів не існує в природному стані — їх створила людина. В сучасній техніці використовується понад 20 тисяч конструкційних і будівель­них матеріалів, і їх асортимент з кожним роком зростає за рахунок створення надміцних, жаростійких, хімічно стійких матеріалів та їх сплавів. Але якщо раніше нові матеріали створювалися в результаті простого відбору природних речо­вин із необхідними властивостями, то нині на основі знання залежності фізичних і хімічних властивостей речовини від її будови (структури) цілеспрямовано створюють матеріали із заздалегідь заданими механічними, тепловими, електромаг­нітними, оптичними та іншими властивостями.

Одним із засобів керування властивостями нових мате­ріалів є утворення різних сплавів. Сплавляючи в певному співвідношенні різні метали, дістають сплави з бажаними технічними властивостями. В розплавленому стані відбуваєть­ся активне дифузійне перемішування частинок (іонів, атомів, молекул) вихідних речовин, яке у процесі кристалізації сприяє утворенню сплаву із властивостями, які відрізняються від властивостей його компонентів. Тепер виготовляються і використовуються тисячі металевих сплавів з різноманітними властивостями: дюралюміній (сплав алюмінію з міддю, маг­нієм і манганом), латунь (сплав міді з цинком), бронза (сплав міді з оловом, алюмінієм або свинцем), бабіт (сплав олова, стибію і міді), легована сталь (сплави заліза з нікелем, кобаль­том, хромом та іншими металами) тощо. Тверді металеві сплави мають високу пластичність і міцність. Сплавляючи тугоплавкі метали (вольфрам, хром, ванадій, іридій, молібден тощо), дістають особливо тверді сплави, які використовують для виготовлення металорізального інструменту. На основі титану дістають легкі і надзвичайно міцні сплави, здатні працювати за температури 500—600 °С. За густини 4,5 • 10³ кг/м³ титан має модуль пружності приблизно в 2 рази більший, ніж залізо, і в 6 раз більший, ніж алюміній. Ці яко­сті титанових сплавів зробили їх незамінними в надзвуковій авіації, космічній техніці та інших галузях науки і техніки.

Для роботи у разі великих механічних навантажень використовувалися переважно метали та їх сплави. Однак метали непридатні в агресивних середовищах або за високих температур, оскільки зазнають корозії, а під час нагрівання стають пластичними і набувають плинності, тобто повільно і безперервно деформуються під впливом навантажень чи меха­нічних напруг. З метою підвищення міцності металів у їх кристалічні решітки вводять атоми інших елементів, таких, як Карбон, Силіцій, Нітроген, Бор. В результаті дістають сполуки металів з Карбоном (карбіди), Силіцієм (силіциди), Бором (бориди), Нітрогеном (нітриди), які дістали назву мета­лоподібних. Ці з'єднання, зберігаючи значною мірою власти­вості металів (міцність, електропровідність тощо), одночасно набувають і нових (твердість, теплостійкість, хімічна стій­кість). Атоми металу і неметалу зв'язуються між собою дуже міцними ковалентно-металевими зв'язками.

Карбіди деяких металів (Титану, Цирконію, Гафнію, Ванадію, Танталу, Ніобію, Молібдену тощо) дуже тверді і ту­гоплавкі речовини. Підвищення цих цінних якостей дося­гається в результаті сплавляння між собою різних карбідів чи карбідів з металами: нікелем, кобальтом, хромом тощо. Так, деталі із сплаву карбідів танталу, гафнію і цирконію можуть працювати за температури до 3000 °С. Найтугоплавкішим з усіх відомих матеріалів є сплав карбідів танталу (80 %) і гаф­нію. Його температура плавлення дорівнює 4215 С.Металоподібні сполуки знаходять широке і різноманітне застосування у сучасній техніці: захисні покриття під час до­бування жароміцних волокон, в металургії, енергетиці тощо.

З кожним роком зростає застосування в техніці так званих бінарних сполук неметалів: Карбону, Силіцію, Нітрогену і Бору, тобто продуктів з'єднання між собою двох різних атомів цих елементів. В кристалічній структурі бінарних сполук ато­ми зв'язані міцними ковалентними зв'язками. Тому ці речо­вини відзначаються винятковою твердістю, термостійкістю, вогнетривкістю і хімічною стійкістю.

Прикладом такої бінарної сполуки є карбід силіцію БіС, який в техніці називають карборундом. Його дуже широко використовують для виготовлення абразивів, вогнетривів і напівпровідників. Ниткоподібні монокристали карбіду силіцію використовують для армування металів і полімерів та до­бування в такий спосіб винятково міцних матеріалів.

Дуже міцний ковалентний зв'язок утворюють атоми Бору і Нітрогену в кристалічній структурі нітриду бору N6, причому існують три різні форми кристалічних решіток, дві з яких аналогічні алмазу і графіту. Нітрид бору, кристалічна решітка якого схожа з графітом — це білий порошок («білий графіт»), слугує кращим, ніж графіт, змащенням. Нітрид бору, що має кристалічну решітку, аналогічну алмазу, за твердістю не по­ступається йому і перевищує його за міцністю і термостійкістю. В техніці цей матеріал називають ельбором, кубонітом або бора­зоном. Різальні й абразивні інструменти, виготовлені на основі ельбору, в 10—20 раз перевищують за стійкістю твердосплавні інструменти. Такими інструментами можна обробляти сталь і чавун, тоді'як алмазні інструменти для цієї мети непридатні: під час розігрівання алмаз перетворюється в графіт.

У багатьох галузях науки і техніки широко використову­ють чудові механічні, електромагнітні й оптичні властивості монокристалів хімічних елементів і багатьох речовин, насам­перед алмазу, рубіну, германію, кварцу, силіцію, сапфіру, ісландського шпату тощо. Але, на жаль, ці монокристали трапляються в природі дуже рідко і в більшості випадків ма­ють тріщини, забруднення, дефекти кристалічної структури. У зв'язку з цим швидкими темпами розвиваються техніка і технологія штучного вирощування, або синтезу монокриста­лів багатьох хімічних елементів і сполук дуже високої хімічної чистоти з досконалою кристалічною структурою.

В Україні виробляються сотні штучних кристалів, у тому числі дорогоцінних і напівдорогоцінних: діамантів, смарагдів, рубінів, гранатів, сапфірів, аметистів, топазів тощо. Вирощені штучні монокристали ні в чому не поступаються природним, а деякі і значно їх перевищують, оскільки в процесі їх виготов­лення учені й інженери можуть цілеспрямовано змінювати склад вихідних речовин, умови вирощування і тим самим створювати монокристали з необхідними властивостями.

Існують два основні способи вирощування монокристалів: кристалізація із розплаву і кристалізація із розчину.

Великим досягненням науки й техніки останніх сорока ро­ків була організація промислового виробництва синтетичних алмазів. Вони виявилися кращими за природні: твердіші, менш крихкі і стійкіші проти зношування. Наприклад, ал­мазні підшипники, які працюють без змащення у хрономет­рах вищого класу для морських кораблів і в інших особливо точних навігаційних приладах, роблять 60 млн. обертів без помітного зношування. Синтетичні алмази у вигляді порош­ків, паст і дрібних кристалів також використовують у прила­дах і деталях, які вимагають великої твердості. їх застосову­ють для дуже точної обробки важливих деталей машин і при­ладів, виробів з твердої сталі, кераміки, природних алмазів. Алмазні різці, свердла, пилки, філь’єри і коронки в сотні і тисячі разів довговічніші за звичайні, при цьому обробка ними твердих сплавів і пластиків прискорюється в 6—12 раз. Глибоке буріння свердловин ведеться тепер майже виключно за допомогою алмазного інструменту.