LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 15
(всего 138)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

ников Иосифа Бродского. Здесь им изложена концепция сло- Если выпало в империи родиться,
ва и человека: в итоге, когда вычтены все социальные, психо- Лучше жить в глухой провинции, у моря
логические, политические причины: «...от человека нам оста-
— это строки стали крылатыми. Совсем другое дело, что
ется часть. Часть речи вообще. Часть речи».
провинцией, в итоге, оказывается одна нз нью-йоркских аве-
И это — не приговор человечеству, запутавшемуся в па-
ню, морем — Гудзонов залив, а встревоженные чайки кричат
утине слов, которые больше ничего не значат. Это — путь к
только по-английски...
спасению, способ заново ощутить себя частью нового мира,
Иосиф Александрович Бродский умер в 1996 г. Его твор-
где каждая пещь, каждый предмет пока лишь ждут того, кто их
ческое наследие огромно; его роль в русской поэзии неизме-
поименует.
римо велика. Он породил бесчисленное множество востор-
В стихах Бродского мало эпитетов, но зато в них чув-
женных почитателей и непримиримых противников. Время
ствуется тяжкая поступь полновесных глаголов и властный
сгладит все неровности, и в сокровищницу русской литера-
голос существительных — имен. Основываясь на образцах
турной классики ляжет томик «И. Бродский. Избранное».
старинной анголоязычной поэзии, Бродский во многом ре-
изика
70 Физика




РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ
План
1. Идеальные газы.
2. Молекулы реальных газов.
3. Силы межмолекулярного взаимодействия.
3.1. Силы притяжения и отталкивания.
3.2. Силы Ван-дер-Ваальса.
4. Уравнение Ван-дер-Ваальса.
4.1. Поправка на собственный объем молекулы.
4.2. Поправка на притяжение молекул.



ких к нормальным условиях близки по свойствам к идеаль-
1. ИДЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ
ным газам. Кроме того, практически для- любого реального
Понятие об идеальных и реальных газах возникло в рам- газа можно подобрать такие условия, при котэрых он будет
ках молекулярной физики и базируется на молекулярно-ки- вести себя как идеальный. Обычно это достигается за счет
нетической теории строения вещества. Ее основным утверж- низких давлений и высоких температур. Желание привести
дением является то, что все тела в природе состоят из мель- любой реальный газ к идеальному основано на том, что для
чайших частиц — атомов и молекул, которые находятся в по- идеальных газов установлен целый ряд законов, описываю-
стоянном хаотическом движении. Характер движения частиц щих их поведение (законы Бойля—Мариотта. Гей-Люссака,
в газах, жидкостях и твердых телах различен. Авогадро, Дальтона).
В твердых кристаллических телах силы взаимодействия Тем не менее, существуют процессы, условия протекания
между частицами очень велики, поэтому молекулы не могут которых не позволяют привести реальный га,- к идеальному.
удалиться друг от друга на очень большие расстояния. В ре- Это имеет место в промышленных производства к, научных ис-
зультате совместного влияния сил притяжения и отталкивания следованиях и т. д. Поэтому для описания состояния реальных
частицы твердого тела совершают колебания около некоторых газов был установлен ряд закономерностей, ПОЗЕОЛЯЮЩИХ изу-
средних положений — узлов кристаллической решетки. чать их поведение, не изменяя условий проведения пронесся.
В жидкостях каждая частица некоторое время колеблет-
ся около определенного положения равновесия, которое вре-
мя от времени само смещается на расстояние, соизмеримое с 2. МОЛЕКУЛЫ РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ
размером молекулы. В результате молекулы внутри жидко-
сти колеблются и медленно перемещаются. Если для идеального газа принято, что частицы не влаи
В отличие от жидкостей, в которых преобладает притя- модействуют друг с другом на расстоянии, то [ реальных га-
жение частиц, в газах доминирует отталкивание. Оно сильно зах существуют силы межмолекулярного притяжения и от-
зависит от температуры, так как она определяет скорость дви- талкивания. Силы взаимного отталкивания молекул прояв-
жения частиц и их кинетическую энергию. ляются при столкновении молекул газа друг ; другом и со
. стенками сосуда.
Молекулярно-кинетическая теория пользуется идеали-
зированной моделью газообразного вещества — так называе- При столкновениях молекулы ведут себя подобно абсо-
мым идеальным газом. Основные утверждения, на которые лютно упругим шарикам, диаметр которых зависит только от
опирается .эта модель, таковы: химической природы газа и носит название эффективного ди-
1) собственный объем молекул газа пренебрежимо мал аметра молекулы (d). Независимо от того, какой именно газ
по сравнению с объемом сосуда; рассматривается, порядок величины d остается постоянным
10
(Ю- м).
2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодей-
ствия; Между шариками-молекулами действуют силы взаимно
3) столкновения молекул газа между собой и со стенка- го притяжения. Они быстро убывают с увеличением расстоя-
9
ми сосуда абсолютно упругие. ния г между молекулами газа и при г > 10 " м становятся прак
г
Модель идеального газа часто используется при изуче- тически равны нулю. Таким образом, реальный аз приближа-
нии реальных газов. Дело в том, что некоторые газы в близ- ется по свойствам к идеальному с увеличением среднего риг
Реальные газы 71

между молекулами действуют также силы взаимного оттал-
стояния между молекулами, то есть с уменьшением плотности
кивания. Доказано, что силы эти действуют одновременно,
газа.
ведь если бы было наоборот, то тела окружающего нас мира
Многие газы (азот, водород, гелий, кислород, воздух и
не были бы устойчивыми.
др.) можно считать идеальными уже при плотностях, соответ-
Существует четкая зависимость сил взаимного притяже-
ствующих атмосферному давлению и нормальной температу-
ния и отталкивания от расстояния между молекулами. Каче-
ре. Так, концентрация молекул газа при этих условиях состав-
ственная зависимость сил межмолекулярного взаимодействия
25 3
ляет приблизительно 1С) м" . а среднее расстояние между мо-
от расстояния г между молекулами имеет следующий вид:
-10 то есть настолько велико, что си-

лами взаимного притяжения молекул можно пренебречь. Соб-
ственным объемом молекул также пренебрегают, поскольку
суммарный собственный объем всех молекул, содержащихся
и 1 м1 газа, составляет

10-f —-•
г. м
где п„ — концентрация молекул газа.
Если рассмотреть суммарную площадь поверхности мо-
лекул, содержащихся в 1 м3 газа, то она окажется равной
neit(P˜(\Qs • 106)мг.
Эта величина во много раз превышает площадь поверх-
ности стенок сосуда. Это говорит о том, что столкновения
молекул между собой происходят гораздо чаще, чем со стен- На очень больших расстояниях преобладают силы от-
ками. Поэтому пренебречь взаимными столкновениями час- талкивания Fo, на более далеких — силы взаимного притяже-
тиц так же, как пренебрегают собственным объемом молекул ния Fn. F — результирующая сила, которая определяется как
1л:зд, нельзя. сумма сил притяжения И отталкивания, причем силы отталки-
вания считаются положительными, а взаимного притяжения
— отрицательными:
3. СИЛЫ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОГО
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Из рисунка наглядно видно, что :
1) при г - г0 результирующая сила F^ равна нулю, т. е.
Законам идеальных газов подчиняются только разрежен-
силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. Рассто-
ные реальные газы. Во всех остальных случаях свойства иде-
яние г0 соответствует такому расстоянию между молекулами,
альных и реальных газов существенно различаются. Напри-
на котором бы они находились при отсутствии теплового дви-
PV
жения;
мор, коэффициент сжимаемости -==• из уравнения Менделе-
2) при г < г0 преобладают силы отталкивания;
ева—Клапейрона для идеальных газов всегда равен единице,
3) при г > г0 преобладают силы притяжения;
однако он зависит от давления и температуры для реальных
4) на расстоянии г > 10˜э м межмолекулярные силы вза-
газов. Поэтому при достаточно высоких давлениях все реаль-
имодействия практически отсутствуют (F -> 0).
ные газы менее сжимаемы, чем идеальные (даже независимо
от температуры).
3.2. Силы Ван-дер-Ваальса
Исследование таких характеристик, как удельная тепло-
емкость, вязкость и т. д., также показали отличия в свойствах
Силы Ван-дер-Ваальса — слабые силы, которые действу-
идеальных и реальных газов. Основная причина этих отличий
ют между молекулами реального газа на расстоянии порядка
состоит в том, что поведение молекул реальных газов отлича-
10"9 м. Они были названы по имени ученого И. Ван-дер-Вааль-
ется от того, которое приписывается идеальным газам. Во всех
са, который впервые получил уравнение состояния реального
телах, независимо от их агрегатного состояния, молекулы
газа.
взаимодействуют между собой, причем силы взаимодействия
Межмолекулярные силы имеют электрическую природу,
в значительной степени зависят от расстояния между моле-
т. е. любое взаимодействие молекул в первую очередь обус-
кулами. Эти силы имеют электромагнитную и особую кван-
ловлено взаимодействием противоположно заряженных час-
товую природу. В силу того что проявляются они на рассто-
тиц (кулоновское взаимодействие). Кулоновские силы игра-
янии <10˜9 м и быстро убывают с увеличением расстояния, их
ют основную роль при взаимодействии ионов, однако они не
называют короткодействующими.
могут возникнуть между нейтральными молекулами. Если же
мы рассмотрим такие явления, как сжижение газов, флуктуа-
3.1. Силы притяжения и отталкивания ция плотности (т. е. неравномерное распределение молекул в
объеме) и др., то становится очевидным, что между нейтраль-
Между молекулами вещества в любом агрегатном со-
ными молекулами газа происходит взаимодействие. Природа
стоянии действуют силы взаимного притяжения. Малая сжи-
этих взаимодействий физическая, а не химическая, т. к. в ре-
маемость сильно уплотненных газов, способность жидких и
зультате не образуются новые химические соединения. Зна-
гвгрдых тол сопротивляться сжатию указывают на то, что
72


ся друг к другу (рис. 2). Одновременно с зтпм происходит
чит, даже между незаряженными частицами может возникнуть
деформация каждой из молекул под действием близко распо-
электростатическое взаимодействие. Всего существует три
ложенного полюса соседней молекулы. Это приводит к уве-
механизма, объясняющих возможность этого — три типа ван-
личению длин диполей (рис. 3) и усилению межмолекуляр-
дер-ваальсовых сил.
Вступающие во взаимодействие молекулы могут быть ных взаимодействий.
полярными и неиолярными. В полярной молекуле центры тя-

ео оо>
жести положительных и отрицательных зарядов смещены один
относительно другого:
1 2 3
Рис. 2. Схема взаимодействия полярной и неполярной
молекул
Такие молекулы называются диполями. Именно наличие
центров локализации положительного и отрицательного заря-
Если есть две близко расположенные молекулы, одна из
дов дают полярной молекуле возможность вступать в элек-
которых полярна, а другая — неполярна, то под действием элек-
тростатическое взаимодействие либо с заряженной частицей,
трического поля, создаваемого полярной молекулой, в непо-
либо с другим диполем:
лярной образуется диполь (рис. 2).
Дальнейшее взаимодействие поисходит аналогично ори-
ентационному. Принимая во внимание то, что х.иполь в негго-
лярной молекуле индуцируется электрическим полем поляр-
Неполярная молекула не имеет центров локализации за-
ной, силы называются индукционными.
рядов, однако они могут возникнуть под действием внешнего
Принципиально иначе происходит взаимодействие двух
электрического поля. Если неполярная молекула достаточно
неполярных молекул. Силы, обуславливающие это взаимо-
приблизится к источнику электрического поля, то оно начнет
действие, получили название аисперсионых и их природу ус-
действовать на входящие в состав молекулы атомные ядра и
тановить удалось лишь в 1930 г.
электроны: вес одноименно с нолем заряженные частицы бу-
Пускай есть два атома инертного газа, близко располо-
дут им отталкиваться, все противоположно заряженные — при-
женных друг к другу (рис. 3.1).
тягиваться. В результате электрические центры тяжести по-
ложительных и отрицательных зарядов окажутся смещенны-
ми друг относительно друга и в молекуле возникнет диполь.
Возникновение диполя в неполярНой молекуле связано с ее
деформацией, т. е. отклонением от нормальной внутренней
структуры молекулы. Наиболее устойчивой для молекулы
структурой является та, которая наблюдается при отсут-
ствии внешних воздействий, поэтому вызванный действие?-!
внешнего электрического поля (индуцированный) диполь

СО
не будет устойчивы?.!. Он сохраняется лишь до тех пор, пока
действует поле. Величина такого индуцированного диполя
будет тем больше, чем сильнее поле и чем легче деформиру-
1 2 3
ется молекула.
Рис. 3. Схема модели дисперсионного взаимодействия
Три типа сил Ван-дер-Ваальса опираются на возможные
Благодаря тому что электроны атомов находятся в по-
комбинации нейтральных частиц:
стоянном вращении, а ядра непрерывно колеблются, в каждом
— диполь — диполь;
из атомов всегда может возникнуть временное смещение не-
•- диполь — неполярная молекула;
которых электронных орбит относительно ядра, а вслед за
— неполярная молекула — неполярная молекула.
этим — возникновение временного диполя. Каждый из таких
Рассмотрим их подробнее.
диполей будет влиять своими зарядами на ориентацию подоб-
Пусть имеются две достаточно близко (г < 10˜э м) распо-
ного же временного диполя, возникающего в соседнем атоме
ложенные друг к другу полярные молекулы. Т. к. одноимен-
(рис. 3. 2). Это влияние будет не случайным. Предпочтитель-
но заряженные полюса диполе:5 взаимно отталкиваются, а раз-
нее та ориентация диполей, при которой соседствуют разно-
ноименно заряженные притягиваются, то обе молекулы стре-
именные полюса (рис. 3. 3). Диполи, возникающие таким об-
мятся ориентироваться таким образом, чтобы рядом оказыва-
разом, могут существовать лишь самое коротко: время, одна-
лись разноименные полюса (рис. 1).
ко предпочтительная ориентация частиц будет сохраняться

ОО ОЭ
при каждом следующем появлении диполей.


1 2 3 4. УРАВНЕНИЕ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА
Рис. 1. Схема взаимодействия полярных молекул
Чтобы описать состояние реальных газет, необходимо
При таком расположении молекул между ними действу- учитывать размеры молекул и их взаимодействие друг с дру-
ют силы притяжения, возникшие за счет взаимодействия по- гом, поэтому модель идеального газа и уравнете Клапейро-
стоянных диполей. Эти силы называются ориентационными. на—Менделеева, описывающие идеальный газ, для реальных
Они заставляют молекулы сближаться и прочно притягивать- газов непригодны.
Электрический ток в газах 73

Учитывая собственный объем молекул и силы межмоле- 4.2. Поправка на притяжение молекул
кулярного взаимодействия, Ван-дер-Ваальс вывел уравнение
Действие сил притяжения газа приводит к появлению
состояния реального газа, введя поправки в уравнение Клан-
дополнительного давления на газ, которое называют внутрен-
ш-рона—Менделеева.
ним давлением. По вычислениям Ван-дер-Ваальса, внутрен-
нее давление обратно пропорционально квадрату молярног.»
4.1. Поправка на собственный объем молекул объема:
Каждая молекула реального таза имеет объем ,а
р

К'
где а — постоянная Ван-дер-Ваальса, характеризующая
силы межмолекулярного притяжения.
Поэтому молекулы реального газа движутся в сосуде
Учтя все эти поправки, мы получаем уравнение Ван-дер-
менее свободно, чем молекулы идеального газа, собственный
Ваальса для 1 моль реального газа:
объем которых принят нулевым. Ван-дер-Ваальс учел соб-
ственный объем молекул газа путем замены в уравнении Кла-
пейрона—Менделеева полного объема сосуда Vm, занимаемо-
го 1 моль газа, на «свободный» объем:
Для произвольного количества вещества v уравнение Ван-
Vm'=Vm-b,
дер-Ваальса имеет вид:
где Ъ — поправка Ван-дер-Ваальса, которая зависит от
v2aYV
собственного объема молекул Р+
—ь
Поправка Ь в 4 раза больше собственного объема всех N4
молекул одного моль газа: где поправки а и b — постоянные для каждого газа вели-
A = 4NAV. чины, которые определяются экспериментально.
При выводе уравнения Ван-дер-Ваальс сделал ряд при-
Если объем измеряется в м\ то Ь имеет размерность
ближений и упрощений, поэтому оно не дает абсолютно точ-
мУмоль.
ного результата, однако согласуется с опытом гораздо лучше,
Ь зависит от эффективного диамгтрл молекулы, т. с. пт
чем уравнение состояния идеального газа.
химической природы слал.




ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ

План
1. Ионизация газов.
2. Самостоятельный разряд.
3. Типы самостоятельного газового разряда.
3.1. Искровой разряд.
3.2. Дуговой разряд.
3.3. Тлеющий разряд.
3.4. Коронный разряд.


в газе происходит расщепление нейтральных атомов и моле-
1. ИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВ
кул на ионы и свободные электроны.
Ионизировать газ можно двумя путями:
В обычных условиях (не слишком высокие темпера-
1) заряженные частицы вносятся в газ извне или созда-
туры; давления, близкие к атмосферному) газы состоят из
ются действием какого-либо внешнего фактора;
нейтральных атомов и молекул и не содержат свободных
2) заряженные частицы создаются в газе действием элек-
зарядов (электронов и ионов). Поэтому ток они не прово-
трического поля.
дят, другими словами, являются изоляторами. Например,
В зависимости от способа ионизации электропроводность
если в сухой атмосферный воздух поместить заряженный
газов (разряд в газах) называется несамостоятельной (1) и
.мектрометр с хорошей изоляцией, то его заряд долго оста-
самостоятельной (2).
ется неизменным.
Под действием ионизатора из электронной оболочки ато-
Чтобы газ начал проводить электрический ток, нужно
ма или молекулы вырывается один или несколько электро-
создать в нем свободные носители заряда, т. е. заряженные
нов. Атом (или молекула) превращается в положительный
•истины. Этот процесс называется ионизацией газа. При этом
74 Физика

ион (катион), и образуются свободные электроны. Они, в свою Бывают случаи, когда тока насыщения не г. Это возмож-
очередь, присоединяются к нейтральным молекулам и атомам, но, если ионизирующая способность ионизатсра так велика,
что даже при больших напряжениях электрическое поле не
превращая их в отрицательные ионы (анионы). Таким обра-
успевает уводить все образовавшиеся ионы. Подобную кар-
зом, в ионизованном газе находятся катионы, анионы и сво-
тину мы можем наблюдать в растворах электролитов, когда
бодные электроны.
скорость образования ионов в результате элек'-рической дис-
Часто катионы и анионы представляют собой не соеди-
социации очень велика.
ненные ионизированные молекулы, а группы молекул, «при-
липших» к отрицательному или положительному иону. По- Ионизаторами газов могут выступать различные внешние
этому их массы намного больше, чем масса отдельного атома воздействия. Например, в результате сильного нагревания ско-
рость молекул возрастает, и их столкновения :тановятся на-
или молекулы.
столько сильными, что они разбиваются на ион л. Таким обра-
Для описания ионной проводимости нельзя использовать
зом, ионизатором выступает сильный нагрев. К i эме того, иони-
ни законы Фарадея. ни закон Ома.
зировать газ может коротковолновое электромагнитное излу-
Законы Фарадея для газов теряют смысл в силу того, что
чение (УФ, рентгеновское, у-излучение), корпускулярное ил-
в растворах электролитов частицы представляют собой либо
лучение (потоки электронов, протонов, сс-частна) и т. д.
определенные атомы, либо определенные группы атомов, а в
газах конгломераты частиц могут быть какими угодно. Для того чтобы выбить из молекулы или атома один элек-
трон, необходимо затратить определенную энергию необходи-
Закон Ома для газов выполняется только при малых на-
мую для совершения работы ионизации — работы против сил
пряжениях. Тогда, как и в случае проводников, подчиняющих-
взаимодействия между вырываемым электроном и остальны-
ся закону Ома, зависимость силы тока от напряжения (т. н.
ми частицами атома или молекулы. Она называется энергией
вольтамперная характеристика) для них будет иметь вид:
ионизации. Обычно ее значение колеблется для разных ато-

<< Пред. стр.

страница 15
(всего 138)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign