Molekulyar fizika

Shakl 4.3
Ushbu ajoyib nuqtada - tanqidiy deb nomlangan, qaynab turgan egri uziladi. Gaz va suyuqlikning barcha tafovutlari zichlik farqiga bog'liq bo'lgani uchun, tanqidiy nuqtada suyuqlik va gazning xususiyatlari bir xil bo'ladi. Har bir moddaning o'ziga xos tanqidiy harorati va tanqidiy bosimi bor. Shunday qilib, suv uchun kritik nuqta 374 ° C harorat va 218,5 atm bosimiga to'g'ri keladi.
Agar siz harorat juda past bo'lgan gazni siqsangiz, unda uni siqish jarayoni qaynab turgan chiziqdan o'tib ketadigan o'q bilan tasvirlangan (4.4-rasm). Bu shuni anglatadiki, bug 'bosimiga teng keladigan bosimda (o'qning qaynab turgan egri bilan kesishish nuqtasi) gaz suyuqlikka aylana boshlaydi. Agar bizning tomirimiz shaffof bo'lsa, unda biz shu daqiqada tomir tubida suyuqlik qatlami shakllanishini ko'ramiz. Doimiy bosimda suyuqlik qatlami barcha gaz suyuqlikka aylanmaguncha o'sadi. Keyingi siqishni bosimni oshirishni talab qiladi.

Shakl 4.4
Vaziyat harorati juda muhim bo'lgan gazni siqish bilan mutlaqo farq qiladi. Siqish jarayoni yana pastdan yuqoriga qarab o'q sifatida tasvirlanishi mumkin. Ammo endi bu o'q qaynab turgan chiziqdan o'tmaydi. Bu shuni anglatadiki, siqilganida bug 'kondensatlanmaydi, faqat doimiy ravishda kondensatsiyalanadi.
Kritikdan yuqori haroratlarda, interfeys bilan ajratilgan suyuqlik va gazning mavjudligi mumkin emas: har qanday zichlikka siqilganda, piston ostida bir hil modda bo'ladi, va qachon uni gaz deb atash mumkin, qachon - suyuq deb aytish qiyin.
Kritik nuqtaning mavjudligi suyuq va gazsimon holatlar o'rtasida tub farq yo'qligini ko'rsatadi. Bir qarashda, juda muhim haroratlar haqida gap ketganda shunchaki jiddiy farq yo'qdek tuyulishi mumkin. Ammo, bu unday emas. Kritik nuqtaning mavjudligi suyuqlikning - stakanga quyilishi mumkin bo'lgan haqiqiy suyuqlikning gazsimon holatga, qaynashiga qaramasdan aylanishi mumkinligini ko'rsatadi.
Bunday transformatsion yo'l sek. 4.4. Ma'lum suyuqlik xoch bilan belgilanadi. Agar siz bosimni ozgina pastga tushirsangiz (pastga o'qni tushirsangiz), u haroratni biroz ko'targan bo'lsangiz ham qaynatiladi, qaynatiladi. Ammo biz mutlaqo boshqacha yo'l tutamiz: suyuqlikni juda kuchli, juda yuqori bosimga qadar siqib chiqaramiz. Suyuqlikning holatini ko'rsatadigan nuqta vertikal ravishda yuqoriga qarab ketadi. Keyin biz suyuqlikni isitamiz - bu jarayon gorizontal chiziq bilan tasvirlangan. Endi biz Kritik haroratning o'ng tomonida ekanligimizdan so'ng, bosimni boshlang'ich darajasiga tushiramiz. Agar siz hozir haroratni pasaytirsangiz, sodda va qisqaroq tarzda ushbu suyuqlikdan olinadigan haqiqiy bug'ni olishingiz mumkin.
Shunday qilib, bosim va haroratni o'zgartirib, kritik nuqtani chetlab o'tish, suyuqlik yoki suyuqlikdan bug'ga doimiy ravishda o'tish orqali bug 'olish mumkin. Bunday doimiy o'tish qaynoq yoki kondensatsiyani talab qilmaydi.
Kislorod, azot va vodorod kabi gazlarni suyultirishga bo'lgan birinchi urinishlari muvaffaqiyatsiz tugadi, chunki kritik harorat mavjudligi ma'lum emas edi. Ushbu gazlar juda past kritik haroratga ega: azot -147 ° S, kislorod -119 ° S, vodorod -240 ° S yoki 33 K suyuqlik faqat bitta usulda bo'lishi mumkin - siz ularning haroratini ko'rsatilganidan pastga tushirishingiz kerak.
Past haroratni olish
Haroratning sezilarli darajada pasayishiga turli yo'llar bilan erishish mumkin. Ammo barcha usullarning g'oyasi bitta va bir xil: biz sovutmoqchi bo'lgan tanani majburlash, uning ichki energiyasini sarflash kerak.
Buni qanday qilish kerak? Buning usullaridan biri, suyuqlikni tashqaridan issiqlik chiqarmasdan qaynatishdir. Buning uchun, biz bilganimizdek, bosimni kamaytirish kerak - uni bug 'bosimining qiymatiga kamaytirish. Qaynatishda sarflanadigan issiqlik suyuqlikdan va suyuqlik va bug'ning harorati olinadi, shu bilan bug 'bosimi pasayadi. Shunday qilib, qaynab ketish to'xtamasligi va tezroq sodir bo'lishi uchun havo doimiy ravishda suyuqlik bilan tomirdan chiqarilishi kerak.
Biroq, bu jarayon davomida harorat pasayadi, cheklovga erishiladi: oxirida bug 'bosimi ahamiyatsiz bo'ladi va hatto kuchli evakuatsiya nasoslari kerakli bosimni keltirib chiqara olmaydi.
Haroratni pasaytirishni davom ettirish uchun, olingan suyuqlik bilan gazni sovutib, uni quyi qaynoq haroratga ega bo'lgan suyuqlikka aylantirish mumkin.
Endi nasos jarayoni ikkinchi modda bilan takrorlanishi mumkin va shuning uchun past haroratni olish mumkin. Agar kerak bo'lsa, past haroratni olishning bunday "kaskad" usuli uzaytirilishi mumkin.
O'tgan asrning oxirida ular aynan shunday qilishdi; gazni suyultirish bosqichma-bosqich amalga oshirildi: etilen, kislorod, azot, vodorod ketma-ket suyuqlikka aylantirildi - -103, -183, -196 va -253 ° S gacha bo'lgan moddalar. Suyuq vodorodga ega bo'lgan holda, siz eng past qaynoq suyuqlikni - geliyni (-269 ° C) olasiz. Chapdagi qo'shni o'ng tomonda qo'shnini olishga yordam berdi.
Qariyb yuz yil davomida kaskadli sovutish usuli. 1877 yilda bu usul bilan suyuq havo olinadi.
1884-1885 yillarda. birinchi navbatda suyuq vodorod olindi. Nihoyat, yigirma yil o'tgach, so'nggi qal'a tortib olindi: 1908 yilda Gollandiyaning Leydendagi Kamerlingh Onnes suyuq geliyga aylandi - eng past kritik haroratga ega bo'lgan modda. Yaqinda ushbu muhim ilmiy yutuqning 70 yilligi nishonlandi.
Leyden laboratoriyasi ko'p yillar davomida yagona "past harorat" laboratoriyasi edi. Endi barcha mamlakatlarda texnik maqsadlar uchun suyuq havo azot, kislorod va geliy ishlab chiqaradigan zavodlarni aytmasa, o'nlab bunday laboratoriyalar mavjud.
Endi past haroratni olishning kaskad usuli kamdan kam qo'llaniladi. Texnik qurilmalarda haroratni pasaytirish uchun gazning ichki energiyasini tushirishning yana bir usuli qo'llaniladi: ular gazning tez kengayishiga va ichki energiya tufayli ishlashga olib keladi.
Agar, masalan, bir necha atmosferaga siqilgan havo ekspanderga yuborilsa, pistonni siljitish yoki turbinani aylantirish bo'yicha ishlar tugallangach, havo shunchalik soviydi va suyuqlikka aylanadi. Karbonat angidrid, agar u silindrdan tezda chiqarilsa, u shunchalik tez soviydiki, u pashshada "muz" ga aylanadi.
Suyuq gazlar texnologiyada keng qo'llaniladi. Suyuq kislorod portlovchi texnologiyada reaktiv dvigatellarda yonilg'i aralashmasining tarkibiy qismi sifatida ishlatiladi.
Havoni suyultirish texnologiyada havo tarkibidagi gazlarni ajratish uchun ishlatiladi.
Texnologiyaning turli sohalarida ishlarni suyuq havo haroratida bajarish talab etiladi. Ammo ko'plab jismoniy tadqiqotlar uchun bu harorat etarli darajada past emas. Darhaqiqat, agar biz Selsiy gradusini mutlaq shkalaga aylantirsak, suyuq havoning harorati xona haroratining 1/3 qismiga teng ekanligini ko'ramiz. Fiziklar uchun "vodorod" harorati, ya'ni 14-20 K harorat, ayniqsa "geliy" harorati juda qiziqroq. Suyuq geliyni nasos bilan olish natijasida olingan eng past harorat 0,7 K ni tashkil qiladi.
Fiziklar mutlaq nolga juda yaqinlashishga muvaffaq bo'lishdi. Hozirgi vaqtda mutlaq noldan bir darajaning atigi mingdan bir qismiga etgan haroratga erishildi. Biroq, bu juda past haroratlar, biz yuqorida tavsiflaganimizga o'xshash bo'lmagan tarzda olinadi.
So'nggi yillarda past haroratli fizika katta hajmlarni mutlaq nolga yaqin haroratda ushlab turishga imkon beradigan uskunalar ishlab chiqarish bilan shug'ullanadigan maxsus sohani vujudga keltirdi; Supero'tkazuvchilar novlar 10 K dan past haroratlarda ishlaydigan elektr simlari ishlab chiqilgan.
Supero'tkazilgan bug 'va super isitilgan suyuqlik
Qaynash nuqtasi o'tgandan so'ng, bug 'kondensatsiyalanishi, suyuqlikka aylanishi kerak. Ammo ;; agar bug 'suyuqlik bilan aloqa qilmasa va bug' juda toza bo'lsa, u holda allaqachon uzoq vaqt suyuq bo'lib qolgan bo'lishi kerak bo'lgan o'ta sovigan yoki "yuqori darajada to'yingan bug '" olish mumkin bo'ladi.
Yuqori to'yingan bug 'juda beqaror. Ba'zan bug 'bo'shlig'iga tashlangan donalarni tortish yoki tortish kifoya qiladi, shunda kechiktirilgan kondensatsiya boshlanadi.
Tajriba shuni ko'rsatadiki, bug 'ichiga molekulalarning kondensatsiyasi kichik begona zarralarni bug' ichiga kiritish orqali sezilarli darajada osonlashadi. Chang havoda suv bug'ining ortiqcha to'yinganligi bo'lmaydi. Kondensatsiya tutun pufagidan kelib chiqishi mumkin. Axir, tutun kichik qattiq zarralardan iborat. Bug 'ichida bo'lganida, bu zarralar o'zlariga yaqin molekulalarni to'playdilar va kondensatsiya markazlariga aylanadilar.
Shunday qilib, beqaror bo'lsa ham, bug 'suyuqlikning "hayoti" uchun moslangan harorat oralig'ida mavjud bo'lishi mumkin.
Ammo xuddi shunday sharoitda suyuqlik bug 'mintaqasida "yashashi" mumkinmi? Boshqacha qilib aytganda, suyuqlikni haddan tashqari qizdirish mumkinmi?
Siz qila olasiz. Buning uchun suyuq molekulalar uning yuzasiga tushmasligini ta'minlash kerak. Radikal chora bu bo'sh joyni yo'q qilish, ya'ni suyuqlikni har tomondan qattiq devorlar tomonidan siqib chiqariladigan idishga joylashtirishdir. Shu tarzda, bir necha darajadagi qizib ketishga erishish mumkin, ya'ni suyuqlik holatini tasvirlaydigan nuqtani qaynab turgan egri chizig'ining o'ng tomoniga olib tashlash mumkin (4.4-rasm).
Haddan tashqari issiqlik - bu suyuqlikning bug 'mintaqasiga o'tishidir, shuning uchun suyuqlikni haddan tashqari qizib ketishiga ham issiqlik, ham bosimni pasaytirish orqali erishish mumkin.
Ajablanarli natijaga erishishning oxirgi usuli. Eritilgan gazlardan yaxshilab ajralib chiqqan suv yoki boshqa suyuqlik (buni qilish oson emas) suyuqlik yuzasiga etib boradigan piston bilan idishga joylashtiriladi. Kema va pistonni suyuqlik bilan namlash kerak. Agar hozir siz pistonni o'zingizga tortsangiz, u holda pistonning pastki qismiga yopishtirilgan suv oqadi. Ammo pistonga yopishgan suv qatlami suvning keyingi qatlamini o'zi bilan tortib oladi, bu qatlam taglikni tortib oladi, natijada suyuqlik cho'zilib ketadi.
Oxir-oqibat, suv ustuni yorilib ketadi (bu suv ustuni, va suv pistondan chiqmaydi), ammo bu bir birlik maydon boshiga o'nlab kilogrammga etganida yuz beradi. Boshqacha qilib aytganda, suyuqlikda o'nlab atmosferaning salbiy bosimi hosil bo'ladi.
Kam musbat bosimda ham, bug 'holati barqarordir. Va suyuqlikni salbiy bosimga keltirishi mumkin. Siz "qizib ketish" ning yorqin misolini tasavvur qila olmaysiz.
Eriydi
Har qanday harorat ko'tarilishiga bardosh beradigan qattiq jism yo'q. Ertami-kechmi, qattiq qism suyuqlikka aylanadi; to'g'ri, ba'zi hollarda biz erish nuqtasiga etib bora olmaymiz - kimyoviy parchalanish yuz berishi mumkin.
Harorat ko'tarilgach, molekulalar yanada jadalroq harakat qiladilar. Va nihoyat, "kuchli tebranadigan" molekulalar orasida tartibni saqlab qolish mumkin bo'lmay qoladi. Qattiq eriydi. Eng yuqori erish nuqtasi volfram: 3380 ° S Oltin 1063 ° S da, temir esa 1539 ° S da eriydi. Ma'lumki, simob -39 ° C haroratda eriydi. Organik moddalar yuqori erish nuqtalariga ega emas. Naftalin 80 ° S da, toluol -94,5 ° S da eriydi.
Tananing erish nuqtasini o'lchash qiyin emas, ayniqsa an'anaviy termometr bilan o'lchanadigan harorat oralig'ida erib ketsa. Erigan jismning ko'zlariga ergashish shart emas. Termometrning simob ustuniga qarang. Erish boshlangunga qadar tana harorati ko'tariladi (4.5-rasm). Eritish boshlanishi bilan harorat ko'tarilishi to'xtaydi va eritish jarayoni tugaguncha harorat o'zgarishsiz qoladi.