Курс общей физики. Механика и молекулярная физика - Ландау Л.Д.
Скачать (прямая ссылка):
Мы уже упоминали в § 50, что обмен энергией между соприкасающимися телами продолжается до установления теплового равновесия, при котором температуры обоих тел становятся одинаковыми. Вообще состоянием теплового равновесия системы тел называют такое состояние, при котором в системе не происходит никаких самопроизвольных тепловых процессов и все части системы покоятся друг относительно друга, не совершая никакого, как говорят, макроскопического движения (в отличие от микроскопического теплового движения частиц внутри тел). Мы можем теперь прибавить, что в состоянии равновесия должны быть одинаковыми не только температуры всех соприкасающихся 166
ТЕПЛОТА
[ГЛ. VH
тел, но и их давления,— в противном случае на тела действовали бы отличные от нуля полные силы и они пришли бы в движение.
В обычных условиях давление тел положительно, т. е. направлено так, как если бы тело стремилось расшириться. Это, однако, не обязательно, и тело может находиться также и в состояниях с отрицательными давлениями: в таких состояниях тело как бы «растянуто» и потому стремится сжаться. «Растянутые» состояния жидкости можно осуществить, запаивая тщательно очищенную нагретую жидкость в толстостенном капилляре. При остывании капилляра, стенки которого сжимаются медленнее жидкости, последняя должна была бы занять лишь часть объема капилляра. Прилипая к стенкам, жидкость оказывается, однако, «растянутой» по всему объему капилляра. В другом методе жидкость помещается в открытый с обеих сторон стеклянный капилляр, который подвергается быстрому вращению вокруг своей середины. Растягиваемая центробежными силами жидкость при достижении определенной скорости вращения, в конце концов, «разрывается» и выбрасывается из капилляра. Этими методами удается достигнуть значительных отрицательных давлений: у воды (при комнатной температуре) до 280 атм, у спирта — до 40 атм, у бензола — до 160 атм и т. д. Можно сказать, что эти значения характеризуют «прочность» жидкости на разрыв.
§ 52. Агрегатные состояния вещества
Для наиболее общей характеристики тепловых свойств тел пользуются понятием агрегатных состояний — газообразного, жидкого и твердого.
Благодаря большой разреженности вещества в газообразном состоянии его молекулы находятся сравнительно далеко друг от друга: на расстояниях, больших по сравнению с их собственными размерами. Поэтому взаимодействие между молекулами газа играет второстепенную роль; большую часть времени молекулы движутся как свободные, лишь сравнительно редко испытывая столкновения друг с другом. В жидкостях же молекулы сближены на расстояния, сравнимые с их собственными размерами, так что все они находятся в постоянном сильном взаимодействии и их теп- § 52] АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА 167
ловое движение имеет весьма сложный, запутанный характер.
В обычных условиях жидкости и газы настолько отличаются друг от друга по своей плотности, что различить их не представляет никакой трудности. Тем не менее различие между этими двумя состояниями вещества в действительности не принципиальное, а лишь количественное — в количественной величине плотности и связанной с этим разницей в интенсиьности взаимодействия молекул. Отсутствие принципиального отличия между ними в особенности ясно проявляется в том, что переход между состояниями, которые мы называем жидким и газообразным, может быть, в принципе, произведен вполне непрерывным образом, так что мы ни в какой момент не смогли бы указать, где кончилось одно состояние и началось другое (об этом будет подробнее идти речь в §69).
Количественный характер имеет также и различие между жидкостями и так называемыми аморфными (не кристаллическими) твердыми телами; к последним относятся стекло, различные смолы (например, канифоль) и т. п. И здесь отсутствие принципиальной разницы ясно проявляется в возможности непрерывного перехода из одного состояния в другое. В этом случае такой переход осуществляется путем простого нагревания. Так, твердое стекло при нагревании постепенно размягчается, становясь, в конце концов, вполне жидким; этот процесс совершенно непрерывен и в нем не существует никакого определенного «момента перехода». По своей плотности аморфное тело отличается от получающейся из него жидкости лишь незначительно. Основным количественным различием между ними является разница в величине их вязкости, т. е. в их «текучести» (мы вернемся к этому вопросу в § 118).
Общим свойством газов, жидкостей и аморфных твердых тел является беспорядочность распределения молекул в них. Эта беспорядочность обусловливает собой изотропию этих тел — одинаковость их свойств по всем направлениям. Свойство изотропии принципиально отличает эти тела от анизотропных кристаллических твердых тел, в которых атомы расположены упорядоченным образом.
Тепловое движение атомов в твердых телах представляет собой малые колебания вокруг определенных положений 168
ТЕПЛОТА
[гл. VII
равновесия. В кристаллах этими положениями являются узлы кристаллической решетки (в этом смысле мы выражались в предыдущей главе не вполне точно, говоря об узлах просто как о точках нахождения атомных ядер, а не как о точках, вокруг которых они совершают колебания). Хотя тепловое движение в твердых телах и более «упорядоченно», чем в газах или жидкостях (атомы не уходят далеко от узлов), но и оно хаотично в том смысле, что амплитуды и фазы различных атомов различны и никак между собой не связаны.
