Тақырып 9

Сұйық және қатты денелер

Спецификация бойынша не тексеріледі:

Агрегаттық күйлер және фазалық ауысуларБулану және қайнау, қаныққан буАуа ылғалдылығы, шық нүктесіБеттік керілу, капиллярлықКристалдық және аморфты денелерДеформациялар, механикалық кернеу, Гук заңы, Юнг модуліЖылулық ұлғаю

Бір минутта мәні

Сұйықтар мен қатты денелер тығыз орналасқан бөлшектерден тұрады, сондықтан көлемін сақтайды. Зат бір күйден екінші күйге өтеді: балқиды, кристалданады, буланады, конденсацияланады. Ауадағы су буына ылғалдылық тәуелді. Сұйық беті керілген қабықша сияқты әрекет етеді, ал қатты денелер Гук заңы бойынша деформацияланады және қыздырғанда ұлғаяды.

Басты формулалар

φ=ρρқ⋅100%=ppқ⋅100%\varphi=\dfrac{\rho}{\rho_{\text{қ}}}\cdot100\%=\dfrac{p}{p_{\text{қ}}}\cdot100\%
Салыстырмалы ылғалдылық
F=σlF=\sigma l
Беттік керілу күші (σ — коэффициент, Н/м)
h=2σρgrh=\dfrac{2\sigma}{\rho gr}
Капиллярдағы сұйықтың көтерілу биіктігі
σмех=FS,ε=Δll0\sigma_{\text{мех}}=\dfrac{F}{S},\quad \varepsilon=\dfrac{\Delta l}{l_0}
Механикалық кернеу және салыстырмалы ұзару
σмех=Eε\sigma_{\text{мех}}=E\varepsilon
Деформациялар үшін Гук заңы (E — Юнг модулі)
Δl=αl0Δt\Delta l=\alpha l_0\Delta t
Сызықтық жылулық ұлғаю

Ұғымдар мен терминдер

Қаныққан бу
Өз сұйығымен динамикалық тепе-теңдіктегі бу; оның қысымы тек температураға тәуелді
Шық нүктесі
Ауадағы бу қаныққан күйге жетіп, шық түсетін температура
Гигрометр, психрометр
Ауа ылғалдылығын өлшейтін аспаптар
Жұғу
Сұйық бетке жайылады (су шыныда); жұқпағанда тамшыға жиналады (сынап шыныда)
Кристалл
Бөлшектері реттелген (кристалдық тор) дене; балқу температурасы және анизотропиясы бар
Аморф дене
Алыс реттілігі жоқ дене (шыны, шайыр); біртіндеп жұмсарады, изотропты
Юнг модулі
Материал серпімділігінің сипаттамасы, Па; болатта ≈ 2 · 10¹¹ Па

Тақырыпты талдау

Агрегаттық күйлер және фазалық ауысулар

Балқу (қатты → сұйық) және кристалдану (керісінше) бір температурада — балқу температурасында жүреді; энергия кристалдық торды бұзуға жұмсалады.

Булану (сұйық → газ) екі түрлі болады: булану — кез келген температурада беттен; қайнау — белгілі температурада бүкіл көлемде. Кері процесс — конденсация, бұл кезде жылу бөлінеді.

Сублимация (айдау) — қатты дененің бірден газға айналуы (құрғақ мұз, нафталин); десублимация — қырау.

Мұзды қыздыру графигінде: мұзды қыздыру → балқу (0 °C-та горизонталь) → суды қыздыру → қайнау (100 °C-та горизонталь) → буды қыздыру.

Булану және қайнау

Булану температура жоғарылағанда, бет ауданы ұлғайғанда, жел соққанда және ауа ылғалдылығы азайғанда жылдамдайды. Буланғанда сұйық суиды — ең жылдам молекулалар ұшып кетеді.

Көпіршіктердегі қаныққан бу қысымы сыртқы қысымға теңескенде қайнау басталады. Сондықтан қайнау температурасы қысыммен бірге өседі.

Қаныққан бу Бойль–Мариотт заңына бағынбайды: сыққанда будың бір бөлігі конденсацияланады, ал қысым өзгермейді.

Ауа ылғалдылығы

Абсолют ылғалдылық — ауадағы су буының тығыздығы (г/м³). Салыстырмалы — сол температурадағы қаныққан бу тығыздығына қатынасы.

20 °C кезінде қаныққан бу тығыздығы ≈ 17,3 г/м³. Адам үшін жайлы ылғалдылық — 40–60 %.

Психрометр: құрғақ және дымқыл термометрлер; көрсеткіштер айырмасы мен кесте бойынша ылғалдылықты табады. Ауа шық нүктесіне дейін суығанда шық, тұман, қырау пайда болады.

Беттік керілу

Беттегі молекулалар сұйық ішіне тартылады, сондықтан бет кішіреюге ұмтылады: тамшылар домалақ, су өлшегіш қоңыздар су бетімен жүгіреді, сабын қабықшалары керілген.

Сабын мен жуғыш заттар беттік керілуді азайтады.

Капиллярлық құбылыстар: жұғатын сұйық жіңішке түтіктермен көтеріледі (топырақтағы су, білте, сорғыш қағаз, өсімдік түтіктері), жұқпайтыны — төмендейді. Түтік неғұрлым жіңішке болса, көтерілу соғұрлым жоғары.

Кристалдық және аморф денелер

Монокристалдар (кварц, алмас, тұз) — бір дұрыс тор; поликристалдар (металдар) — көптеген ұсақ кристалдар.

Анизотропия — қасиеттердің бағытқа тәуелділігі (слюда, графит бір жазықтықта қабаттарға бөлінеді).

Полиморфизм: бір элемент — әртүрлі торлар (көміртектен алмас пен графит). Сұйық кристалдар СК-экрандарда қолданылады.

Деформациялар және механикалық қасиеттер

Деформация түрлері: созылу, сығылу, ығысу, иілу, бұралу.

Аз деформацияларда Гук заңы орындалады: σ=Eε\sigma=E\varepsilon. Қатаңдықпен байланысы: k=ES/l0k=ES/l_0.

Созылу диаграммасы: пропорционалдық шегі → серпімділік шегі → аққыштық → беріктік шегі (үзілу). Материалдар морт (шыны, шойын) және пластикалық (мыс, қорғасын) болады.

Юнг модулін тәжірибе жүзінде анықтайды: сымға жүк іліп, ұзаруын өлшейді.

Жылулық ұлғаю

Қыздырғанда денелер, әдетте, ұлғаяды: бөлшектер арасындағы қашықтық артады.

Техникада ескеріледі: рельстер арасындағы саңылаулар, сымдардың салбырауы, құбырлардағы компенсаторлар, термостаттардағы биметалл пластиналар.

Судың аномалиясы: 0-ден 4 °C-қа дейін қыздырғанда су сығылады, ең үлкен тығыздығы 4 °C-та. Сондықтан су қоймалары үстінен қатады, ал түбінде 4 °C шамасындағы су сақталады.

Шешімі бар есеп мысалдары

Есеп 120 °C кезінде ауаның абсолют ылғалдылығы 8,65 г/м³. Салыстырмалы ылғалдылықты табыңыз (ρ_қ = 17,3 г/м³).
  1. φ=8,6517,3⋅100%=50%\varphi=\dfrac{8{,}65}{17{,}3}\cdot100\%=50\%.
Жауабы 50 %
Есеп 2Ұзындығы 2 м, қимасы 1 мм² болат сымды 200 Н күшпен созады. Ұзаруын табыңыз (E = 2 · 10¹¹ Па).
  1. S=10−6S=10^{-6} м².
  2. Δl=Fl0ES=200⋅22⋅1011⋅10−6=0,002\Delta l=\dfrac{Fl_0}{ES}=\dfrac{200\cdot2}{2\cdot10^{11}\cdot10^{-6}}=0{,}002 м.
Жауабы 2 мм
Есеп 3Радиусы 0,5 мм капиллярда су қандай биіктікке көтеріледі (σ = 0,073 Н/м)?
  1. h=2σρgr=2⋅0,0731000⋅10⋅0,0005≈0,029h=\dfrac{2\sigma}{\rho gr}=\dfrac{2\cdot0{,}073}{1000\cdot10\cdot0{,}0005}\approx0{,}029 м.
Жауабы ≈ 2,9 см
Есеп 4Ұзындығы 10 м болат рельс 40 °C-қа қызды. Ол қаншаға ұзарды (α = 1,2 · 10⁻⁵ К⁻¹)?
  1. Δl=αl0Δt=1,2⋅10−5⋅10⋅40=4,8⋅10−3\Delta l=\alpha l_0\Delta t=1{,}2\cdot10^{-5}\cdot10\cdot40=4{,}8\cdot10^{-3} м.
Жауабы 4,8 мм

ҰБТ-дағы жиі қателіктер

  • Булану кез келген температурада, қайнау — тек қайнау температурасында жүреді.
  • Қаныққан бу қысымы көлемге тәуелсіз.
  • Конденсация мен кристалдану кезінде жылу жұтылмайды, бөлінеді.
  • Аморф денелердің белгілі балқу температурасы жоқ.
  • Судың ең үлкен тығыздығы 0 °C-та емес, 4 °C-та.

Есте сақта

φ = ρ/ρ_қ. Капилляр неғұрлым жіңішке, көтерілу соғұрлым жоғары. σ = Eε. Су +4 °C-та ең тығыз.

Өзіңді тексер

1. Неліктен буланғанда сұйық суиды?
  1. Ең баяу молекулалар ұшады
  2. Ең жылдам молекулалар ұшады
  3. Қысым кемиді
  4. Тығыздық артады
Жауабын көрсету

Ең жылдам молекулалар ұшады Қалған молекулалардың орташа энергиясы кемиді.

2. Аморф дененің кристалдық денеден айырмашылығы:
  1. Балқу температурасы бар
  2. Белгілі балқу температурасы жоқ
  3. Анизотропты
  4. Торы бар
Жауабын көрсету

Белгілі балқу температурасы жоқ Шыны біртіндеп жұмсарады.

3. Қандай температурада судың тығыздығы ең үлкен?
  1. 0 °C
  2. 4 °C
  3. 20 °C
  4. 100 °C
Жауабын көрсету

4 °C Судың аномалиясы.

4. Ауадағы бу қаныққан болса, салыстырмалы ылғалдылық тең:
  1. 0 %
  2. 50 %
  3. 100 %
  4. 100 %-дан көп
Жауабын көрсету

100 % Бұл — шық нүктесі.

5. Юнг модулінің бірлігі:
  1. Н/м
  2. Па
  3. Дж
  4. Н
Жауабын көрсету

Па Механикалық кернеу сияқты.

Байланысты тақырыптар

6. Молекулалы-кинетикалық теория негіздері8. Термодинамика негіздері24. Нанотехнология және наноматериалдар

Деңгейіңді біл: ҰБТ-ға тегін диагностика