Giới thiệu

Trạng thái của khí lý tưởng được mô tả đầy đủ bằng các đại lượng đo được: áp suất, nhiệt độ, thể tích. Tỷ lệ giữa ba đại lượng này được xác định theo định luật khí cơ bản:

mục đích của công việc

Kiểm định định luật Boyle-Mariotte.

Nhiệm vụ cần giải quyết

Đo áp suất không khí trong ống tiêm khi thay đổi thể tích, biết rằng nhiệt độ của khí không đổi.

Thiết lập thử nghiệm

Dụng cụ và phụ kiện

máy đo áp suất

bơm chân không bằng tay

Trong thí nghiệm này, định luật Boyle-Mariotte được xác nhận bằng cách sử dụng cách thiết lập như trong Hình 1. Thể tích không khí trong ống tiêm được xác định như sau:

trong đó p 0 là áp suất khí quyển, và p là áp suất được đo bằng đồng hồ đo áp suất.

Trình tự công việc

Đặt pít tông của ống tiêm đến vạch 50 ml.

Ấn chặt đầu còn lại của ống nối của bơm chân không cầm tay vào đầu ra của ống tiêm.

Trong khi mở rộng pít-tông, tăng thể tích theo từng mức 5 ml, ghi lại số đọc của đồng hồ đo áp suất trên thang màu đen.

Để xác định áp suất dưới pít-tông, cần phải trừ số đọc của đơn vị đo, được biểu thị bằng pascal, khỏi áp suất khí quyển. Áp suất khí quyển xấp xỉ 1 bar, tương ứng với 100.000 Pa.

Để xử lý kết quả đo, phải tính đến sự hiện diện của không khí trong ống nối. Để thực hiện việc này, hãy đo thể tích của ống nối bằng cách đo chiều dài của ống bằng thước dây và đường kính của ống bằng thước cặp, với điều kiện độ dày của thành ống là 1,5 mm.

Vẽ đồ thị thể tích không khí đo được so với áp suất.

Tính sự phụ thuộc của thể tích vào áp suất ở nhiệt độ không đổi bằng cách sử dụng định luật Boyle-Mariotte và đồ thị.

So sánh sự phụ thuộc lý thuyết và thực nghiệm.

2133. Sự phụ thuộc của áp suất khí vào nhiệt độ ở thể tích không đổi (Định luật Charles)

Giới thiệu

Xét sự phụ thuộc của áp suất khí vào nhiệt độ ở điều kiện thể tích không đổi của một khối khí nhất định. Những nghiên cứu này lần đầu tiên được thực hiện vào năm 1787 bởi Jacques Alexandre Cesar Charles (1746-1823). Khí được đốt nóng trong một bình lớn nối với áp kế thủy ngân ở dạng một ống cong hẹp. Bỏ qua sự tăng không đáng kể của thể tích bình khi đun nóng và sự thay đổi không đáng kể về thể tích khi dịch chuyển thủy ngân trong ống áp suất hẹp. Như vậy có thể coi thể tích khí không đổi. Bằng cách đun nóng nước trong bình xung quanh bình, nhiệt độ của khí được đo bằng nhiệt kế t, và áp suất tương ứng r- bằng áp kế. Bằng cách đổ đầy bình bằng băng tan, áp suất được xác định r xung quanh, và nhiệt độ tương ứng t xung quanh. Người ta thấy rằng nếu ở 0  C áp suất r xung quanh , sau đó khi đun nóng thêm 1  C, áp suất sẽ tăng trong  r xung quanh. Giá trị của  có cùng giá trị (chính xác hơn là gần như giống nhau) đối với tất cả các khí, cụ thể là 1/273  C -1. Giá trị của  được gọi là hệ số nhiệt độ của áp suất.

Định luật Charles cho phép bạn tính áp suất của một chất khí ở nhiệt độ bất kỳ nếu biết áp suất của nó ở nhiệt độ 0  C. Đặt áp suất của một khối lượng khí cho trước ở 0  C trong một thể tích cho trước P o, và áp suất của cùng một lượng khí ở nhiệt độ tP. Nhiệt độ thay đổi thành t, và áp suất thay đổi thành  r xung quanh t, thì áp suất r bằng:

Ở nhiệt độ rất thấp, khi khí đạt đến trạng thái hóa lỏng, và cả trong trường hợp khí bị nén cao, định luật Charles không áp dụng được. Sự trùng hợp của các hệ số  và  có trong định luật Charles và định luật Gay-Lussac không phải là ngẫu nhiên. Vì các chất khí tuân theo định luật Boyle-Mariotte ở nhiệt độ không đổi nên  và  phải bằng nhau.

Hãy thay giá trị của hệ số nhiệt độ của áp suất  vào công thức cho sự phụ thuộc nhiệt độ của áp suất:

Giá trị ( 273+ t) có thể được coi là giá trị nhiệt độ được đo theo thang nhiệt độ mới, đơn vị của nó giống với thang đo độ C và điểm nằm 273  bên dưới điểm được coi là 0 của thang đo độ C, tức là nhiệt độ nóng chảy điểm băng . Số không của thang đo mới này được gọi là số không tuyệt đối. Thang đo mới này được gọi là thang đo nhiệt độ nhiệt động lực học, trong đó t t+273  .

Khi đó, với một thể tích không đổi, định luật Charles có hiệu lực:

mục đích của công việc

Kiểm tra định luật Charles

Nhiệm vụ cần giải quyết

Xác định sự phụ thuộc của áp suất khí vào nhiệt độ ở thể tích không đổi

Xác định thang nhiệt độ tuyệt đối bằng phép ngoại suy về nhiệt độ thấp

Sự an toàn

Chú ý: thủy tinh được sử dụng trong công việc.

Hãy cực kỳ cẩn thận khi làm việc với nhiệt kế khí; lọ thủy tinh và cốc đong.

Hãy cực kỳ cẩn thận khi làm việc với nước nóng.

Thiết lập thử nghiệm

Dụng cụ và phụ kiện

nhiệt kế khí

Phòng thí nghiệm CASSY di động

Cặp nhiệt điện

tấm nóng điện

cốc đo thủy tinh

bình Thủy tinh

bơm chân không bằng tay

Khi không khí được bơm ra ở nhiệt độ phòng bằng bơm tay, áp suất được tạo ra trên cột không khí р0 + р, trong đó r 0 - áp suất bên ngoài. Một giọt thủy ngân cũng gây áp suất lên một cột không khí:

Trong thí nghiệm này, định luật này được xác nhận bằng nhiệt kế khí. Nhiệt kế được đặt trong nước có nhiệt độ khoảng 90°C và hệ thống này được làm lạnh dần dần. Bằng cách hút chân không nhiệt kế khí bằng bơm chân không cầm tay, một lượng không khí không đổi được duy trì trong quá trình làm mát.

Trình tự công việc

Mở nắp nhiệt kế khí, nối bơm chân không cầm tay với nhiệt kế.

Xoay nhiệt kế cẩn thận như minh họa ở hình bên trái. 2 và hút không khí ra khỏi nó bằng máy bơm sao cho một giọt thủy ngân ở điểm a) (xem hình 2).

Sau khi giọt thủy ngân đã thu được tại điểm a) xoay nhiệt kế có lỗ hướng lên trên và xả khí cưỡng bức bằng tay cầm b) trên máy bơm (xem Hình 2) cẩn thận để thủy ngân không bị tách thành nhiều giọt.

Đun nóng nước trong bình thủy tinh trên bếp điện đến 90°C.

Đổ nước nóng vào bình thủy tinh.

Đặt nhiệt kế khí vào bình, cố định nó trên giá ba chân.

Đặt cặp nhiệt điện trong nước, hệ thống này dần dần nguội đi. Bằng cách hút không khí ra khỏi nhiệt kế khí bằng bơm chân không cầm tay, hãy duy trì thể tích cột không khí không đổi trong toàn bộ quá trình làm mát.

Ghi lại số đọc của đồng hồ đo áp suất  r và nhiệt độ t.

Vẽ đồ thị sự phụ thuộc của áp suất khí toàn phần P 0 +P+P Hg từ nhiệt độ trong khoảng C.

Tiếp tục đồ thị cho đến khi nó giao nhau với trục x. Xác định nhiệt độ giao điểm, giải thích kết quả.

Xác định hệ số nhiệt độ của áp suất từ ​​​​tiếp tuyến của hệ số góc.

Tính sự phụ thuộc của áp suất vào nhiệt độ ở thể tích không đổi theo định luật Charles và vẽ đồ thị. So sánh sự phụ thuộc lý thuyết và thực nghiệm.

Đối với chất lỏng, sẽ hợp lý khi chỉ nói về sự giãn nở thể tích. Đối với chất lỏng, nó lớn hơn nhiều so với chất rắn. Theo kinh nghiệm cho thấy, sự phụ thuộc của thể tích chất lỏng vào nhiệt độ được biểu thị bằng công thức giống như đối với chất rắn.

Nếu ở 0 ° С chất lỏng chiếm thể tích V 0, thì ở nhiệt độ t thể tích V t của nó sẽ là:

V t \u003d V 0 (1 + ?t)

Để đo hệ số giãn nở của chất lỏng, người ta sử dụng bình thủy tinh có dạng nhiệt kế, thể tích đã biết. Quả bóng với ống được đổ đầy chất lỏng lên trên cùng và toàn bộ thiết bị được làm nóng đến một nhiệt độ nhất định; trong trường hợp này, một phần chất lỏng được đổ ra khỏi bình. Sau đó, bình chứa chất lỏng được làm lạnh trong nước đá đang tan chảy đến 0°. Trong trường hợp này, chất lỏng sẽ không còn lấp đầy toàn bộ bình và thể tích không được lấp đầy sẽ cho biết chất lỏng đã nở ra bao nhiêu khi đun nóng. Biết hệ số giãn nở của thủy tinh, người ta có thể tính khá chính xác hệ số giãn nở của chất lỏng.

Hệ số nở của một số chất lỏng

Ête - 0,00166

Rượu - 0,00110

Dầu hỏa - 0,00100

Nước (từ 20°C trở lên) - 0,00020

Nước (từ 5 đến 8 ° C) - 0,00002

giãn nở nhiệt

Từ bảng hệ số nở tuyến tính trong bài Sự nở tuyến tính của vật rắn có thể thấy hệ số nở của vật rắn rất nhỏ. Tuy nhiên, những thay đổi nhỏ nhất về kích thước của cơ thể với sự thay đổi nhiệt độ gây ra sự xuất hiện của các lực khổng lồ.

Kinh nghiệm cho thấy rằng ngay cả một độ giãn dài nhỏ của vật thể rắn cũng cần có ngoại lực rất lớn. Vì vậy, để tăng chiều dài của một thanh thép có tiết diện 1 cm 2 lên khoảng 0,0005 chiều dài ban đầu của nó, thì cần phải tác dụng một lực 1000 kg. Nhưng sự giãn nở của thanh này có cùng độ lớn thu được khi nó được nung nóng thêm 50 độ. Do đó, rõ ràng là, nở ra khi nóng lên (hoặc co lại khi nguội đi) 50 độ, thanh sẽ tác dụng một áp suất khoảng 1000 kg/cm2 lên những vật thể ngăn cản sự giãn nở (nén) của nó.

Các lực lượng lớn phát sinh từ sự mở rộng và co lại của chất rắn được tính đến trong công nghệ. Ví dụ, một trong các đầu của cây cầu không được cố định mà được gắn trên các con lăn; đường ray xe lửa không được đặt sát nhau, mà để lại một khoảng cách giữa chúng; đường ống dẫn hơi được treo trên móc, giữa các ống riêng lẻ có lắp khe co giãn, uốn cong khi kéo dài đường ống dẫn hơi. Vì lý do tương tự, nồi hơi đầu máy hơi nước chỉ được cố định ở một đầu, trong khi đầu kia của nó có thể di chuyển tự do.

Sự giãn nở tuyến tính của chất rắn

Một vật thể rắn ở một nhiệt độ nhất định có hình dạng nhất định và kích thước tuyến tính nhất định. Sự gia tăng kích thước tuyến tính của vật thể khi được làm nóng được gọi là sự giãn nở tuyến tính nhiệt.

Các phép đo cho thấy cùng một cơ thể nở ra khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau: ở nhiệt độ cao, nó thường mạnh hơn ở nhiệt độ thấp. Nhưng sự khác biệt về độ giãn nở này quá nhỏ nên có thể bỏ qua những thay đổi tương đối nhỏ về nhiệt độ và sự thay đổi về kích thước cơ thể có thể được coi là tỷ lệ thuận với sự thay đổi về nhiệt độ.

Sự nở thể tích của chất rắn

Với sự giãn nở nhiệt của vật thể rắn, với sự gia tăng kích thước tuyến tính của vật thể, thể tích của nó cũng tăng lên. Tương tự như hệ số giãn nở tuyến tính cho đặc tính giãn nở thể tích, bạn có thể nhập hệ số giãn nở thể tích. Kinh nghiệm cho thấy rằng, giống như trong trường hợp giãn nở tuyến tính, có thể giả định chắc chắn rằng sự gia tăng thể tích của một vật tỷ lệ thuận với sự gia tăng nhiệt độ.

Biểu thị thể tích của cơ thể ở 0 ° C đến V 0, thể tích ở nhiệt độ t ° đến V t và hệ số giãn nở thể tích qua α, chúng ta thấy:

α \u003d V t - V 0: V 0 t (1)

Tại V 0 = 1 đơn vị. âm lượng và t \u003d 1 o С, giá trị α bằng V t - V 0, tức là hệ số giãn nở thể tích bằng số với mức tăng thể tích của vật thể khi được làm nóng thêm 1 độ, nếu ở 0 ° C, thể tích bằng một đơn vị thể tích.

Theo công thức (1), khi biết thể tích của vật ở nhiệt độ 0°C, có thể tính thể tích của nó ở nhiệt độ t° bất kỳ:

V t = V 0 (1 + αt)

Hãy để chúng tôi thiết lập mối quan hệ giữa các hệ số của sự mở rộng thể tích và tuyến tính.

Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng

Chúng ta hãy xem xét chi tiết hơn thí nghiệm Joule được mô tả ở trên. Trong thí nghiệm này, thế năng của các quả nặng rơi xuống được chuyển thành động năng của các cánh quay; do hoạt động chống lại lực ma sát nên động năng của các cánh quạt đã chuyển hóa thành nội năng của nước. Ở đây chúng ta phải đối mặt với trường hợp chuyển đổi một loại năng lượng thành một loại năng lượng khác. Thế năng của các quả nặng rơi xuống được chuyển hóa thành nội năng của nước, nhiệt lượng Q dùng để đo năng lượng đã chuyển hóa. Do đó, lượng năng lượng được bảo toàn khi nó được chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác.

Đương nhiên, người ta đặt ra câu hỏi: lượng năng lượng có được bảo toàn trong quá trình chuyển hóa các loại năng lượng khác, chẳng hạn như động năng, điện năng, v.v.? Giả sử rằng một viên đạn có khối lượng m bay với vận tốc v. Động năng của nó là mv 2 / 2 . Viên đạn trúng một vật thể và mắc kẹt trong đó. Động năng của viên đạn sau đó được chuyển thành nội năng của viên đạn và vật thể, được đo bằng lượng nhiệt Q, được tính theo công thức nổi tiếng. Nếu động năng không bị mất đi khi chuyển hóa thành nội năng thì đẳng thức sau phải đúng:

mv 2/2 = Q

trong đó động năng và nhiệt lượng được biểu thị bằng cùng một đơn vị.

Kinh nghiệm xác nhận kết luận này. Lượng năng lượng được bảo toàn.

Đương lượng cơ học của nhiệt

Vào đầu thế kỷ XIX. máy hơi nước được đưa vào rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải. Đồng thời, các cơ hội đang được tìm kiếm để nâng cao hiệu quả của chúng. Về vấn đề này, vật lý và công nghệ phải đối mặt với một câu hỏi có tầm quan trọng thực tế lớn: làm thế nào để thực hiện càng nhiều công việc càng tốt với lượng nhiên liệu ít nhất trong ô tô.

Bước đầu tiên để giải quyết vấn đề này được kỹ sư người Pháp Sadi Carnot thực hiện vào năm 1824, khi nghiên cứu câu hỏi về hiệu quả của động cơ hơi nước.

Năm 1842, nhà khoa học người Đức Robert Mayer về mặt lý thuyết đã xác định được bao nhiêu công cơ học có thể đạt được khi tiêu tốn một kilocalorie nhiệt.

Mayer tính toán dựa trên sự chênh lệch nhiệt dung của chất khí.

Chất khí có hai nhiệt dung: nhiệt dung ở áp suất không đổi (c p) và nhiệt dung ở thể tích không đổi (c v).

Nhiệt dung của một chất khí ở áp suất không đổi được đo bằng lượng nhiệt đi vào làm nóng một khối lượng khí nhất định thêm 1 độ mà không làm thay đổi áp suất của nó.

Nhiệt dung ở một thể tích không đổi bằng số bằng nhiệt lượng dùng để làm nóng một khối khí đã cho thêm 1 độ mà không làm thay đổi thể tích mà khí chiếm chỗ.

Sự phụ thuộc của thể tích các vật vào nhiệt độ

Các hạt của vật rắn chiếm những vị trí nhất định so với nhau, nhưng không đứng yên mà dao động. Khi cơ thể được làm nóng, vận tốc trung bình của các hạt tăng lên. Trong trường hợp này, khoảng cách trung bình giữa các hạt tăng lên, do đó, kích thước tuyến tính của cơ thể tăng lên và do đó, thể tích của nó cũng tăng lên.

Khi được làm mát, kích thước tuyến tính của cơ thể giảm và thể tích của nó giảm.

Như bạn đã biết, khi nóng lên, các vật thể nở ra và khi nguội đi, chúng co lại. Mặt định tính của những hiện tượng này đã được xem xét trong khóa học vật lý ban đầu.

Nhà vật lý Nhật Bản Masakazu Matsumoto đã đưa ra một lý thuyết giải thích tại sao nước co lại khi được làm nóng từ 0 đến 4°C thay vì nở ra. Theo mô hình của ông, nước chứa các cấu trúc vi mô - "vitrites", là các khối đa diện rỗng lồi, tại các đỉnh của chúng có các phân tử nước và các liên kết hydro đóng vai trò là các cạnh. Khi nhiệt độ tăng lên, hai hiện tượng cạnh tranh với nhau: sự kéo dài liên kết hydro giữa các phân tử nước và sự biến dạng của vitrit, dẫn đến giảm các lỗ hổng của chúng. Trong phạm vi nhiệt độ từ 0 đến 3,98°C, hiện tượng thứ hai chi phối ảnh hưởng của sự kéo dài liên kết hydro, cuối cùng tạo ra sự nén nước quan sát được. Cho đến nay, không có xác nhận thực nghiệm nào về mô hình Matsumoto - tuy nhiên, cũng như các lý thuyết khác giải thích sự nén của nước.

Không giống như phần lớn các chất, khi đun nóng, nước có khả năng giảm thể tích (Hình 1), tức là nó có hệ số giãn nở nhiệt âm. Tuy nhiên, chúng ta không nói về toàn bộ phạm vi nhiệt độ mà nước tồn tại ở trạng thái lỏng, mà chỉ nói về một khu vực hẹp - từ 0°C đến khoảng 4°C. Khi b xung quanhỞ nhiệt độ cao hơn, nước, giống như các chất khác, nở ra.

Nhân tiện, nước không phải là chất duy nhất có xu hướng co lại khi nhiệt độ tăng (hoặc nở ra khi được làm lạnh). Bismuth, gali, silic và antimon cũng có thể "tự hào" về hành vi tương tự. Tuy nhiên, do cấu trúc bên trong phức tạp hơn, cũng như mức độ phổ biến và tầm quan trọng của nó trong các quá trình khác nhau, chính nước mới thu hút sự chú ý của các nhà khoa học (xem Nghiên cứu về cấu trúc của nước tiếp tục, "Các nguyên tố", 10/09/2006).

Cách đây một thời gian, lý thuyết được chấp nhận rộng rãi, trả lời câu hỏi tại sao nước tăng thể tích khi nhiệt độ giảm (Hình 1), là mô hình của hỗn hợp gồm hai thành phần - “bình thường” và “giống băng”. Lý thuyết này lần đầu tiên được đề xuất vào thế kỷ 19 bởi Harold Whiting và sau đó được phát triển và cải thiện bởi nhiều nhà khoa học. Tương đối gần đây, trong khuôn khổ tính đa hình của nước được phát hiện, lý thuyết của Whiting đã được xem xét lại. Kể từ bây giờ, người ta tin rằng trong nước siêu lạnh có hai loại miền nano giống như băng: các khu vực tương tự như băng vô định hình có mật độ cao và thấp. Làm nóng nước siêu lạnh dẫn đến sự tan chảy của các cấu trúc nano này và xuất hiện hai loại nước: có tỷ trọng cao hơn và tỷ trọng thấp hơn. Chính sự cạnh tranh nhiệt độ xảo quyệt giữa hai "loại" nước thu được đã làm nảy sinh sự phụ thuộc không đơn điệu của khối lượng riêng vào nhiệt độ. Tuy nhiên, lý thuyết này vẫn chưa được xác nhận bằng thực nghiệm.

Bạn phải cẩn thận với lời giải thích này. Không phải ngẫu nhiên mà ở đây chỉ đề cập đến những cấu trúc giống băng vô định hình. Vấn đề là các vùng kích thước nano của băng vô định hình và các chất tương tự vĩ mô của nó có các tham số vật lý khác nhau.

Nhà vật lý người Nhật Masakazu Matsumoto quyết định tìm lời giải thích cho hiệu ứng được thảo luận ở đây "từ đầu", loại bỏ lý thuyết về hỗn hợp hai thành phần. Sử dụng các mô phỏng trên máy tính, ông đã xem xét các tính chất vật lý của nước trong một phạm vi nhiệt độ rộng, từ 200 đến 360 K ở áp suất bằng không, để tìm ra nguyên nhân thực sự khiến nước giãn nở khi nguội đi ở quy mô phân tử. Bài viết của ông trên tạp chí Thư đánh giá vật lý nó được gọi là: Tại sao nước nở ra khi nguội đi? Tại sao nước nở ra khi nguội đi?

Ban đầu, tác giả bài báo đặt câu hỏi: điều gì ảnh hưởng đến hệ số giãn nở nhiệt của nước? Matsumoto tin rằng đối với điều này, chỉ cần tìm ra ảnh hưởng của ba yếu tố là đủ: 1) thay đổi độ dài của liên kết hydro giữa các phân tử nước, 2) chỉ số tô pô - số lượng liên kết trên một phân tử nước và 3) độ lệch của góc giữa các liên kết từ giá trị cân bằng (biến dạng góc).

Trước khi nói về kết quả mà nhà vật lý Nhật Bản thu được, chúng tôi sẽ đưa ra những nhận xét và làm rõ quan trọng về ba yếu tố trên. Trước hết, công thức hóa học thông thường của nước H 2 O chỉ tương ứng với trạng thái hơi của nó. Ở thể lỏng, các phân tử nước được kết hợp thành nhóm (H 2 O) thông qua liên kết hydro. x, ở đâu x là số phân tử. Sự kết hợp thuận lợi nhất về mặt năng lượng của năm phân tử nước ( x= 5) với bốn liên kết hydro, trong đó các liên kết hình thành cân bằng, cái gọi là góc tứ diện, bằng 109,47 độ (xem Hình 2).

Sau khi phân tích sự phụ thuộc của độ dài liên kết hydro giữa các phân tử nước vào nhiệt độ, Matsumoto đã đi đến kết luận như mong đợi: sự gia tăng nhiệt độ làm tăng độ giãn tuyến tính của liên kết hydro. Và điều này dẫn đến sự gia tăng thể tích nước, tức là sự giãn nở của nó. Thực tế này mâu thuẫn với kết quả quan sát được, vì vậy ông xem xét thêm ảnh hưởng của yếu tố thứ hai. Làm thế nào để hệ số giãn nở nhiệt phụ thuộc vào chỉ số cấu trúc liên kết?

Mô phỏng trên máy tính cho kết quả như sau. Ở nhiệt độ thấp, khối lượng nước lớn nhất tính theo tỷ lệ phần trăm bị chiếm bởi các cụm nước có 4 liên kết hydro trên mỗi phân tử (chỉ số tô pô là 4). Nhiệt độ tăng làm giảm số lượng liên kết có chỉ số 4, nhưng đồng thời, số lượng cụm có chỉ số 3 và 5 bắt đầu tăng lên. chỉ số 4 thực tế không thay đổi khi nhiệt độ tăng và sự thay đổi tổng khối lượng của các liên kết với chỉ số 3 và 5 ở bất kỳ nhiệt độ nào sẽ bù trừ lẫn nhau. Do đó, sự thay đổi nhiệt độ không làm thay đổi tổng thể tích của nước, điều đó có nghĩa là chỉ số tô pô không có bất kỳ ảnh hưởng nào đến việc nén nước khi nó được làm nóng.

Vẫn còn phải làm sáng tỏ ảnh hưởng của sự biến dạng góc của các liên kết hydro. Và đây là điều thú vị và quan trọng nhất bắt đầu. Như đã đề cập ở trên, các phân tử nước có xu hướng hợp nhất với nhau sao cho góc giữa các liên kết hydro là tứ diện. Tuy nhiên, dao động nhiệt của các phân tử nước và tương tác với các phân tử khác không có trong cụm ngăn cản chúng thực hiện điều này, làm sai lệch góc liên kết hydro so với giá trị cân bằng là 109,47 độ. Để định lượng quá trình biến dạng góc này, Matsumoto và cộng sự, dựa trên công trình trước đây của họ Các khối xây dựng cấu trúc liên kết của mạng lưới liên kết hydro trong nước, xuất bản năm 2007 trên tạp chí Tạp chí Vật lý Hóa học, đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của các vi cấu trúc ba chiều trong nước, giống như các khối đa diện rỗng lồi. Sau đó, trong các ấn phẩm tiếp theo, họ gọi những cấu trúc vi mô như vậy là vitrit(Hình 3). Trong đó, các đỉnh là các phân tử nước, vai trò của các cạnh được thực hiện bởi các liên kết hydro và góc giữa các liên kết hydro là góc giữa các cạnh trong vitrit.

Theo lý thuyết của Matsumoto, có rất nhiều dạng vitrit, giống như các nguyên tố khảm, tạo nên một phần lớn cấu trúc của nước và đồng thời lấp đầy toàn bộ thể tích của nó.

Các phân tử nước có xu hướng tạo ra các góc tứ diện trong vitrit, vì vitrit nên có năng lượng thấp nhất có thể. Tuy nhiên, do các chuyển động nhiệt và tương tác cục bộ với các vitrit khác, một số cấu trúc vi mô không có dạng hình học với các góc tứ diện (hoặc các góc gần với giá trị này). Họ chấp nhận các cấu hình không cân bằng về mặt cấu trúc như vậy (không thuận lợi nhất cho họ từ quan điểm năng lượng), cho phép toàn bộ "gia đình" vitrit nói chung thu được giá trị năng lượng thấp nhất có thể. Những vitrites như vậy, tức là những vitrites, có thể nói là hy sinh bản thân vì "lợi ích năng lượng chung", được gọi là thất vọng. Nếu các vitrit không bị vỡ có thể tích khoang tối đa ở một nhiệt độ nhất định, thì ngược lại, các vitrit bị vỡ có thể tích nhỏ nhất có thể.

Mô phỏng máy tính của Matsumoto cho thấy thể tích trung bình của các khoang vitrite giảm tuyến tính khi nhiệt độ tăng. Đồng thời, các vitrit thất vọng làm giảm đáng kể thể tích của chúng, trong khi thể tích khoang của các vitrit không thất vọng hầu như không thay đổi.

Do đó, việc nén nước với nhiệt độ tăng là do hai hiệu ứng cạnh tranh - sự kéo dài của liên kết hydro, dẫn đến tăng thể tích nước và giảm thể tích các khoang chứa vitrit bị ức chế. Trong phạm vi nhiệt độ từ 0 đến 4°C, hiện tượng cuối cùng, như thể hiện qua tính toán, chiếm ưu thế, cuối cùng dẫn đến sự nén nước được quan sát thấy khi nhiệt độ tăng.

Vẫn còn phải chờ xác nhận thực nghiệm về sự tồn tại của vitrites và hành vi của chúng. Nhưng điều này, than ôi, là một nhiệm vụ rất khó khăn.

Mối quan hệ giữa áp suất, nhiệt độ, thể tích và số mol khí ("khối lượng" của khí). Hằng số khí phổ quát (mol) R. Phương trình Klaiperon-Mendeleev = phương trình trạng thái khí lý tưởng.

Hạn chế về khả năng ứng dụng thực tế: dưới -100°C và trên nhiệt độ phân ly/phân hủy trên 90 thanh sâu hơn 99% Trong phạm vi, độ chính xác của phương trình vượt trội so với các công cụ kỹ thuật hiện đại thông thường. Điều quan trọng là người kỹ sư phải hiểu rằng tất cả các loại khí đều có thể trải qua quá trình phân ly hoặc phân hủy đáng kể khi nhiệt độ tăng lên.

trong SI R \u003d 8,3144 J / (mol * K)- đây là hệ thống đo lường kỹ thuật chính (nhưng không phải là duy nhất) ở Liên bang Nga và hầu hết các nước châu Âu trong GHS R = 8,3144 * 10 7 erg / (mol * K) - đây là hệ thống đo lường khoa học chính (nhưng không phải duy nhất) trên thế giới tôi-khối lượng khí tính bằng (kg) m là khối lượng mol của khí kg/mol (do đó (m/M) là số mol khí) P- áp suất khí tính bằng (Pa) t- nhiệt độ khí tính bằng (°K) V- thể tích khí tính bằng m 3

Hãy giải một số bài toán về thể tích khí và lưu lượng khối lượng với giả định rằng thành phần của khí không thay đổi (khí không phân ly) - điều này đúng với hầu hết các khí ở trên.

Vấn đề này liên quan chủ yếu, nhưng không chỉ, đối với các ứng dụng và thiết bị trong đó thể tích khí được đo trực tiếp.

V 1 và V 2, ở các nhiệt độ lần lượt là T1 và T2để nó đi T1< T2. Sau đó, chúng tôi biết rằng:

Một cách tự nhiên, V 1< V 2

• các chỉ số của đồng hồ đo thể tích khí càng "nặng" thì nhiệt độ càng thấp
• cung cấp khí "ấm" có lãi
• lãi mua xăng "lạnh"

Làm thế nào để đối phó với nó? Ít nhất cần phải bù nhiệt độ đơn giản, tức là thông tin từ một cảm biến nhiệt độ bổ sung phải được đưa vào thiết bị đếm.

Vấn đề này liên quan chủ yếu, nhưng không chỉ, đối với các ứng dụng và thiết bị trong đó vận tốc khí được đo trực tiếp.

Hãy để bộ đếm () tại điểm giao hàng cung cấp chi phí tích lũy khối lượng V 1 và V 2, ở áp suất, tương ứng, P1 và P2để nó đi P1< P2. Sau đó, chúng tôi biết rằng:

Một cách tự nhiên, V 1>V 2 cho những lượng khí bằng nhau ở những điều kiện đã cho. Hãy thử đưa ra một số kết luận thực tế cho trường hợp này:

• các chỉ số của đồng hồ đo thể tích khí càng "nặng" thì áp suất càng cao
• cung cấp khí thấp áp có lãi
• có lãi để mua khí áp suất cao

Làm thế nào để đối phó với nó? Ít nhất cần phải bù áp suất đơn giản, tức là thông tin từ một cảm biến áp suất bổ sung phải được cung cấp cho thiết bị đếm.

Tóm lại, tôi muốn lưu ý rằng, về mặt lý thuyết, mỗi đồng hồ đo khí phải có cả bù nhiệt độ và bù áp suất. Thực tế ....

Khối lượng thay đổi theo nhiệt độ. Trên hình. 49 cho thấy sự phụ thuộc của thể tích phân tử nước và nước đá vào T (Eisenberg và Kozman, 1969). Có thể thấy, khi nhiệt độ tăng, thể tích của cả hai hợp chất thay đổi theo những cách khác nhau. Sự chênh lệch lớn nhất về thể tích được quan sát thấy tại Thể tích xấp xỉ lớn hơn thể tích tại Tại , sự chênh lệch này là

trở nên gần như giống nhau bắt đầu từ nhiệt độ.

Theo chúng tôi, sự giảm thể tích nước trong quá trình tan băng I là do việc kích hoạt các dao động của proton trên các đường liên kết hydro trong quá trình tan chảy dẫn đến sự gia tăng khả năng biến dạng của cả phân tử và toàn bộ hệ thống liên kết hydro.

Cơm. 49 Sự phụ thuộc thể tích mol của nước và nước đá vào và sự phụ thuộc của thể tích chất lỏng vào

Sự khác biệt về sự thay đổi thể tích với T được xác định bởi sự phụ thuộc nhiệt độ của biên độ dao động nguyên tử của các nguyên tử Trong băng I theo tỷ lệ biên độ dao động nguyên tử. Tỷ lệ thể tích trong quá trình nóng chảy có giá trị xấp xỉ như nhau.

Để nghiên cứu sự phụ thuộc nhiệt độ của thành phần “dị thường” của thể tích nước, chúng ta hãy tách riêng phần thể tích nước được xác định bởi độ biến dạng của phân tử khỏi sự phụ thuộc chung của thể tích nước vào nhiệt độ. Để làm điều này, chúng tôi giả sử rằng trong khu vực, nước hoạt động giống như một chất lỏng thông thường với hệ số giãn nở thể tích không đổi

mà chúng tôi ước tính bằng cách ngoại suy giá trị thực nghiệm của a đến vùng có nhiệt độ cao. Ngoài thành phần không đổi a, trong nước còn có một thành phần khác. 50 hiển thị cả hai thành phần a. Có thể thấy, đối với nước, ngoài đặc tính không phụ thuộc vào nhiệt độ của chất lỏng thông thường, còn có một thành phần âm là hệ số giãn nở thể tích. Trong phạm vi nhiệt độ, âm lượng phụ thuộc gần như tuyến tính vào nhiệt độ và có thể được viết là Chúng tôi giả sử rằng sự phụ thuộc này của sự thay đổi âm lượng với nhiệt độ xác định thành phần bình thường

giảm thể tích nước với nhiệt độ giảm đối với mọi nhiệt độ của trạng thái lỏng. Sự khác biệt giữa các giá trị thực nghiệm của thể tích và các giá trị là một thành phần dị thường của sự phụ thuộc nhiệt độ của thể tích phân tử nước; đối với sự phụ thuộc thực nghiệm, giảm khi tăng nhiệt độ, sự đóng góp vào thể tích phân tử, xác định sự phụ thuộc dị thường Đối với hệ số giãn nở thể tích ở mọi nơi đều âm và giảm (về giá trị tuyệt đối) khi nhiệt độ tăng. Như vậy, đường cong thực nghiệm về sự biến đổi thể tích theo nhiệt độ của nước ở thể lỏng có thể được biểu diễn định tính bằng tổng hai thành phần

trong phạm vi nhiệt độ

Cơm. 50 Sự phụ thuộc của hai thành phần hệ số nở thể tích của nước vào nhiệt độ

Khả năng nén đẳng nhiệt và đoạn nhiệt. Khả năng nén đẳng nhiệt của nước ở nhiệt độ lớn gấp 4 lần khả năng nén đẳng nhiệt của nước đá. Sự phụ thuộc của khả năng nén đẳng nhiệt của nước đá và nước vào nhiệt độ được thể hiện trong hình. 51 dựa trên dữ liệu từ Kell (1967). Như có thể thấy, khả năng nén trải qua sự thay đổi tối đa trong phạm vi nhiệt độ được trình bày trong quá trình nóng chảy.