Итак, мы видели, как кинетическая теория устанавливает связь между сокращением при нагревании и остыванием при расслаблении, но было бы чересчур сложно пытаться вывести методами кинетической теории точные соотношения между этими эффектами. Нам пришлось бы для этого выяснить, сколько столкновений происходит ежесекундно и как выглядят молекулярные цепи. И вообще всех трудностей просто не перечислить. Детали механизма столь сложны, что кинетическая теория не в состоянии описать в точности все происходящее. Однако можно вывести некоторые соотношения между этими эф]фектами, практически ничего не зная о внутреннем механизме!
Скрытые в резине механизмы, управляющие этими эффек]тами, очень сложны. Мы опишем их с молекулярной точки зре]ния, хотя главная задача этой главы научиться понимать связь между такими эффектами независимо от молекулярной модели. Тем не менее, именно исходя из молекулярной модели, мы можем показать, что оба эти явления тесно связаны. По]ведение резины можно объяснить так. Представьте себе, что резина, по существу, огромный клубок, состоящий из очень длинных молекул, что-то вроде «молекулярных макарон», но с небольшим дополнительным усложнением: между этими молекулярными цепочками имеются соединительные цепочки. Таким образом, моделью куска резины могут служить слип]шиеся во время варки макароны, образующие огромный ком. Когда мы растягиваем такой клубок, некоторые молекулярные цепи стремятся вытянуться в линию вдоль направления рас]тяжения. В то же время все цепи участвуют в тепловом дви]жении и непрерывно сталкиваются друг с другом. Поэтому такая цепь, когда ее растягивают, не остается в натянутом виде, так как об нее ударяют со всех сторон другие цепи и другие молекулы, и она будет вынуждена запутаться снова. Поэтому истинная причина того, почему резина все время стремится сократиться, заключается в следующем: при растяжении цепи действительно вытягиваются вдоль одной линии, но тепловые движения цепей стремятся запутать их снова и сократить их длину. Поэтому если растянуть цепи и увеличить температуру, то усилится и бомбардировка цепей, что приведет к увеличе]нию натяжения. Этим объясняется способность нагретой ре]зины поднять более тяжелый груз. Если растянутую в течение некоторого времени резину отпустить, то каждая цепь стано]вится мягче, ударяющиеся о расслабленные цепи молекулы теряют энергию, и температура падает.
Таким образом, при нагревании натяжение в резине возра]стет, и это вполне согласуется с тем, что при уменьшении натяжения она остывает.
Рассмотрим еще один пример. Многим, наверное, известно интересное свойство ре]зины если растянуть ее, она нагреется. Если вы зажмете губами резиновую полоску и, потянув рукой, рас]тянете ее, то отчетливо почувствуете, что она нагрелась. Это нагревание обратимо, т. е. если вы, продолжая держать полоску губами, быстро отпустите ее, то возникнет столь же отчетливое ощущение холода. Это означает, что при растяжении резина нагревается, а при ослаблении натяжения она охлаждается. Наш инстинкт может нам подсказать, что нагретая резина тянет лучше: если растяжение нагревает резину, то нагрева]ние заставит ее сжаться. Действительно, если поднести к растягиваемой грузиком резиновой полоске газовую горелку, то мы заметим, что полоска резко сократится (фиг. 44.1).
Приведем пример: согласно кинетической теории, давление газа вызывается молекуляр]ной бомбардировкой, и нам известно, что при нагревании газа бомбардировка усиливается и давление должно повыситься. И наоборот, если внутрь ящика с газом вдвигается поршень, преодолевающий сопротивление бомбардирую]щих его молекул, то энергия этих молекул возрастает, а соответственно повышается и температура. Итак, повышая температуру внут]ри заданного объема, мы увеличиваем давление. Если же мы сжимаем газ, то повышается его температура. Используя кинетическую теорию, можно найти количественные соотношения между этими двумя эффектами, однако каж]дому понятно, что между давлением и темпе]ратурой обязательно должна существовать не]которая связь, не зависящая от деталей столк]новений.
До сих пор мы рассматривали свойства вещества с атомной точки зрения, причем мы пытались, хотя бы в общих чертах, понять, что произойдет, если принять, что вещество состоит из атомов, подчиняющихся тем или иным законам. Однако вещество обладает и такими свойствами, которые можно понять, не изучая подробно его строения. Поисками со]отношений между различными свойствами ве]щества, не углубляясь в изучение внутреннего его строения, занимается термодинамика. Ис]торически термодинамика стала наукой еще до того, как более или менее точно узнали о внутреннем строении вещества.
W 1. Тепловые машины; первый закон
Законы термодинамики | AllPhysics.ru
Комментариев нет:
Отправить комментарий