Внутренняя энергия - твердое тело
Cтраница 2
В области нормальных и высоких температур принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы хорошо оправдывается. Теоретическое вычисление внутренней энергии твердых тел весьма усложняется тем, что при нагревании происходит расширение тела, центры колебаний атомов раздвигаются и в связи с этим, во-первых, возрастает молекулярно-потенциальная энергия тела ( она возрастает в некоторой неизвестной нам зависимости от удельного объема) и, во-вторых, изменяется ( убывает) квазиупругая сила колебаний. [16]
Однако с понижением температуры внутренняя энергия твердого тела стремится к нулю быстрее, чем по линейному закону. Этот факт объясняется дискретным квантовым характером энергетического спектра твердых тел. [17]
Частицы, не удаляясь друг от друга, перегруппировываются, тгртгчеет шшгостысгменяется-существовавший - - порядок &-располож-а - нии частиц. Деформация, вызванная этим процессом, не сопровождается изменением внутренней энергии твердого тела, - после снятия напряжения она не исчезает и деформированное тело остается без изменения. Такая деформация называется пластической. Деформация обычных твердых тел ( кристаллических, аморфных), состоящих из изотропных, шарообразных частиц ( молекул, атомов), складывается или только из упругой деформации, или из упругой и пластической. [18]
Частицы, не удаляясь друг от друга, перегруппировываются, причем полностью меняется существовавший порядок в расположении частиц. Деформация, вызванная этим процессом, не сопровождается изменением внутренней энергии твердого тела, - после снятия напряжения она не исчезает и деформированное тело остается без изменения. Такая деформация называется пластической. Деформация обычных твердых тел ( кристаллических, аморфных), состоящих из изотропных, шарообразных частиц ( молекул, атомов), складывается или только из упругой деформации, или из упругой и пластической. [19]
 |
Иямомснис плотности различных модификаций SiO. при нагреве, охлаждении и в процессах превращения по данным.| Зависимость атомных тенлоемкостей при постоянном объеме от температуры. [20] |
Каждое твердое тело - металл, неметалл, кристалл и даже аморфное тело - может рассматриваться как более или менее регулярная трехмерная решетка, образованная атомами. Каждый атом удерживается в своем положении упругими силами, которые являются функциями его положения и зависят от характеристик окружающих его атомов. Наиболее существенный вклад во внутреннюю энергию твердого тела вносится энергией тепловых колебаний атомов в решетке. Эти колебания являются трехмерными и могут быть разложены на три независимых колебания вдоль трех осей координат. [21]
Каждая частица ( атом или ион), из которых построена пространственная решетка кристаллического твердого тела, совершает колебания около положения равновесия. Энергия этих колебаний и представляет собою внутреннюю энергию твердого тела. Таким образом, тепловое движение частиц в твердом теле отличается по своему характеру от теплового движения частиц в газах и жидкостях. В газах отдельные молекулы свободно летают, испытывая друг с другом лишь упругие столкновения; этим объясняется сравнительно большая скорость диффузии газов. В жидкостях молекулы непрерывно сталкиваются при своем беспорядочном движении с соседними молекулами. Они толкутся около одного места и, как было указано в § 78, лишь постепенно перемещаются. Диффузия в жидкостях существует, хотя и происходит медленнее, чем в газах. В кристаллической решетке твердого тела каждая частица ( атом или ион) имеет определенное положение равновесия, около которого она совершает колебания. Кроме того, в твердом теле частицы, вообще говоря, могут переходить с места на место; однако эти переходы достаточно редки. Диффузия в твердых телах происходит чрезвычайно медленно. Требуются весьма тонкие наблюдения, чтобы заметить некоторое проникновение двух соприкасающихся металлов друг в друга, причем такое проникновение может быть обнаружено лишь после длительного соприкосновения тел. [22]
При низких температурах правила Дюлонга - Пти и Неймана - Коппа совершенно не оправдываются. При понижении температуры теплоемкость убывает и при температуре, близкой к абсолютному нулю, становится исчезающе малой. Это означает, что при низких температурах уже больше не существует пропорциональности между внутренней энергией твердого тела и абсолютной температурой. Следовательно, в области низких температур неверен принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы или же происходит изменение ( уменьшение) числа степеней свободы. Обе эти возможности приводят к одному и тому же результату - к необходимости коренного пересмотра классической статистической механики. Этот пересмотр применительно к проблеме твердого тела был произведен в 1907 г. Эйнштейном на основе развитой Планком теории квантов и позже многими авторами. Наибольшего успеха в отношении согласия теории с опытом достиг Дебай, установивший, в частности, что при крайне низких температурах внутренняя энергия твердого тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. [23]
Хотя силового взаимодействия между частицами нет, их движение скоррелировано, и наглядная классическая газовая картина неверна; переход к квазичастицам тоже не исправляет положения дел - квазичастиц слишком много, и движение отдельной квазичастицы зависит от движения всех остальных. Мы убедимся, что подобная ситуация характерна, по существу, для всех макроскопических систем: всегда есть температурная область, в которой внутреннюю энергию твердого тела нельзя представить как сумму энергий частиц или квазичастиц, движение которых не скоррелировано. [24]
Частицы твердого тела, связанные друг с другом силами взаимодействия, зависящими от межатомных расстояний, могут совершать только колебания около некоторого равновесного положения в узлах кристаллической решетки. Энергия этих колебаний и представляет собой внутреннюю энергию твердого тела, которая определяет его температуру. [25]
При низких температурах правила Дюлонга - Пти и Неймана - Коппа совершенно не оправдываются. При понижении температуры теплоемкость убывает и при температуре, близкой к абсолютному нулю, становится исчезающе малой. Это означает, что при низких температурах уже больше не существует пропорциональности между внутренней энергией твердого тела и абсолютной температурой. Следовательно, в области низких температур неверен принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы или же происходит изменение ( уменьшение) числа степеней свободы. Обе эти возможности приводят к одному и тому же результату - к необходимости коренного пересмотра классической статистической механики. Этот пересмотр применительно к проблеме твердого тела был произведен в 1907 г. Эйнштейном на основе развитой Планком теории квантов и позже многими авторами. Наибольшего успеха в отношении согласия теории с опытом достиг Дебай, установивший, в частности, что при крайне низких температурах внутренняя энергия твердого тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. [26]
Страницы: 1 2