Термодинамика Земли, Марса и Венеры
С момента рождения Вселенной (13 млрд. лет назад) Солнечная система, представлявшая собой вначале вращающееся газопылевое облако, постепенно остывала. Происходила агломерация включающих ее частиц. Образование на Земле океанов связано с понижением температуры на ее поверхности до 100оС. Возраст древнейших осадочных пород на Земле 3,9±0,33 млрд. лет. Изотопный анализ показал, что среднегодовая температура поверхности Земли изменялась согласно данным приведенным в таблице.
Таблица Изменение среднегодовой температуры на Земле
| Млрд. лет назад | Сейчас | 0.23 | 1,8 | 3,9 | 4,35 | |
| t oC | 14,8 |
Рис. Изменение среднегодовой температуры на Земле
На фоне глобального спада температуры имеют место пульсации с периодом порядка 100 тысяч лет. Известно, что глубоких оледенений, когда ледник доходил до экватора, за последние 700 тысяч лет было 7 (см. рисунок, где приведено колебание среднегодовой температуры за последние 900 тысяч лет). Последний раз ледник растаял в Европе примерно 10 тысяч лет назад.
Если предполагать, что вода на поверхности Марса появилась примерно в то же время, что и на Земле, а сейчас среднегодовая температура поверхности Марса – 50оС, то на Марсе эволюция жизни могла остановиться на уровне фотосинтезирующих растений. К этому времени океаны на Марсе промерзли до дна. Общий запас воды на Марсе таков, что вся его поверхность могла бы быть покрыта 4 млрд. лет назад слоем воды толщиной примерно 1 км. Запаса углекислого газа в атмосфере Марса было бы столько, что ее давление у поверхности могло бы составить 5 – 10 атмосфер. При таком давлении вода кипит при 150о – 180оС.
Релаксационные переходы
Релаксационные переходы связаны с размораживанием
подвижности отдельных участков цепи молекул. Характерным примером релаксационного перехода является переход из жидкого состояния в твердое (стеклование). В полимерах этот переход связанный с размораживанием подвижности отдельных сегментов полимерной цепи. (Ударостойкие полимеры - поликарбонат).
Критический переход - переход газ-жидкость, происходящий без изменения степени порядка молекул вещества. Изменение состояния вещества связано с о степенью подвижности молекул и изменением среднего расстояния между ними.
Фазовый переход первого рода (переход жидкость - твердое тело) связан с изменением степени упорядоченности атомов или молекул в веществе (переход ближний порядок - дальний порядок).
Фазовый переход второго рода (переход пьезоэлектрик - непьезоэлектрик, переход ферромагнетик - парамагнетик) связан с изменением степени симметрии расположения атомов или молекул в кристалле.
Жидкие кристаллы характеризуются текучестью с упорядоченностью расположения молекул в веществе.
Термотропные жидкие кристаллы характеризуются температурными фазовыми переходами жидкость - жидкий кристалл, жидкий кристалл -твердое тело, т.е. существуют в интервале температур.
1.Нематические жидкие кристаллы,
2. Смектические жидкие кристаллы,
3. Холестерические жидкие кристаллы.
Лиотропные жидкие кристаллы характеризуются концентрационными переходами, т.е обладают текучестью и упорядоченностью расположения молекул в определенном интервале концентраций соединения в растворе. (Получение сверхпрочных материалов).
Контрольные вопросы
1. В чем отличие термодинамического и статистического методов?
2. Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.
3. Какие типы фазовых переходов Вы знаете?
4. Назовите типы жидких кристаллов и дайте им характеристику.
Литература
1. И.В.Савельев Курс общей физики т.1,гл.10-79,12-104,13,14,15,
Наука,М., 1977г.
2. Б.М.Яворский, А.А.Пинский Основы физики т.1,гл.27,28,36,Наука, М., 1974г.
3. Дж.Орир Физика т.1,гл.13,14, Мир,М., 1981г.
Лекция 13. Зонная теория твердых тел. Металлы, диэлектрики, полупроводники
Модельные представления очень часто используются в физике и технике, так как с их помощью становится прозрачной суть явления. Такими удачными моделями для газов является модель идеального газа, где пренебрегают взаимодействием молекула для твердого тела - зонная модель. Для жидкостей, к сожалению, до сих пор не получено простой модели. Поэтому теории жидкостей пока нет. Есть лишь отдельные подходы к ней - наилучшей среди них является модель сплошной среды, где ничего не осталось от молекулярного движения. Модель идеального газа оказалась очень информативной и отражала реальную ситуацию для разреженных газов при высоких температурах. Рассмотрим зонную модель.
Электронная структура кристаллов
Энергия электрона в атоме квантуется, т.е. принимает ряд
численных значений Еn=2h2n/mxо2 , где n=1,2,3,.....- главное квантовое число, m- масса электрона, h- постоянная Планка, хо - ширина потенциальной ямы, равная размерам атома. При объединении N атомов в кристалл каждый энергетический уровень расщепляется на N подуровней, которые составляют энергетические зоны. В каждой зоне, таким образом, N подуровней, на каждом из которых могут находиться согласно принципу Паули по два электрона. Следовательно, всего в одной зоне можно разместить 2N электронов. Возьмем в качестве примера литий. У лития 3 электрона. Следовательно, в единице объема кристалла мы будем иметь 3N электронов. 2N электронов полностью заполнят первую зону. Еще N электронов заполнят половину зоны. Следовательно, верхняя зона окажется незаполненной. Тепловой энергии электронов Етепл=3kT/2 оказывается достаточно для перехода электронов в свободную часть зоны. Поэтому литий является металлом, так как имеет свободные электроны в зоне проводимости.
Углерод имеет четное число электронов. При объединении N атомов в конденсированное состояние общее число электронов полностью заполняет некоторое число зон (для углерода, скажем 6). Следующая энергетическая зона окажется свободной. Однако, расстояния между зонами таковы, что тепловой энергии недостаточно для перехода электрона из заполненной (валентной) зоны в свободную (зону
проводимости) (DЕ >кТ). Такие вещества оказываются диэлектриками.
Зона проводимости
Зона проводимости DЕ Запрещенная зона
Заполненная зона Валентная зона
Зонная модель металлов Зонная модель диэлектриков
и полупроводников
В случае собственных полупроводников ширина запрещенной зоны невелика. Существует конечная вероятность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Число электронов в зоне проводимости у полупроводников меньше, чем у металлов, но их достаточно для проводимости материала и создания электрического тока в электрическом поле.
Таким образом, мы видим, что наличие в природе металлов и полупроводников есть макроскопическое проявление квантовых свойств.
Явление сверхпроводимости. Явление высокотемпературной сверхпроводимости.
Контрольные вопросы
1.Назовите физические модели для газов и твердых тел и
опишите их.
2. Нарисуйте зонные модели для металлов и диэлектриков и
объясните их.
3. Чем объясняется проводимость полупроводников?
4. Сколько энергетических уровней в одной зоне и сколько можно в ней разместить электронов?
Литература
1. И.В.Савельев Курс общей физики т.3,гл.7,8, Наука,М., 1979г.
2. Б.М.Яворский, А.А.Пинский Основы физики т.2,гл.76,77.
Наука,М., 1974г.
2. Дж.Орир Физика т.2, гл.28, Мир,М., 1981г.