Экспериментальные газовые законы. Абсолютный нуль температур. Шкала Кельвина. Абсолютная температура.

Для описания состояния газа достаточно задать три макроскопическиз параметра – объём, давление и температуру. Для экспериментального исследования свойств газа удобно зафиксировать значение одного из параметров.

Термодинамические процессы, происходящие в газе с постоянным количеством вещества (n=const) при фиксированном значении одного из макропараметров (P, V, T) называются изопроцессами.

Изотермический процесс (T=const).

Объём V данного количества газа n при постоянной температуре Т обратно пропорционален его давлению Р (закон Бойля-Мариотта).

Для n=const и Т= const

Изобарный процесс (P=const).

Объём V данного количества газа n при постоянном давлении Р линейно зависит от температуры t (закон Гей-Люссака).

Для n=const и Р= const

V=V₀(1+a_v(t-t₀)), где V – объём, занимаемый газом при температуре t⁰C, V₀ – объём газа при t₀=0⁰C, a_v - температурный коэффициент объёмного расширения.

Изохорный процесс (V=const).

Давление Р данного количества газа n при постоянном объёме V линейно зависит от его температуры t (закон Шарля).

Для n=const и V= const

P=P₀(1+a_P(t-t₀)), где P –давление газа при температуре t⁰C, P₀ –давление газа при t₀=0⁰C, a_P - температурный коэффициент давления.

 

Все изобары и изохоры пересекаются в одной точке, соответствующей температуре -273⁰C. Эту точку приняли за начало отсчёта новой температурной шкалы и назвали абсолютным нулём температуры. Абсолютный нуль – такая температура, при которой полностью отсутствует тепловое движение молекул.

Масштаб новой шкалы выбирается таким же, как и в шкале Цельсия, т.е. градус Цельсия равен единице измерения температуры по новой шкале - Кельвину. Новая температурная шкала называется шкалой Кельвина или абсолютной термодинамической шкалой.

Нулю градусов Цельсия соответствует Т=273 К. Чтобы перевести температуру из градусов Цельсия в Кельвины, надо воспользоваться формулой

Т= t+273

Используя шкалу Кельвина, законы для изобарного и изохорного процессов можно сформулировать следующим образом.

Изобарный процесс.

Если давление Р данного количества газа n не меняется, то отношение его объёма V к температуре Т постоянно:

Изохорный процесс.

Если объём V данного количества газа n не меняется, то отношение его давления Р к температуре Т постоянно:

БИЛЕТ 30

Электрический ток в жидкости. Законы электролиза. Техническое применение электролиза.

При растворении в воде солей, оснований и кислот, вследствие большой диэлектрической проницаемости воды, кулоновские силы ослабевают и молекулы этих веществ распадаются на ионы.

Распад молекул растворяемого вещества на ионы под действием молекул растворителя называется электролитической диссоциацией.

Наряду с диссоциацией идёт обратный процесс – рекомбинация, т.е. восстановление молекул.

Например: CuSO₄ÛCu⁺⁺+SO₄^--

При отсутствии внешнего электрического поля ионы и нейтральные молекулы находятся в тепловом хаотическом движении. Если в раствор поместить два электрода, подсоединённые к двум различным полюсам источника тока, то на тепловое движение ионов накладывается упорядоченное движение ионов под действием электрического поля. Положительные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательные (анионы) – к аноду. По раствору начинает протекать электрический ток.

Растворы и расплавы солей, кислот и оснований, которые проводят электрический ток, называются электролитами. Характер проводимости электролитов – ионный.

Электролиты обладают сопротивлением. Для них выполняются законы Ома и Джоуля-Ленца.

При прохождении электрического тока через электролит на электродах выделяются составные части электролита. Это явление называется электролизом. Например: CuSO₄ÛCu⁺⁺+SO₄^--

Cu⁺⁺ + 2 е Þ Cu – отложение меди на катоде

SO₄^-- - 2 е Þ SO₄ - реакция на аноде.

Если анод выполнен из меди, то группа SO₄ вступает в реакцию с медью анода

SO₄ + Cu Þ CuSO₄

Молекула CuSO₄ выходит в раствор. Происходит растворение анода и отложение меди на катоде.

Зависимость между количеством выделившегося вещества и количеством прошедшего электричества установил Фарадей.

Первый закон Фарадея.

Масса вещества m, выделившегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит.

m=Kq=KI Dt

где I – сила тока, Dt – время протекания тока через раствор, K электрохимический эквивалент вещества, который численно равен массе вещества, выделившегося на электроде при прохождении заряда в 1 Кл.

Второй закон Фарадея.

Электрохимический эквивалент пропорционален химическому эквиваленту данного вещества.

где M – молярная масса вещества, Z – валентность, С=1/F – коэффициент пропорциональности.

F=96500 Кл/моль – постоянная Фарадея, численно равная заряду, который должен пройти через электролит, чтобы на электроде выделился один моль одновалентного вещества.

Объединённый закон Фарадея

Применение электролиза:

- в электрометаллургии для получения чистых щелочных и щелочноземельных металлов;

- для очистки металлов от примесей;

- в гальваностегии для покрытия металлов защитным слоем (никелирование, хромирование);

- в гальванопластике для изготовления рельефных металлических копий предметов.

БИЛЕТ 31

Проводники, диэлектрики и полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод, его свойства и применение.

Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Электропроводность проводника обусловлена наличием свободных зарядов, поэтому уд. сопротивление проводника r~10^-8-10^-6 Ом м. В диэлектриках свободных зарядов нет. Уд. сопротивление диэлектриков r~10⁸-10¹⁰ Ом м. В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки. Уд. сопротивление полупроводников r~10^-6-10⁸ Ом м.

В отличие от металлов уд. сопротивление полупроводников: 1) уменьшается с ростом температуры; 2) значительно уменьшается при освещении; 3) даже ничтожное количество примеси оказывает сильное влияние на сопротивление.

К полупроводникам относятся кремний, германий, бор, мышьяк, фосфор и т.д.

При низкой температуре в чистых полупроводниках свободных зарядов нет, поэтому сопротивление велико. При повышении температуры ковалентные связи разрушаются, появляются свободные электроны и дырки, которые в отсутствии электрического поля движутся хаотически. Во внешнем электрическом поле электроны перемещаются против поля, а дырки – по полю. Характер проводимости чистого полупроводника – электронно-дырочный, а проводимость чистого полупроводника называется собственной.

Собственная проводимость сильно зависит от температуры, так как с увеличением температуры растёт количество свободных электронов и дырок.

Внедрение в кристалл полупроводника примеси называется легированием.

Проводимость, обусловленная внесением в кристаллическую решётку примеси, называется примесной.

Если в кристалл четырёхвалентного кремния ввести атом пятивалентного мышьяка, то пятый электрон мышьяка оказывается связанным слабо с ядром мышьяка. Достаточно сообщить ему очень малую энергию, чтобы электрон стал свободным. Дырка при этом не образуется. При наличии электрического поля ток будет обусловлен перемещением электронов.

Проводимость, обусловленная перемещением электронов, называется электронной.

Примеси, вызывающие появление электронов проводимости, называются донорными.

Полупроводники с донорной примесью называются полупроводниками n-типа.

Если в кристалл четырёхвалентного кремния ввести атом трёхвалентного галия, то одна из ковалентных связей окажется недостроенной и в этом месте образуется дырка. Свободный электрон при этом не появляется. При наличии электрического поля ток будет обусловлен перемещением дырок.

Проводимость, обусловленная перемещением дырок, называется дырочной.

Примеси, вызывающие появление дырок, называются акцепторными.

Полупроводники с акцепторной примесью называются полупроводниками р-типа.

Р-n переход.

Если привести в соприкосновение полупроводник n-типа и р-типа, то в зоне контакта образуется тонкий слой, который называется р-n переходом.

В результате диффузии электроны из n-области устремляются в р-область, оставляя в приграничной зоне нескомпенсированный положительный заряд. В р-области электроны рекомбинируют с дырками, и возникает нескомпенсированнй отрицательный заряд.

Дырки из р-области также диффундируют в n-область, оставляя нескомпенсированный отрицательный заряд. В n-области дырки рекомбинируют с электронами, и возникает нескомпенсированный положительный заряд.

В зоне контакта возникает двойной электрический слой, поле которого направлено от n к р-области и препятствует дальнейшей диффузии электронов в р-область, а дырок в n-область. Сопротивление этого слоя велико, так как здесь нет свободных носителей.

Сопротивление р-n перехода зависит от направления внешнего поля. Это свойство используется в приборе, который называется диод.

Если направление внешнего поля противоположно направлению внутреннего, то сопротивление диода мало и ток через диод проходит. Диод включен в прямом направлении.

Если направление внешнего поля совпадает с направлением внутреннего, то сопротивление диода велико и ток практически не проходит. Диод включен в обратном направлении.