Električno polje, električna sila (Coulombov zakon)

Električno silo med naelektrenima telesoma je prvi sistematično izmeril Charles Augustine de Coulomb. Shema njegove meritve je prikazana na sliki 11.7. Prva kroglica z nabojem e1 je pritrjena na izolatorju, druga z nabojem e2 pa na koncu vodoravne prečke, ki visi na tenki nitki. električna sila med naelektrenima kroglicama zasuka vodoravno prečko, kar izmerimo s pomočjo zrcala na nitki. Na zrcalce pada svetlobni žarek; odbiti žarek označi na prosojnem zaslonu zasuk nitke. ki je merilo za velikost merjene električne sile. Coulomb je spreminjal naboja e1 in e2 obeh kroglic ter razdaljo r med njima in vsakič izmeril ustrezno električno silo. Ugotovil je tole: če se prvi naboj zmanjša na polovico, se pri enakih pogojih tudi sila zmanjša na polovico. Enako se zgodi, če se drugi naboj zmanjša za polovico. Če pa se oba naboja zmanjšata za polovico, se sila zmanjša 4 - krat.

Torej je električna sila odvisna od produkta obeh nabojev (e1e2). S skrbnimi meritvami je tudi ugotovil, da je električna sila pri danih nabojih obratno sorazmerna s kvadratom njune oddaljenosti. Te ugotovitve so zajete v znanem Coulombovem zakonu: Električna sila med naelektrenima kroglicama je premo sorazmerna s produktom nabojev obeh kroglic in obratno sorazmerna s kvadratom oddaljenosti njunih središč:

Električna sila ima smer veznice med središčema naelektrenih teles; deluje hkrati na obe telesi (slika 11.8). S kakršno silo prvo telo odbija ali privlačuje drugo telo, s tolikšno silo tudi drugo telo deluje na prvega. 

Merska enota naboja 1 C (coulomb, izg. kulon) je definirana s pomočjo enote električnega toka - ampera: 1 C = 1As. Po Coulombovem zakonu pa z merjenjem električne sile ugotovimo, da je 1 C naboj, ki odbija enak naboj z oddaljenosti 1 m s silo 9,0 * 10^9 N. To je zelo velik naboj, zato večinoma uporabljamo manjši enoti mC ter μC. Z drgnjenjem se telesa naelektrijo z naboji od nekaj nC do 1μC.  Z izbiro merske enote naboja je določena tudi sorazmernostna konstanta v enačbi Coulombovega  zakona. Dobimo:

To konstanto običajno napišemo v obliki:

pri čemer se nova konstanta "epsilon nič" imenuje influenčna konstanta. Velja:

S pomočjo nove konstante dobi enačba Coulombovega zakona obliko:

Recimo. da na izbrani naboj e deluje več drugih nabojev. S kolikšno rezultanto F delujejo na izbrani naboj e vsi drugi naboji? Najprej določimo velikost in smer posameznih sil F1, F2, F3.... s katerimi posamezni naboji e1, e2, e3, delujejo na izbrani naboje, uporabljajoč Coulombov zakon. Nato te sile vektorsko seštejemo v rezultanto: F= F1+F2+F3+...

 Dva rešena primera:

 Naloge z rešitvami:

Električno polje, električni naboj

Da bomo bolje razumeli, kako se snov naelektri in kaj se pri tem v njej dogaja, si na kratko oglejmo notranjo zgradbo atomov.

Atomi so zgrajeni iz negativnih elektronov in pozitivnih atomskih jeder. Zunanje območje napolnjujejo električno negativni osnovni delci - elektroni, od katerih ima vsak enako velik negativni naboj -e0 , ki se imenuje negativni osnovni naboj. Kolikšen negativni naboj vsebujejo elektroni v elektronski ovojnici, tolik je pozitivni naboj atomskega jedra. Ali drugače povedano: koliko je elektronov, toliko je tudi protonov. zato je atom navzven električno nevtralen.

Atomi različnih kemičnih elementov se razlikujejo po številu elektronov. Vrstno število  Z jim določa število elektronov, ki je enako številu protonov. Torej atom vsebuje Z elektronov s skupnim nabojem -Ze0.

Proton je osnovni delec z nabojem +e0. Atomsko jedro elementa z vrstnim številom Z ima pozitivni naboj +Ze0.

Električno nevtralni atom vsebuje enako število protonov in elektronov. Če pa en atom izgubi elektron, se naelektri pozitivno, če ga pa dobi, pa se naelektri negativno. Pravimo, da se atom ionizira.

Naelektritev:

Ob dotiku snovi se  nekaj elektronov s stične ploskve dotikajočih se snovi preseli na tisto stran, kjer so močneje vezani.

Fazne spremembe: vrenje in kondenzacija

Poizkus:
Lonec z 1 kg vode s T=10 °C grejemo, enakomerno mešamo in v enakomernih časovnih intervalih merimo temperaturo. Med dovajanjem toplote temperatura enakomerno narašča, pri 100 °C pa se ustavi (slika 7.16).

Opazimo pa, da voda začne vreti. Dokler imamo zmes vrele vode in pare, je temperatura stalna, saj se dovedena toplota porablja za izparevanje vode. Šele ko vsa voda izpari, temperatura spet narašča (nad 100 °C). Da izparimo 1 kg vode, potrebujemo 630 Wh toplote. Tej toploti pravimo specifična izparilna toplota qi.

Pri temperaturi 100 °C imamo le vodo, nad 100 °C pa le paro. Voda in para se lahko skupaj pojavita le pri 100 °C, to velja za običajen zračni tlak 1 bar. temperatura. pri kateri sta kapljevinsko in plinsko stanje v ravnovesju, da lahko obstajata drugo ob drugem. se imenuje vrelišče Tv. 
Kapljevina s temperaturo vrelišča se imenuje vrela kapljevina, pri vodi je to 100 °C. Če vreli vodi dovajamo toploto, ta izpareva in se spreminja v paro. Čim več toplote dovedemo, več vode izpari. Dokler je še kaj vode, se temperatura kljub dovajanju toplote ne dvigne nad 100 °C.

Para s kondenzacijo oddaja kondenzacijsko toploto. Ta je enako velika kot izparilna toplota. Kolikor toplote je potrebno, da kapljevina izpari, toliko se je sprosti pri obratni spremembi, ko se para pri enaki temperaturi kondenzira. Če želimo 1 kg  pare s temperaturo 100 °C (pri tlaku 1 bar) kondenzirati, ji moramo odvzeti qi = 630 Wh toplote. Kondenzacijska toplota je enaka izparilni. Para s temperaturo vrelišča se imenuje nasičena para. Pri tlaku 1 bar ima nasičena para temperaturo 100 °C. Nasičena para oddaja toploto s tem. da se kondenzira = spremeni v kapljevino.


Vrenje se razlikuje od hlapenja predvsem v tem, da je bolj burno, da poteka po vsej notranjosti kapljevine (hlapenje pa le s površja proste gladine), vendar je možno le pri temperaturi vrelišča (hlapenje pa pri vseh temperaturah).

Mehurčki pare nastanejo najprej na stenah in na dnu posode ter ob raznih tujih delcih (npr. prah) ki so v kapljevini. Para vstopa v mehurček podobno kot izhlapeva s površja gladine (slika 7.17). Tlak pare v mehurčku je približno enak nasičenemu parnemu tlaku pri temperaturi kapljevine. ker je prostornina pare veliko večja od prostornine kapljevine, ki se je spremenila v paro, parni mehurček ob nastanku razrine obdajajočo ga kapljevino. Temu nasprotuje zračni tlak, ki pritiska na gladino kapljevine. Mehurček zato nastane le, če je tlak pare v mehurčku pn večji od zunanjega zračnega tlaka p (slika 7.18). Vrenje se torej prične, ko je kapljevina dovolj segreta, da nasičeni parni tlak preseže zračni tlak, ki pritiska na kapljevino. Kot vrelišče je definirana temperatura, pri kateri je nasičeni parni tlak enak zunanjemu zračnemu tlaku. Če zunanji zračni tlak povečamo, se mora povečati tudi nasičeni parni tlak kapljevine, da bo kapljevina vrela, to je, vrelišče se mora povišati.

Krivuljo na sliki 7.19, ki prikazuje odvisnost nasičenega parnega tlaka kapljevine od temperature, lahko torej interpretiramo tudi kot krivuljo odvisnosti vrelišča Tv od zunanjega tlaka p, ki pritiska na gladino vode.

Vrelišče kapljevine narašča, če se zunanji zračni tlak povečuje, in se znižuje, če tlak pada. Da vrelišče kapljevine v večanjem tlaka nad kapljevino narašča je logično. Z vrenjem se namreč prostornina povečuje, to pa zunanji tlak ovira. Povečan tlak torej ovira prehajanje kapljevine v plinasto stanje, zato se mora ta bolj segreti, da je prehod kljub povečanju tlaka možen.

Ker se prostornina z vrenjem močno poveča (1 liter vode bi se pri stalnem tlaku 1 bar moral z vrenjem raztegniti kar 1600-krat), je tudi vrelišče močno odvisno od tlaka (če bi se prostornina snovi ob vrenju ne spremenila, vrelišče ne bi bilo odvisno od tlaka).

Kako se vrelišče vode spreminja s tlakom?

Vodo v odprtem loncu segrejemo do vrelišča 100 °C (pri zunanjem tlaku 1 bar), da začne vreti. Nastajajoča paro skoraj povsem izrine zrak iz posode (v takšnem ozračju torej človek nebi mogel dihati). Posodo nepropustno zapremo s pokrovom, ki ima varnostno zaklopko (ekonom lonec, slika 7.20). Utež na preški zaklopke premikamo in s tem spreminjamo tlak, pri katerem se zaklopka odpre. utež nor. nastavimo tako, da se zaklopka  odpre pri tlaku 2 bara.

Vodo še naprej segrevamo. Temperatura vode narašča nad 100 °C, čeprav vsa voda ni izparela. Izpari toliko vode, kolikor je potrebno, da se tlak pare izenači s nasičenim parnim tlakom pri povišani temperaturi. Opazimo, da se temperatura vode v loncu med segrevanjem povišuje do 120 °C, če je tlak nad gladino vode 2 bara. Podobno ugotovimo, da se vrelišče vode dvigne na 180 °C, če se tlak nad vodo poveča na 10 barov.

Prav tako lahko naredimo podoben poizkus v obratni smeri, če s črpalko črpamo zrak iz posode in s tem manjšamo tlak. Temperatura vrelišča pri tem pade pod 100 °C.

Fazne spremembe: vlažnost

Zaradi hlapenja vode iz površja morja , oceanov, jezer... je v ozračju vedno nekaj vlage - vodne pare. Množina vlage v zraku je absolutna vlažnost zraka, izrazimo jo ali z gostoto vodne pare v zraku (maso vodne pare v 1 kub. metru zraka), ali z delnim tlakom vodne pare v zraku. Ti količini sta medsebojno povezani s plinsko enačbo. Če predpostavimo, da se voda obnaša kot idealni plin, velja:

Absolutno vlažnost zraka lahko določimo tako, da s pomočjo higroskopične snovi stehtamo maso vode v dani prostornini zraka.Dokler je delni tlak vodne pare manjši od nasičenega tlaka pri dani temperaturi, je zrak nenasičen z vlago. Ko pa se delni tlak vodne pare izenači z nasičenim tlakom (slika 7.15), se zrak nasiti z vlago in izhlapevanje se ustavi. Tedaj pravimo, da je zrak nasičeno vlažen. V primeru pv > pn  pa je zrak prenasičen, presežna vlaga se kondenzira v obliki vodnih kapljic.

Stopnjo vlažnosti izrazimo s kvocientom delnega in nasičenega parnega tlaka vlage v zraku, ta kvocient se imenuje  relativna vlažnost:

Relativno vlažnost običajno izražamo v odstotkih:

V deževnem ali meglenem vremenu je zrak nasičeno vlažen, relativna vlažnost je blizu 100%. Nenasičeno vlažen topel zrak se lahko prenasiti z vlago, če se njegova temperatura nenadoma zniža (npr. ob dviganju zraka, ki se giblje po pobočju gore navzgor). Delni tlak vodne pare v zraku  je namreč lahko večji od nasičenega parnega tlaka pri znižani temperaturi. Tedaj nastanejo padavine. Tej temperaturi pa pravimo rosišče.

Fazne spremembe: hlapenje

Hlapenje je intenzivno (kapljevina hitro izhlapeva), če ima prosta gladina hlapeče kapljevine veliko površino, če je zrak nad kapljevino suh in posebej, če je visoka temperatura. V kaplevini so molekule zlo zgoščene in povezane z medmolekularnimi silami. Se termično gibajo in zadevajo druga ob drugo. Kinetična energija posameznih molekul se stalno spreminja, če pa preseže prag pa določena molekula preide v plinsko stanje - izhlapi. višja je temperatura, večje je hlapenje.

Če je kapljevina neprodušno zaprta v posodi, se tlak veča in je ob izhlapevanju vse več molekul v plinastem stanju, zato začnejo spet nazaj prehajati v kapljevinsko stanje. prej ali slej se doseže stacionarno stanje, ko je izhlapevanje enako hitro kot kondenzacija, in relativno gledano se izhlapevanje ustavi. Če pa je prostor nad gladino odprt se delni tlak ne veča in lahko izhlapevanje poteka neomejeno. Delni tlak kapljevinske pare v zraku nad kaplevino, pri katerem se hlapenje ustavi, se imenuje nasičeni parni tlak kapljevine pn. Ta je tem večji, čim višja je temperatura kapljevine.

Na sliki 7.13 je skicirana odvisnost nasičenega parnega tlaka vode od temperature. Pri temperaturi 10 °C je tlak zelo majhen, z višanjem T do 100 °C pa doseže 1 bar. Kapljevine, ki imajo pri sobnih temperaturah velik nasičeni parni tlak, so zelo hlapljive, npr. alkohol in eter. Malo hlapljive kapljevine pa imajo zelo nizek nasičeni parni tlak. Povprečna kinetična energija molekul, ki ostajajo v kapljevinskem stanju, se zaradi izhlapevanja zmanjšuje, kar pomeni, da se kapljevina hladi.

Fazne spremembe: uvod

Faza snovi pomeni agregatno stanje snovi. Tako govorimo o trdnem, kapljevinskem in plinskem stanju snovi. Snov se ob sprejemanju toplote segreva, ob oddajanju pa ohlaja. pri tem se spremeni termično gibanje molekul in zato tudi povezave med molekulami, kar se odraža kot viskoznost, gostota, najbolj opazno pa  različno agregatno stanje. Sile med molekulami se najbolj spremenijo, ko se spremeni agregatno stanje snovi, t.j. fazna sprememba snovi, npr. se led stali, voda zavre, para utekočini... S taljenjem ali vrenjem se notranja energija snovi poveča, saj snov prehaja v bolj neurejeno stanje.. Obratno velja, ko snov prehaja v bolj urejeno stanje, npr. ko se plin utekočini ali kapljevina zamrzne. Pri tem se notranja energija snovi zmanjša in snov odda toploto. Toplota, ki jo snov ob fazni spremembi sprejme ali odda, se imenuje latentna toplota.