Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 39

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 39)

Переход вещества из одной фазы в другую — фазовый переход -- всегда связан с качественными изменениями свойств вещества. Примером фазового пе. рсхода могут служить изменения агрегат- 1 л з н а П) Ренльпыг гоп,, мп них~и ~ ~норси с шзз ного состояния вещества или переходы, связанные с изменениями в составе, строе. пни и свойствах вещества (например, переход кристаллического вещества из одной модификации в другую). Различают фазовые переходы двух родов. Фазовый перед ! рода (например, плавление, кристаллизация и т. д.) сопровождается поглощением или выделением теплоты, называемой теплотой фазового перехода. Фазовые переходы 1 рода характеризуются постоянством температуры, изменениями энтропии и объема.

Объяснение этому можно дать следующим образом. Например, при плавлении телу нужно сообщить некоторое количество теплоты, чтобы вызвать разрушение кристаллической решетки. Подводимзя при плавлении теплота идет не на нагрев тела, а на разрыв межатомных связей, поэтому плавление протекает при постоянной температуре. В подобных переходах— из более упорядоченного кристаллического состояния в менее упорядоченное жидкое состояние — степень беспорядка увеличивается, т.

е., согласно второму началу термодинамики, этот процесс связан с нозрастанием энтропии системы. Если переход происходит в обратном направлении (кристаллизацня), то система теплоту выделяет. Фазовые переходы, не связанные с поглощением или выделением теплоты и изменением объема, называются фазовыми переходами П рода.

Эти переходы характеризуются постоянством объема и энтропии, но скачкообразным изменением теплоемкости. Общая трактовка фазоаых переходов П рода предложена советским ученым Л. Д. Ландау (1908 — 1968). Согласно этой трактовке, фазовые переходы П рода связаны с изменением симметрии: выше точки переходи система, как правило, обладает более высокой симметрией, чем ниже точки перехода.

Примерами фазовых переходов П рода являются: переход ферромагнитных веществ (железа, никеля) прн определенных давлении и температуре в парамагнитное состояние; переход металлов и некоторых сплавов при температуре, близкой к 0 К, в сверх. проводящее состояние, характеризуемое скачкообразным уменьшением электрического сопротивления до нуля; превращение обыкновенного жидкого гелия (гелия !) при 7=2,9 К в другую жидкую модификацию (гелий П), обладающую свойствами сверхтекучести. 9 76.

Диаграмма состоянии. Тройная точка Если система являетсн однокомпонентной, т, е, состоящей из химически однородного вещества или его соединения, то поннтие фазы совпадает с понятием агрегатного состояния. Согласно $ 60, одно и то же вещество в зависимости от соотношения между удвоенной средней энергией, приходящейся на одну степень свободы хаотического теплового движения молекул, и наименьшей потенциальной энер- гиеН взаимодействия молекул может на. ходиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком или газообразном.

Это соотношение, в свою очередь, определяется внешними условиями температурой и давлением. Следовательно, фазовые превращения также определяют. ся изменениями температуры н давления Для наглядного изображении фазовых превращений используется диаграмма состояния (рис. !15), на которой в координатах р, Т задается зависимость между температурой фазового перехода и давлением в виде кривых испарения (КИ), плавлении (КП) н сублимации (КС), разделяющих поле диаграммы на три области, соответствуюгцие условиям существования твердой (ТТ), жидкой (Ж) и газообразной (Г) фаз.

Кривые на диаграмме называются кривыми фазового равновесия, каждая точка на них соответгч Рис !1З !26 2 Основы маяснулнрнон фннннп н тсиюынннмннп ствует условиям равновесия двух сосуществующих фаз: КП вЂ” твердого тела н жидкости, КИ вЂ” жидкости и газа, КС— твердого тела и газа. Точка, в которой пересекаются эти кривые и которая, следовательно, определяет условия (температуру Т,р и соответствующее ей равновесное давление р,р) одновременного равновесного сосуществованин трех фаз вещества, называется тройной точкой.

Каждое вещество имеет тельно одну тройную точку. Тройная точка воды характеризуется температурой 273,16 К (по шкале Цельсия ей соответствует температура 0,01 *С) и является основной репериой точкон для построения термодинамической температурной шкалы. Термодинамика дает метод расчета нривой равновесия двух фаз одного и того же вещества.

Согласно уравнению Клапейрона — Клаузиусв, производная от равновесного давления по температуре — (76.1) др 5 дТ Т(У~ — У ) ' где 5 — теплота фазового перехода, (Уз в У~) — изменение объема вещества при переходе его из первой фазы во вторую, Т вЂ” температура перехода (процесс изотермическнй). Уравнение Клапейрона — Клаузиуса позволяет определить наклоны кривых равновесия. Поскольку 5 и Т положительны, наклон задается знаком Ув — Уь При испарении жидкостей и сублимации твердых тел объем вещества всегда возрастает, поэтому, согласно (76.1), др1дТ)0; следовательно, в этих процессах повышение температуры приводит к увеличению давления, и наоборот.

При плавлении большинства веществ объем, как правило, возрастает, т. е. др1дТ) 0; следовательно, увеличение давления приводит к повышению температуры плавления (сплошная КП на рис. !15). Для некоторых же веществ (НвО, Се, чугун и др.) объем жидкой фазы меньше объема твердой фазы, т. е. др/дТ(0; следовательно, увеличение давления сопровождается понижением температуры плавления (штриховая линии на рис. 115).

Диаграмма состояния, строящаяся на Рнс. ПИ основе экспериментальных данных, позволяет судить, в каком состоянии находится данное вещество при определенных р н Т, а также какие фазоаые переходы будут происходить при том или ином процессе. Например, при условиях, соответствующих точке 1 (рис. 116), вещество находится в твердом состоянии, точке 2 — в газообразном, П точке 3 — одновременно в жидком и газообразном состояниях. Допустим, что вещество в твердом состоянии, соответствующем точке 4, подвергается изобарному нагреванию, изображенному на диаграмме состояния горизонтальной штриховой прямой 4 — 5 — б.

Из рисунка видно, что при температуре, соответствующей точке 5, вещество плавится, при более высокой температуре, соответствующей точке 5,— начинает превращаться в газ. Если же вещество находится в твердом состоянии, соответствующем точке 7, то при изобарном нагревании (штриховая прямая 7 — 8) кристалл превращается в газ минуя жидкую фазу.

Если вещество находится в состоянии, соответствующем точке 9, то при изотермическам сжатии (штриховая прямая 9 — 1О) оно пройдет следующие три состояния: газ — жидкость — кристаллическое состояние. На диаграмме состояний (см. рис. 1!5 и 116) видно, что кривая испарения заканчивается в критической точке К. Поэтому возможен непрерывный переход вещества из жидкого состояния в газообразное и обратно в обход критической точки, без пересечения кривой испарения (переход 11 — 12 на рис. 116), т. е. такой переход, который не сопровождается фазовыми превращениями.

Это возможно благодаря тому, что различие между газом и жидкостью является чисто количествен- 127 Гл 3 в а !О. Реа п,ные газы, .килкосги и твердые -гла ным (оба зги состояния, например, явля. ются изотропными). Переход же кристаллического состояния (характеризуется анизотропией) в жидкое или газообразное может быть только скачкообразным (в результате фазового перехода), поэтому кривые плавления и сублимации не могут обрываться, как зто имеет место для кривой испарения в критической точке.

Кривая плавления уходит в бесконечность, а кривая сублимации идет в точку, где р = =О и Т= О. Контрольные вопросы Чем отличаются реальные газы от идеальных? Каков смысл поправок при выводе уравнения Ван-дер-Ваальса? Почему перегретая жидкость и пересышениый пар являются метастабильными состояниями? При адиабатнческом расширении газа н вакуум его внутренняя энергия ие меняется. Кэк изме- нится температура, если газ идеальный? реальный? Каковы суть и причины эффекта Джоуля — Томсона? Когда его называют положител ным? отрицательным? Почему у всех веществ поверхностное натяжение уменьшается с температурой? Что представляют собой поверхностно активные вещества? При каком условии жидкость смачивает твердое тело? не смачивает? От чего зависит высота поднятия смачинаюшей жидкости в капилляреэ Чем отличаются монокристаллы ог поликрнсталловэ Как можно классифицировать кристаллы? Как получить закон Дюлонга и Пти исходя из классической теории тсплосмкосги? Некоторое количество твердого вещества смешано с тем же веществом в жидком состоющи Почему при некотором нагреве этой смеси ее температура не поднимаетсяз Чем отличается фазовый переход! рода от фазового перехода Н роля' Что можно «вычитать» из диаграммы состояния, используемой лхя и «юриженип фазггв!зт превращений? Ф Э Задачи 1О.!.

Характеристики

Список файлов книги