А.Н. Матвеев - Молекулярная физика (1103596), страница 52

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

Текст из файла (страница 52)

Газы с ысжмолскулярным взаимодействием и жидкости Насьпценный пар. В двухфазной системе жидкость и пар находятся в динамическом равновесии и при данной температуре имеют вполне определенные плотности и давления. Давление р, называется давлением насыщенного пара при температуре Т,.

Как видно на рис. 67, с увеличением температуры давление насышенного пара возрастает. Пар называется насьпценным потому, что его нельзя «уплотнить» при той же температуре. При попытке «уплотнения» часть насыщенного пара превращается в жцдкость. Именно этот процесс и происходит в двухфазной системе при изменении ее объема. Плотность насьиценного пара. При температуре Т, весь объем )гз заполнен насыщенным паром, поскольку при малейшем уменьшении этого объема часть пара переходит в жидкость.

Следовательно, плотность насыщенного пара при этой температуре равна р„= М/Рн При температуре Т, плотность насыщенного пара равна рн = М/$'з ) р1' Таким образом, плотность насыщенного пара с увеличением температуры возрастает. Если рассматривается моль молекул газа, то пол объемами У, в Ггз понимаются молярныс объемы, в под М вЂ” малярная масса газа. Если же рассматривается другое количество молекул газа, то под объемами 1'з н 1'з понимаются объемы газа, а под М вЂ” его масса.

Аналогичные замечания справедливы н об объемах жидкостей. В точке С весь объем згз заполнен жидкостью. Следовательно, плотность жидкости при температуре Т, равна р, =М/Ф"з. Непосредственно видно„что плотность жидкости при температуре Т, больше плотности насыщенных паров при той же температуре. Плотность жидкости при температуре Т, равна ры = М/)гз < р, . Это означает, что с увеличением температуры плотность жидкости уменьшается. При приближении к критической температуре разность в плотности жидкой и газообразной фаз уменьшается и в критической точке плотность жидкой фазы равна.

плотности газообразной фазы: р, = М/Р . Зависимость плотности жидкости и насыщенного пара от температуры показана на рис. 67. Правило рычага. Рассмотрим состояние двухфазной системы, характеризуемое точкой Р (см. рис, 66). Пусть полный объем, занимаемый при этом системой, И Спрашивается: какая часть объема при этом занята жидкой фазой и какая — газообразной? Обозначим зто )н р, р„соответственно объемы и плотности жидкой и газообразной фаз. Закон сохранения массы вещества записывается в виде Рр +$',р„=М.

Р0.1) О Ъ Какой смысл имеет утверждение о тон, что ло различные стороны от критической изотерны выые критического давления имеются зкидкость и газз Х Почему в критическом состоянии флуктуации плотности могут достигать очень Волынил значенийз 3. В чем состоит природа динамического равновесия в двукфазной системе! 4. С какими факторани на молекулярном уровне связано скрытая теплота перехода> б 30.

Переход из ~азообразно~о состояния и жидкое 73! Учитывая„что )г + )г, = (г, получаем Р. (р. — р,) = М вЂ” Рро б7 (30.2) Следовательно, 1 -(Я Р; — Р 1/$"г: 1/!' ' 1", — 1 т т (30.3) Аналогично, т, = М (1' — )Уг)/(1гг — Р;). (30.4) Отсюда находим отношение масс жидкой и газообразной фаз; пу„/лгг = (У, — 1')/(1' — 1',). (30.5) Оно обратно пропорционально расстояниям точки В от точек С и В: удаление )3 от В соответствует увеличению массы жидкости.

Формула (30.5) называется правилом рычага. Изотермы реального вещества имеют вид, показанный на рис. 66, однако их не всегда можно изобразить на чертеже в таком виде, если не пользоваться специальными масштабами. Например, плотности воды и ее насыщенного пара при 50'С равны соответственно 988,0 и 83 !0 ' кг/м', а давление насыщенного пара — 122. 10з Па. Это означает, что отношение абсцисс угг/$"г должно быть 104. Учитывая, что критическое давление воды р„р — — 220,53 10а Па, мы видим, что отношение ординат р„ /р, на чертеже должно было бы быть примерно 2000.

Ясно„что такую кривую в линейных масштабах изобразить на диаграмме не представляется возможным. Поэтому такого рода диаграммы призваны лишь отразить характер зависимостей и поведения величин, а отнюль не реальные соотношения между величинами, изображенными на чертеже. Свойства вещества в критическом состоянии. В точке К (см. рис. 66) (критическое состояние) изотерма имеет горизонтальное направление.

Следовательно,(др/д)г)г= О, т.е. давление (плотность) не зависит от объема. Это означает, что если в некоторой области плотность частиц увеличилась, то не возникает сил давления, которые стремились бы эту плотность уменьшить, и, наоборот, б7. Заансимосгь плотности жиакости и насыщенного пара от температуры: ! "жьге 'гь,н — иа ыщ аг~ыяаар где р, = М/Ро р„= М/1 . Умножая левую и правую части предшествующего равенства на р и принимая во внимание, что р Р = пу, р Р = М, где ль — масса жидкой фазы, получаем пУ = М(!', — 1г)/((гг — 1а).

232 4. Газы с мсжмоасиулариым взаимодействием и жилкоши уменьшение плотности (давления) не приводит к возникновению факторов, которые бы стремились восстановить прежнее равновесное состояние. В результате этого в критическом состоянии флуктуации плотности становятся очень большими. Это приводит к явлению критической опалесценции. Критическая опялесненция.

Если в прозрачном сосуде сжимать газ и просвечивать сосуд лучом света, то на экране проходящий свет дает изображение сосуда. Ввиду некоторого различия в коэффициентах поглощения жидкости и насыщенного пара на экране видны жидкая и газообразная фазы и гранина между ними. При соответствующих условиях, о которых сейчас будет сказано, при нагревании двухфазной системы граница мевсцу фазами является неподвижной, т. е.

доли объемов, занимаемых жидкостью и газообразной фазой, не изменяются. При приближении к критической температуре граница'становится все менее резкой. Поскольку при критической температуре различие между жидкой и газообразной фазами пропадает, следует ожидать исчезновения границы. Однако вместо этого в тот момент, когда гранина должна исчезнуть, весь объем сосуда становится непрозрачным лля света н на экране появляется темнота. Это явление называется критической опалесцснцнсй.

Через небольшой промежуток времени при дальнейшем повышении температуры прозрачность восстанавливается, но в сосуде находится уже одна газообразная фаза вещества и никакой границы нет. Критическая опалесценция объясняется тем, что в критическом состоянии флуктуации плотности очень велики.

Благодаря этому очень сильно от гочки к точке меняется показатель преломлении и поглощения среды. В результате свет сильно рассеивается и поглощается в среде, что и составляет суть явления критической опвлесценции. Поведение двухфазной системы при изменении температуры при постоянном объеме. В объеме К содержащем двухфазную систему, может находиться, вообще говоря, вещество различной массы.

Ход процесса при изменении температуры зависит от соотношения между массой вещества, находящегося в объеме, и объемом (рис. 68). Если вещество способно при критической плотности заполнить весь объем, т.е. из = р„„)е~, то на диаграмме двухфазной системы состояние Т, характеризуется точкой 22. Прн повышении температуры точка движется о вертикальной прямой к точке Ткм В сосуде все время имеются две фазы, граница между фазами практически неподвижна. При достижении Теи вещество переходит в критическое состояние и наблюдается критическая опалесценция. Если масса вещества меньше, чем необходимо для заполнения объема с критической плотностью (из < р„и~си), то начальное состояние вещества характеризуется точкой Е.

По правилу рычага часть объема, занятая жидкой фазой, пропорциональна отрезку ЕВ, а часть объема, занятая газообразной фазой, пропорциональна отрезку ЕС. С повышением температуры при переходе системы в точку Е' доля объема, занимаемая жидкостью, уменьшается, а занимаемая газом — увеличивается. Граница, разделяющая жидкую и газообразную фазы, опускается в сосуде вниз. При достижении температуры, соответствующей точке 6, весь объем заполнен газом и дальнейшее повышение температуры при неизменном объеме является нагреванием газа. Если масса вещества больше необходимой для заполнения объема с критической плотностью (из > р„с)'оа), то начальное состояние газа характеризуется точкой Е. При повышении температуры доля объема, занятого газом, уменьшается, как это непосредственно следует из правила рычага. Граница раздела между жидкостью и э' 30 Псрехол из знзообрнзното состояния в жилине 233 68 68.

Поведение двухфазной системы при повышении температуры при неизменном обв- еме газом при этом поднимается вверх. При достижении точки Н весь объем оказывается заполненным жидкостью. Дальнейшее повышение температуры при неизменном объеме является нагреванием жидкости. Теплота фазового превращения. В двухфазной системе фазы находятся в равновесии при одинаковой температуре.

При увеличении объема некоторая часть жидкости превращается в пар, но при этом для поддержания постоянства температуры системе извне необходимо сообщать соответствующее количество теплоты. Таким образом, для осуществления перехода нз жидкой фазы в газообразную системс необходимо сообщать теплоту без изменения температуры системы.

Эта теплота идет на изменение фазового состояния вещества и называется теплотой фазовозо превращения нли скрытой теплотой перехода. Скрытая теплота затрачивается на преодоление сил притяжения или, иначе говоря, на компенсацию отрицательной потенциальной энергии притяжения между молекулами. Очевидно, что с повышением температуры скрытая теплота перехода фиксированной массы вещества уменьшается, а при критической температуре она равна нулю.

Фазовые переходы перво~о рода. Фазовые переходы с поглощением или выделением скрытой теплоты перехода называются фазовыми переходами первого рода Нарялу с ними существуют другие типы фазовых переходов, не связанных со скрытой теплотой перехода 234 4. Газы с ысжыолсяулярным взаимодействием н жидкости У раииение Клапейрона — Клаузиуса й 31 Дается вывод уравнения Клапейрона — Клаузнуса и обсуждается область его приыениыости.

Характеристики

Список файлов книги