Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 21

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

Текст из файла (страница 21)

Эти смены состояния называют фазовыми нереходами. Для веществ в газообразном состоянии используют два названия: газ и нар. До Х!Х в. считалось, что одни вещества при достаточно сильном сжатии мозкно перевести из газообразного состояния 116 Глава 2. Фазовые переходы е атмосфере в жидкое, а другие нельзя. Первым дали название пар (когда они находятся в газообразном состоянии), а вторым — название газ или постоянный газ.

Однако в 1877 г. были сжижены постоянные газы кислород и азот, а в 1898 г. — водород. Оказалось, что всякое вещество можно перевести из газообразного состояния в жидкое при условии, что его температура будет ниже некоторого значения; эту температуру назвали критической температурой. Для различных веществ она различна. Например, для диоксида углерода СО~ она равна 304 К (3! 'С), для кислорода 155 К ( — 118 'С), для азота 126 К (-147 С), для водорода 33 К (-240 С). Для оксида водорода Н О критическая температура 647 К (374 'С), для ртути 1460 К (1187 С).

Если температура вещества выше его критической температуры, то это вещество ни при каком давлении не переходит из газообразного состояния в жидкое, а тем более в твердое. Если, например, температура оксида водорода окажется выше 374 'С, то никаким сжатием нельзя будет получить из него воду или лед. Если ртуть нагреть выше 1187 'С, то она окажется в газообразном состоянии, из которого никаким сжатием не удастся перевести ее в жидкое состояние. В настоящее время принято называть паром вещество в газообразном состоянии, находящееся при температуре ниже критической для данною вещества, и газом — при температуре выше критической. Принципиальной разницы между паром и газом, таким образом, нет. Критическая температура азота, кислорода, водорода ниже — 100 'С, т.

е. существенно ниже обычно используемых температур; поэтому азот, кислород, водород принято именовать газами. Каждый из них может стать паром (а также жидкостью и даже твердым телом) при достаточно низких температурах. А вот у оксида водорода Н О критическая температура равна 374'С; она много больше обычных температур, поэтому принято говорить не о водяном газе, а о водяном паре. Фазовый переход того или иного вещества из жидкого состояния в газообразное называют парообразованием или испарением (особым случаем парообразования является кипение); обратный переход называют конденсацией в жидкое состояние или проще — конденсацией. Фазовый переход вещества из твердого состояния в жидкое называют плавлением, обратный переход — отвердеванием. Если вещество превращается из жидкости в твердое тело, обладающее кристаллической атомной решеткой, т. е.

являющееся кристаллом, то в этом случае процесс отвердевания называют также кристаллизацией. Фазовый переход вещества из твердого состояния сразу в газообраз- 2. 1 Оксид водорода е земной атмосфере 117 ное называют сублимацией или возгонкой; обратный переход называ- ют конденсацией в твердое состояние. Схема всех перечисленных фазовых переходов показана на рис. 2.1. нсация опоя яние Субя Возс Рис. 2.1 Рассматриваемые фазовые переходы сопровождаются либо поглощением, либо выделением энергии.

Предположим, что требуется превратить некоторую массу жидкости в пар той же температуры, что и у жидкости. Для этого надо затратить определенную энергию, зависяшую не только от выбора жидкости, но и от ее температуры. Эта энергия пойдет на увеличение внутренней энергии вешества. Энергию, требуюизуюся для превращения единичной массы жидкости в пар той жс температуры, называют удельной теплотой парообразования данной зкидкости.

Ее единица измерения — Дж/кг. Парообразование (испарение) может происходить при любой температуре ниже критической. Лишь в случае кипения требуется определенная для каждого вешества температура (точка кипения), которая зависит от внешнего давления. При повышении температуры удельная теплота парообразования уменьшается и в конечном счете обращается в нуль, когда достигается критическая температура. При конденсации единичной массы пара в жидкость той же температуры происходит высвобождение энергии, равной удельной теплоте парообразования. 118 Глава 2. Фазавые переходы в атмосфере Из сказанного можно сделать вывод: чтобы испарить некоторую массу жидкости, необходимо сообщить ей соответствующую энергию, а для конденсации пара надо, соответственно, позаботиться об отводе соответствующего количества энергии.

На практике все это происходит без специального вмешательства извне. Необходимая для парообразования энергия заимствуется из окружающей среды. Ведь в процессе парообразования жидкость покидают в первую очередь молекулы с большей энергией, жидкость начинает охлаждаться, что стимулирует теплопередачу со стороны окружения. Если же эта теплопередача не успевает произойти достаточно быстро (что как раз и наблюдается в адиабатных процессах), то испарение будет сопровождаться понижением температуры вещества. Соответственно, при конденсации пара в жидкость высвободившаяся энергия приводит к повышению температуры.

Высвобождение энергии при конденсации и ее поглощение при парообразовании весьма просто объясняются с точки зрения молекулярно-кинетических представлений. Дадим еше одно объяснение, используя принцип Ле-Шателье. Его сформулировал в 1884 г. французский физико-химик и металловед Анри Луи Ле-Шатанье (1850 — 1936). Согласно этому принципу, внешнее воздействие, выводящее систему из состояния термодинамического равновесия, стимулирует в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия. Допустим, результатом некоторого воздействия явилось усиление испарения жидкости. В соответствии с принципом Ле-Шателье происходит поглощение теплоты; температура жидкости понижается, что, естественно, тормозит процесс усиления испарения. А вот если бы при испарении теплота не поглощалась, а наоборот, выделялась, то процесс испарения, начавшись, должен был усиливаться неограниченно, что, конечно, бессмысленно с физической точки зрения.

Заметим, что когда для стимулирования таяния мокрого снега дворники посыпают его солью, они, не сознавая того, используют принцип Ле-Шателье. Соль повышает степень насыщения воды солью — и начинается подтаивание, которое, естественно, способствует снижению солености воды. При плавлении единичной массы твердого тела происходит поглощение энергии, называемой удельной теплотой плавления (она измеряется в тех же единицах, что и удельная теплота парообразования). При отвердевании единичной массы жидкости происходит такое же высвобождение энергии.

Обратим внимание на то, что в от- 2 1 Оксид водорода е земной атмосфере 119 личие от испарения и конденсации, плавление вещества, являющегося в твердом состоянии кристаллом, равно как и отвердевание такого вещества, оказавшегося в жидком состоянии, происходит при строго определенной температуре, называемой температурой плавления (она же температура кристаллизации). Эта температура различна для разных веществ и зависит от внешнего давления. Мы говорили о фазовых переходах между жидким и твердым состояниями для веществ, которые в твердом состоянии являются кристаллами.

Аморфные тела постепенно переходят из одного состояния в другое и не имеют определенной температуры плавления. К таким телам относятся, например, стекла, смолы, пластмассы. Переходы между разными агрегатными состояниями вещества относят к категории фазовых переходов первого рода. При таких переходах скачкообразно изменяется плотность вещества и происходит либо поглощение, либо выделение теплоты.

Существенно, что при фазовых переходах первого рода новое состояние не возникает сразу во всем рассматриваемом объеме вещества. Сначала образуются зародыши, которые постепенно растут и распространяются практически на весь объем. Можно наблюдать воду при температурах 10 — 20 С ниже нуля, если вода особенно чистая. Существуют также фазовые переходы, при которых не происходит ни поглощения, ни выделения теплоты. Их называют фазовыми переходами второго рода. В таких переходах превращение охватывает сразу весь объем тела.

Это может быть, например, изменение симметрии кристаллической решетки твердого тела, превращение парамагнетика в ферромагнетик, переход металлов и сплавов в сверхпроводящее состояние. Фазовые переходы между состояниями оисида водорода Вернемся к обсуждению оксида водорода. Напомним фазовые переходы между его агрегатными состояниями.

Водяной пар конденсируется в капельки воды и кристаллы льда. Кристаллы льда тают, превращаясь в водяные капли, или сублимируют, превращаясь в водяной пар. Капли воды испаряются, превращаясь в водяной пар, или замерзают, становясь кристаллами льда. Процессы конденсации, таяния, испарения, сублимации, замерзания схематически показаны на рис. 2.2, который фактически является повторением рис. 2А.

Поэтическая фраза «в небе тают облака» не имеет 120 Глава 2. Фазовые переходы в атмосфере отношения к физическому процессу таяния льда или снега; она переводится на язык физики так: «в небе происходят процессы испарения и сублимации». Субои сачив Рис. 2.2 Примечание-предостережение Довольно часто е популярной научной литературе конденсацию пара в твердое состояние неправильно называют сублимацией. В действительности, однако, сублимация — зто обратный фазовый переход, т.

е. переход из твердого состояния в газообразное. Его называют также возгонкой. Хотелось бы предостеречь читателя от неправильного использования термина «сублнмацил». Ранее мы отмечали, что теплота парообразования уменьшается с ростом температуры и обрашается в нуль по достижении критической для данного вешества температуры теплота парообразования уменьшается и в конечном счете обрашается в нуль, когда достигается критическая температура. Приведем таблицу для значений удельной теплоты парообразования воды ьув при разных температурах 7'. Можно видеть постепенное уменьшение Дв с ростом температуры и обрашение Да в нуль при критической температуре для оксида водорода, равной 347 'С. 2 1 Оксид водорода в земной атмосфере 121 Заметим, что уменьшение внутренней энергии воды и понижение ее температуры при испарении, равно как и возрастание внутренней энергии и повышение температуры при конденсации водяных паров, играют весьма важную роль в атмосферных процессах.

Характеристики

Список файлов книги