И.Е. Иродов 'Физика макросистем. Основные законы' (510776), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Но это не все. Заметим, что горизонтальный участок резльпой изотермы (он изобрзжен пунктиром иа рис. 5.1) расположен нз таком уровне, что охватыввемые волнообрезиой изстермой площади под пунктирной прямой и иод ней одинаковы. Сессевввв веществе Метастабильные состояния, Более тщательные эксперименты (вещество очищалось от примесей и процесс проводился осторожнее) позволили обнаружить, что при изотермическом сжатии газа его С В можно довести до состояния В (рис. 5.3), а при расширении жидкости — до состоя- ния А.
Т. е. реализуются уча- У стки, нредсказываемые урав- Рвс. 5.3 неннем Ван-дер-Ваальса. Особенности этих участков в том, что каждая точка их соответствует неравновесному состоянию при данной температуре. Эти состояния называют метастабильными. При малейшем возмущении вещества в этих состояниях происходит распад его на две фазы, соответствующие равновесному состоянию (это показано тонкими вертикальными стрелками на рисунке). Участок ВЮ описывает состояния, которые называют пересыщенным паром, а участок СА — перегретой жидкостью. Пересыщенный пар можно получить, подвергнув непересыщенный пар резкому, т.е. адиабатному расширению. Пар при этом охлаждается и становится пересыщенным. Это используют в камере Вильсона — приборе для наблюдения следов (треков) заряженных частиц. Последние, пролетая через пересыщенный пар, оставляют цепочку ионов, на которых и происходит конденсация пара в результате распада метастабильного состояния.
В итоге образуется цепочка капелек — след частицы. Перегретая жидкость также нашла применение — в пузырьковых жидководородных камерах. Заряженная частица, пролетая через перегретую жидкость, также оставляет цепочку ионов, на которых происходит парообразование. Возникает цепочка пузырьков — след пролетевшей частицы.
5 5.2. Фазоные переходы. Диаграмма состояний Фазовые переходы. Различают фазовые переходы 1-го и 2-го рода. Первые сопровождаются теплотой перехода. Это то количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу, что- Глаза з бы изотермически-изобарически перевести его из одной фазы в другую. Этот процесс характеризуют удельной 1) теплотой испарения (конденсации) д12, Дж/кг; 2) теплотой плавления (кристаллизации) д„, Дж/кг.
Заметим, что теплоту испарения твердого тела называют теплотой сублимации. Фазовые же переходы 2-го рода происходят без теплообмена. Это, например, изменение кристаллической модификации„переход в сверхпроводящее состояние, в сверхтекучее состояние у жидкого гелия, переход ферромагнетизма в парамагнетизм. Этим мы и ограничимся, основное же внимание сосредоточим на фазовых переходах 1-го рода. Уравнение Клапейрона — Клаузиуса. Известно, что две лю- бые фазы вещества могут находиться Р в равновесии лишь при определенном давлении, зависящем от температуры.
Например, для испарения ж (конденсации) кривая зависимости р(Т) показана на рис. 5.4, где К— критическая точка, слева от етой Т кривой — жидкая фаза, справа— газообразная. Представляет практиРис. зл ческий интерес знать аналитический вид етой кривой. Общий вид зависимости р(Т), но в дифференциальной форме, был получен из термодинамических соображений. А именно, можно найти наклон кривой, т.е. Ьр/6Т (большего получить термодинамика не позволяет). Делается это так. Рассмотрим злементарный цикл Карно в области фазового перехода (рис. 5.5). Здесь У~ и е2 — удельные объемы фазы 1 и фазы 2, т.е.
объемы единицы массы, мз/кг. По определению, КПД цикла (5.1) '?12 Ч12 где озз — удельная теплота, сообщаемая единице массы системы при расширении. Но для цикла Карно КПД согласно (3.12) Состояние вещества р+ар Р Рве. 5.5 равен в данном случае (т+ ат) - т ат т- ат т (5.2) Мы пренебрегли величиной аТ в знаменателе. Из равенства правых частей этих двух выражений следует, что ар ат т(ь — т,') (5.3) Это н есть уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Следует обратить внимание на порядок символов 1 и 2 соответствующих фаз. Видно, что знак производной, характеризующей наклон кривой р(Т), зависит от того, как изменяются удельные объемы при поглощении тепла — возрастают или уменьшаются.
При испарении жидкости нли твердого тела удельный объем всегда возрастает, поэтому производная арбат соответствующих кривых может быть только положительной. Заметим попутно, что кривую испарения твердого тела называют криеой сублимации. При плавлении удельный объем подавляющего числа веществ возрастает, поэтому ар(ат ) О. Однако у некоторых веществ, к числу которых принадлежит вода, объем жидкой фазы меньше объема твердой фазы (Ъз с У1), и ар/ат с О. Глаза 5 Рис.
5.6 Рвс. 5.7 Диаграмма состояний. Так называют плоскость р, Т (рис. 5.6), разделенную на три области: твердую фазу (т), жидкую (ж) и газообразную (г). Границами эпгх соприкасающихся фаз являются кривые сублимации, испарения и плавления, характеризующие О т (ж) ., двухфазные равновесные состоя- от Ф сО ния. В точке Тр, ее называют О тройной, в равновесии находятся сббв Р тРи фазы. ПУнктиРом показана кривая плавления для веществ, у 0 Т которых др(6Т -О, например, для воды. Для нее в тройной точке р = 610 Па (4,5 торр) и г = 0,008 'С. На рнс. 5.6 показана типичная диаграмма состояний.
Подобные диаграммы строят экспериментально для разных веществ. Они полезны в том отношении, что позволяют предсказывать фазовые превращения в тех или иных процессах. Например, мы видим, что кривая испарения заканчивается в критической точке К. Поэтому возможен переход из области жидкой фазы в газообразную путем обхода точки К »сверху» (без пересечения кривой испарения). В этом случае переход из одной фазы в другую совершается непрерывно, через последовательность однофазных состояний.
Кроме того, кривая плавления может встретить на своем »пути» другую тройную точку Тр' являющуюся началом вилки: левая кривая будет являться границей между двуми твердыми (но разными) фазами, а правая — кривой плавления новой твердой фазы. В дальнейшие детали мы углубляться не будем. Завершим этот обзор представле- нием фазовой диаграммы в объем- К" ном виде. В параметрах р, Т, Ф" она т ж будет выглядеть так, как показано на рис. 5.7.
Зто сложная поверх- '3 ность, каждая точка которой отве'~\ ' чает определенному равновесному состоянию — или однофазному, T или двухфазному, или трехфазно- 1зт Состояния вещества му. Непрерывными линиями показаны изотермы, параллельные части их (параллельные оси У) соответствуют двухфазным состояниям, а одна — трехфазному состоянию.
Достаточно посмотреть на этот рисунок справа — налево (вдоль оси У), и можно узнать диаграмму на рис. 5.6, а если— вдоль оси Т, то — диаграмму, правая часть которой показана иа рис. 5.2. й 5.3. Жидкое состояние Если вещество находится в газовой фазе, то молекулы его движутся почти свободно, поскольку их энергия взаимодействия значительно меньше кинетической энергии (речь идет о средних значениях этих величин).
При этом газ заполняет все доступное для него пространство (например, объем сосуда). В жидкой фазе молекулы находятся вплотную друг к другу, но как и в газе, обладают большой подвижностью н расположены неупорядоченно. Энергия взаимодействия молекул сравнима с их кинетической энергией„н зто проявляется в том, что жидкость занимает определенный объем. В расположении частиц жидкости наблюдается так называемый ближний порядок, т.е. по отношению к любой частице расположение ближайших частиц является упорядоченным.
В отличие от жидкости, в кристалле имеет место дальний порядок. В связи с отсутствием в жидкости дальнего порядка она, как правило, не обнаруживает анизотропии„характерной для кристаллов. В жидкостях с удлиненными молекулами наблюдается одинаковая ориентация их в пределах значительного объема, что приводит к появлению анизотропии ряда свойств. Это так называемые жидкие кристаллы. Жидкие кристаллы обладают очень важными оптическими свойствами, что обеспечило их многочисленные применения и большой интерес к их изучению.
На свойства жидких кристаллов сильное влияние оказывают электрические и магнитные поля. Изучение эттэх влияний— предмет интенсивных научных исследований, а получаемые результаты широко используются в практике (управление световыми потоками, цифровые указатели на жидких кристаллах, дисплеи и др.).
Глава 3 Жидкость занимает промежуточное положение между газом и кристаллами. Это связано с тем, что жидкое состояние являетея наиболее сложным по своим свойствам. Поэтому его теория развита гораздо менее, чем у газообразного и кристаллического состояний. До еих пор нет вполне законченной и общепризнанной теории жидкостей. Одна нз моделей поведения молекул в жидкости, предложенная Я. И. Френкелем, выглядит так. Каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия. Затем молекула меняет свое местоположение, скачком перемещаясь в новое положение равыовесия. Таким образом молекула медлеыно перемещается внутри жидкости, странствуя по всему ее объему. При повышении температуры сильно возрастает подвижность молекул и вязкость жидкости уменьшается.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
