1й_курс_2й_семестр_Лекция_17 (959054)

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

Текст из файла

1й курс. 2й семестр. Лекция 171Лекция 17.Агрегатные состояния вещества. Условия равновесия фаз. Явления на границе раздела газа,жидкости и твердого тела. Капиллярные явления. Фазовые переходы первого и второго рода.Диаграммы состояния. Критические явления при фазовых переходах.Агрегатные состояния.Если части термодинамической системы образованы различными веществами, то явления на границах раздела частей кроме теплопередачи и обмена веществом могут быть связаны спротеканием тех или иных химических реакций. Если части системы образованы одним и темже веществом, находящимся в разных состояниях, то переход этого вещества через границыраздела не будет сопровождаться протеканием химических реакций, но при этом состояние вещества может изменяться.Одно и то же вещество может находиться в состояниях, отличающихся друг от друга посвоим физическим, в первую очередь механическим свойствам.

Эти состояния одного и того жевещества называются агрегатными состояниями. Выделяют три основных агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное. Примерами агрегатных состояний окиси водорода являются: лед, вода и водяной пар.Четвертым основным агрегатным состоянием вещества считается плазма. Так называютсильно ионизированный газ с высокой относительной концентрацией заряженных частиц, который в целом электрически нейтрален. Плазма является самым распространённым состояниемвещества во Вселенной, так как из неё состоит большинство звезд.

Примером низкотемпературной плазмы, наблюдаемой в земных условиях, является пламя, представляющее собой сильно разогретый, частично ионизированный газ, возникающий в процессе горения.Кроме плазмы во Вселенной встречаются такие специфические состояния вещества какнейтронная жидкость (из неё состоят нейтронные звезды) и вырожденная плазма (состоящая изполностью ионизированных ядер и электронов). Эти состояния встречаются при сверхвысокихдавлениях и температурах.Твердое, жидкое и газообразное состояния веществ различаются, прежде всего, подвижностью атомов и молекул, из которых состоят эти вещества. В газах и жидкостях частицы совершают хаотическое поступательное движение, а в твердых веществах - колебательное движение около положений равновесия.

Различие между газами и жидкостями заключается в том, чтов жидкостях расстояние между молекулами сравнимо с их размерами, и поэтому потенциальнаяэнергия взаимодействия молекул сравнима по величине с энергией их теплового движения. Этоприводит к тому, что тепловое движение молекул жидкости затруднено по сравнению с молекулами газа. Но потенциальной энергии взаимодействия молекул жидкости недостаточно длясохранения устойчивой межмолекулярной структуры. Поэтому в жидкостях наблюдается только некоторое упорядочение положения близлежащих частиц, то есть ближний порядок, в отличие от твердых кристаллических тел, в которых существует дальний порядок, - упорядоченнаямежатомная структура - кристаллическая решетка.

По этой причине жидкость легко принимаетформу сосуда, предоставленного ей.Среди твердых тел существует особый класс тел - аморфные тела, занимающие промежуточное положение между кристаллическими телами и жидкостями. Для них характерно долговременное сохранение формы, но при этом их атомы не образуют упорядоченную кристаллическую решетку.Среди жидкостей так же выделяется особый класс - жидкие кристаллы, механическиесвойства которых близки к свойствам жидкости, но у них, так же как и у твердых кристаллических тел, характерно наличие анизотропии свойств. Такое состояние возможно у веществ сбольшими протяжёнными молекулами, например у органических соединений. Молекулы жидких кристаллов могут достаточно легко совершать поступательные перемещения, сохраняя приэтом свою ориентацию в пространстве.

Анизотропия жидких кристаллов особенно проявляетсяв их оптических свойствах, что позволяет использовать их в устройствах формирования изображения.1й курс. 2й семестр. Лекция 172Одному и тому же агрегатному состоянию могут соответствовать несколько различныхпо своим свойствам состояний одного и того же вещества. Например, это различные модификации кристаллической решетки у твердых тел, отличающиеся симметрией, или состояния жидкого гелия - He I и He II, первое из которых обладает вязкостью, а второе - сверхтекучее.Условия равновесия фазПри описании пространственно неоднородных сред их разбивают на некоторое числооднородных по своему составу частей, разделенных границами раздела. Макроскопическаячасть среды (вещества), имеющая однородный физико-химический состав, называется фазой.Если среда однородна во всех своих точках, то такая термодинамическая система будетоднофазной, а если система состоит из двух (или более) граничащих между собой однородныхсред, то это двухфазная (или многофазная) термодинамическая система.Примером двухфазной системы может служить стеклянный сосуд с налитой в него водой.

В этом случае в системе имеется жидкая фаза (вода) и твердая фаза (стекло). Если в составсистемы включить окружающий сосуд воздух, то система станет трехфазной. Третья фаза приэтом будет газообразной (воздух). При этом смесь газов является однофазной системой, так какв этом случае нет границы раздела.Находящиеся в равновесии термодинамические системы не обязательно должны представлять собой однородную среду, то есть быть однофазными. В состоянии равновесия можетнаходиться система, состоящая из нескольких различных по своим физико-химическим свойствам фаз, пространственно разделенных не изменяющимися с течением времени (или для квазиравновесного случая бесконечно медленно изменяющимися) границами раздела фаз. Если черезэти границы не происходит макроскопический перенос, а сами фазы находятся в состояниитермодинамического равновесия, то такая термодинамическая система, несмотря на свою неоднородность, будет находиться в состоянии термодинамического равновесия.Для равновесия фаз необходимо, чтобы между ними наблюдалось тепловое и механическое равновесие.Первое из этих условий означает равенство температур Т1 и Т2 с разных сторон границыраздела фаз: Т1 = Т2 =Т.Второе условие имеет вид:p2 = p1 + ∆p12где: ∆р12 - дополнительное давление, создаваемое межфазовой границей.

Если считать границыраздела фаз плоскими, то ∆p12=0 и это условие станет эквивалентным предположению о равенстве давлений по обе стороны границы раздела фаз: p2 = p1 = p .В качестве многофазной системы может выступать система, состоящая из фаз одного итоже вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях. Например, система, состоящая из воды, в которой плавает кусочек льда. В состоянии равновесия количество воды и льда всистеме неизменно. Но если к такой системе подвести теплоту, то начнется процесс таянияльда, который приведет к изменению границы раздела различных агрегатных состояний, то естьк движению границ раздела фаз.

При этом будет происходить процесс превращения веществаиз одного агрегатного состояния в другое, то есть фазовое превращение.Необходимо отметить, что как в случае равновесия различных фаз, так и при фазовыхпревращениях, процессы на границе раздела носят статистический характер. На границе раздела воды и пара происходит постоянный процесс перехода молекул из воды в пар и обратно. Вравновесном состоянии эти встречные процессы взаимно компенсируют друг друга, а при подводе или отводе теплоты один из этих процессов (переход молекул из воды в пар или наоборот)начинает преобладать и это приводит к изменению количества вещества в различных агрегатных состояниях.Для устойчивого равновесия многофазной системы одного и того же вещества, необходимо потребовать отсутствия макроскопического переноса молекул этого вещества из однойфазы в другую.

Возникновение потоков вещества через границу раздела фаз возможно при на-1й курс. 2й семестр. Лекция 173личии различных значений удельного термодинамического потенциала ϕ ( p,T ) (или химического потенциала µ ( p,T ) ) с разных сторон относительно этой границы.Удельным термодинамическим потенциалом называется отношение термодинамического потенциала Гиббса данной фазы термодинамической системы к массе этой фазыG ( p,T )ϕ ( p,T ) =.mВведение понятия удельного термодинамического потенциала связано с тем, что при фазовых превращениях каждая из фаз является системой с переменной массой.Состояние термодинамического равновесия системы, состоящей из двух фаз, находящихся при одинаковых значениях давления и температуры, каждая из которых имеет соответственно массы m1 и m2, характеризуется минимумом термодинамического потенциалаG ( p,T ) = m1 ⋅ ϕ1 ( p,T ) + m2 ⋅ ϕ2 ( p,T )где: ϕ1 ( p,T ) и ϕ2 ( p,T ) - удельные термодинамические потенциалы первой и второй фаз соответственно.Так как при фазовых переходах общая масса вещества m = m1 + m2 остается неизменной,а происходит только переход частиц из одной фазы в другую, то условие минимума термодинамического потенциала эквивалентно условию его неизменности при изменении массы фаз.Если масса первой фазы уменьшается на величину ∆m , то одновременно возрастает масса второй фазы на эту же величину ∆m :G ( p,T ) = ( m1 − ∆m ) ⋅ ϕ1 ( p,T ) + ( m2 + ∆m ) ⋅ ϕ2 ( p,T ) .Если ϕ1 > ϕ2 , то минимум функции G ( p,T ) достигается при равенстве нулю массы первой фазы, а при ϕ1 < ϕ2 - соответственно, в случае равенства нулю массы второй фазы.

В обоихэтих случаях система переходит в однофазное состояние и условие равновесия двух фаз нарушается.Таким образом, в дополнение к указанным выше условиям равенства в соприкасающихся фазах температуры и давления, для обеспечения устойчивого равновесия двух фаз необходимо потребовать равенства их удельных термодинамических потенциалов:ϕ1 ( p,T ) = ϕ2 ( p,T ) .Это уравнение может быть разрешено относительно переменной p и представлено в виде:p = p (T ) .Это уравнение описывает кривую равновесия двух фаз.

Если рассматривается границараздела жидкости и газа, то это уравнение описывает кривую испарения. При описании границыраздела жидкости и твердого тела - рассматриваемое уравнение дает кривую плавления.Однако даже если величины удельных термодинамических потенциалов на границе раздела фаз одинаковы при фазовых превращениях, то производные этих потенциалов в различныхфазах могут быть различными.1. Если первые производные удельных термодинамических потенциалов для различныхфаз не равны между собой: ∂ϕ1   ∂ϕ2  ∂ϕ1  ∂ϕ2  ≠ ≠ и ∂T  p  ∂T  p  ∂p T  ∂p Tто такое фазовое превращение называется фазовым переходом первого рода.

Характерной особенностью фазовых переходов первого рода является поглощение или выделение теплоты приих осуществлении. К фазовым переходам первого рода относятся превращения при испарении,конденсации, плавлении и кристаллизации вещества.2. Если при фазовом превращении первые производные удельных термодинамическихпотенциалов для различных фаз одинаковы, а вторые производные различны, то такие превращения называются фазовыми переходами второго рода.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лекций