Лекция № 11 Фазовые равновесия и фазовые превращения
Механическая и термическая устойчивость вещества
В термодинамике фазой называется совокупность однородных, одинаковых по своим свойствам, частей системы. При определенных условиях разные фазы одного и того же вещества могут находиться в равновесии друг с другом, соприкасаясь между собой. Равновесие более чем трех фаз одного и того же вещества невозможно.
Переход из одной фазы в другую обычно сопровождается поглощением или выделением некоторого количества тепла, которое называется теплотой перехода.
У словие механической устойчивости вещества
, и наоборот - , (где P – давление, V- объем).
Условие термической устойчивости вещества
Перенос тепла осуществляется от более нагретого тела к менее нагретому ( ). Сопровождается это понижением температуры. Следовательно, . Иной перенос тепла невозможен. Это условие выполняется всегда.
Удельные теплоты фазовых переходов
В жидких и твердых телах всегда имеется некоторое количество молекул, энергия которых оказывается достаточной, чтобы покинуть поверхность тела и перейти в газообразную фазу.
Переход жидкости в газообразное состояние называется испарением, переход твердого тела в газообразное состояние называется сублимацией.
При испарении и сублимации тело покидают наиболее быстрые молекулы, средняя энергия оставшихся молекул уменьшается и тело охлаждается. Переход жидкости в пар сопровождается поглощением тепла.
Тепло, которое надо сообщить единице массы вещества, чтобы перевести его в другое фазовое состояние, называется удельной теплотой фазового перехода.
При испарении жидкости молекулы совершают работу против сил, действующих в поверхностном слое толщиной r
,
где f - средняя величина силы;
n – число молекул в единице массы.
Кроме этого, совершается работа, связанная с увеличением объема вещества
,
где VП - удельный объем пара;
VЖ - удельный объем жидкости.
А1 и А2 совершаются за счет теплоты испарения q.
.
с ростом Т. Следовательно . , плотность молекул пара меньше, чем жидкости.
Наряду с испарением протекает и обратный переход из газообразной фазы в жидкую, называемый конденсацией.
Конденсация жидкости увеличивается по мере возрастания плотности молекул в пространстве над жидкостью, т.е. . При достижении некоторого Р количество молекул, покидающих жидкость равно количеству молекул, возвращающихся в жидкость. Плотность пара не изменяется , , где Рнас – давление насыщения.
В открытом сосуде испарение происходит тем быстрее, чем больше площадь открытой поверхности.
В закрытом сосуде интенсивность испарения тем больше, чем дальше от состояния насыщения пар над поверхностью жидкости.
При конденсации и . Переход сопровождается выделением тепла. Плотность жидкости больше, чем плотность пара.
Все сказанное о равновесии между жидкостью и газом справедливо и для системы твердое тело-газ.
Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением, а обратный переход – отвердеванием. Процесс плавления происходит с поглощением энергии и требует затраты некоторого количества тепла, которое называют теплотой плавления. Следовательно, и .
При сообщении веществу тепла его температура Т растет в зависимости от времени по следующему закону.
М ежду жидкой и твердой фазой осуществляется непрерывный теплообмен, приводящий к вы-равниванию температур. Вещество в твердом состоянии не может существовать при Т > Тпл, поэтому, пока все твердое тело не перейдет в жидкость его Т = Тпл.
Подводимое количество теплоты идет на выполнение работы по разрушению кристаллической решет-ки, т.е. на увеличение Wпот молекул вещества.
Величина, измеряемая количеством теплоты, необходимым для плавления единицы массы твердого тела при Т = Тпл, называется удельной теплотой плавления .
Некоторые вещества могут находиться в так называемом аморфном состоянии, имеющем структуру ближнего порядка, но не обладающем основным свойством жидкости – текучестью.
При увеличении температуры эти вещества стремятся к жидкостям, и (происходит поглощение тепла).
Кристаллизация происходит при той же температуре, что и плавление. При расчете количества теплоты, выделившегося при кристаллизации, также пользуются формулой
.
При охлаждении жидкости до температуры, когда фазы жидкого и твердого тела уравновешивают друг друга, начинается одновременный рост кристалликов вокруг зародышей или центров кристаллизации.
Центрами кристаллизации могут служить взвешенные в жидкости твердые частицы.
Процесс кристаллизации сопровождается выделением такого же количества тепла, какое поглощается при плавлении. , т.к. плотность твердого тела больше, чем жидкости.
Существуют переходы из одной кристаллической модификации в другую, которые не связаны с поглощением или выделением тепла. Они называются фазовыми переходами второго рода. Для них , .
Все сказанное выше можно свести в таблицу:
Фазовые переходы |
Процессы |
Изменения |
|
теплоты |
плотности |
||
І рода |
Испарение Конденсация |
|
|
І рода |
Плавление Кристаллизация |
|
|
ІІ рода |
Структурные превращения |
|
|