Агрегатные состояния. Фазовые переходы

Все вещества могут находиться в трех фазовых состояниях: газообразном, жидком и твердом. Газообразное состояние вещества характеризуется тем, что молекулы практически не связаны друг с другом и хаотически движутся, занимая весь предоставленный газу объем. Кинетическая энергия движения молекул очень велика по сравнению с потенциальной энергией их взаимодействия. Поэтому силы межмолекулярного взаимодействия не могут удержать молекулы друг около друга.

При понижении температуры средняя кинетическая энергия движения молекул уменьшается и при некоторой температуре она становится примерно равна средней потенциальной энергии взаимодействия молекул. При этом большинство молекул оказывается не в состоянии улететь друг от друга и вещество переходит в жидкое состояние. Свойства сил межмолекулярного взаимодействия таковы, что они не только стремятся удержать молекулы на определенном расстоянии друг от друга, но и пытаются выстроить их в определенном порядке, то есть пытаются расположить молекулы в организованную пространственную структуру, называемую кристаллической решеткой. Однако тепловое движение пытается разрушить эту регулярную структуру и в жидкостях молекулы хоть уже и не могут улететь друг от друга, но еще могут разрушить упорядоченное расположение. В жидкостях молекулы находятся друг от друга на таких расстояниях, что силы взаимодействия между ними в среднем равны нулю. При этом расположение молекул отдаленно напоминает кристаллическую структуру, но эта структура неустойчива и часто нарушается тепловым движением. При этом молекулы иногда могут перескакивать с одного места на другое. Этим объясняется тот факт, что жидкости сохраняют свой объем, но не сохраняют свою форму и обладают свойством текучести. Это объясняет также сравнительно большую скорость диффузии в жидкостях.

При дальнейшем понижении температуры кинетическая энергия теплового движения молекул еще уменьшается и при некоторой температуре силам межмолекулярного взаимодействия удается строго выстроить молекулы в кристаллическую структуру и вещество переходит в твердое состояние. При этом молекулы могут только совершать колебания вблизи определенных положений равновесия и практически лишены возможности переходить с места на место.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом. При переходе из одной фазы в другую, например и газообразного состояния в жидкость, жидкость и ее насыщенный пар находятся в термодинамическом равновесии. При переходе из жидкого состояния в твердое жидкость и ее лед тоже находятся в термодинамическом равновесии. Состояние, при котором различные фазы одного и того же вещества находятся в термодинамическом равновесии определяется температурой и давлением. То есть все состояния, в которых жидкость находится в термодинамическом равновесии со своим насыщенным паром представляют собой некоторую линию в координатах (Р,Т). То же самое можно сказать о фазовом переходе из жидкого состояния в твердое и из твердого в газообразное. На рисунке представлены характерные кривые, соответствующим фазовым переходам их газа в жидкость (кривая АК), из жидкого состояния в твердое (кривая АВ) и из твердого состояния в газ (кривая АС). Все три кривые пересекаются в одной точке А, которая называется тройной точкой. Приведенный на рисунке график называется диаграммой состояния вещества.

При переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое либо поглощается, либо выделяется значительное количество энергии. Например, при переходе вещества из твердого состояния в жидкое происходит разрушение кристаллической структуры. Для этого молекулам вещества требуется сообщить необходимую для этого энергию. При обратном переходе из жидкого состояния в твердое такая же энергия выделяется. При испарении жидкости молекулам требуется сообщить энергию необходимую для преодоления сил межмолекулярного притяжения. Такая же энергия выделяется при обратном процессе конденсации.

Для того чтобы расплавить массу вещества m требуется количество теплоты

Коэффициент пропорциональности λ называется удельной теплотой плавления. Единица измерения - [Дж/кг]. Такое же количество теплоты выделяется при кристаллизации такого же количества этого же вещества. Удельная теплота плавления для воды равна 3,3·10⁵ Дж/кг.

Для того чтобы испарить массу вещества m требуется количество теплоты

Коэффициент пропорциональности L называется удельной теплотой парообразования. Единица измерения - [Дж/кг]. Такое же количество теплоты выделяется при конденсации такого же количества пара этого же вещества. Удельная теплота парообразования воды равна 2,3·10⁶ Дж/кг.