Фазовые переходы (Лекция №3)

Термодинамическая фаза - однородная по составу и свойствам часть термодинамической системы, отделенная от других фаз поверхностями раздела, на которых скачком изменяются некоторые свойства системы. Другое определение: Фаза — гомогенная часть гетерогенной системы.

Разные фазы могут быть представлены различными агрегатными состояниями или разными полиморфными модификациями вещества.

Фа́зовый перехо́д — переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий. Выделяют фазовые переходы 1^ого и 2^ого рода. Переход из одного агрегатного состояния в другое – фазовый переход 1^ого рода. Переход 2 ^ого рода – это переход между аллотропными модификациями веществ.

В однокомпонентной системе разные фазы могут быть представлены различными агрегатными состояниями или разными полиморфными модификациями вещества. В многокомпонентной системе фазы, кроме того, могут иметь различный состав и структуру.

При фазовом переходе второго рода (переход между аллотропными модификациями). Плотность и внутренняя энергия не меняются, или мало меняются, так что невооружённым глазом такой фазовый переход может быть незаметен.

В ходе фазового перехода температура остается постоянной, а энергия поглощается или выделяется. Если в ходе процесса энтропия возрастает, то энергия поглощается процесс эндотермический. Q = –ТΔS (Н =ТΔS) К эндотермическим процессам относятся процессы происходящие в направлении от твердого тела к газу:

плавление, кипение, возгонка.

Энергия, подводимая к системе тратится на возрастание энтропии.

К экзотермическим процессам относятся процессы, происходящие в направлении от газа к твердому телу (с уменьшением энтропии):

конденсация, кристаллизация, десублимация.

Сколько энергии поглощается в ходе плавления, столько же и выделяется в ходе кристаллизации. Количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования. Для полного обращения в пар 1 кг воды (при температуре кипения) необходимо затратить 2,3 МДж. Для обращения в пар спирта требуется значительно меньше энергии ~ 0,9 МДж.

Для понимания фазовых диаграмм фундаментальное значение имеет правило фаз Гиббса. Согласно этому правилу число компонент (К), число фаз (Ф) и число степеней свободы (С) связано уравнением: С = К – Ф + 2. Число степеней свободы – это число параметров, которые можно менять независимо при процессе фазового перехода.

.

На рисунке приведена фазовая диаграмма для однокомпонентной системы (воды). По оси абсцисс откладывается температура, по оси ординат – давление. Буквой Т обозначена тройная точка, при которой существует одновременно три фазы (лед, жидкая вода и пар). Этой точке для воды соответствует температура 0,01^оС и давление 0,06 атм. Линия 0–Т разграничивает твердое тело и пар – это кривая возгонки. Линия Т–К разграничивает жидкость и пар – это кривая кипения. Линия Т–С разграничивает жидкость и твердое тело – это кривая плавления.

Точка К называется критическая точка. Для воды она соответствует 218 атм. и 374^оС. При таких параметрах свойства жидкости и пара, становятся одинаковыми, так что различие между жидким и парообразным состоянием исчезает.