5. Фазовые равновесия и превращения

В термодинамике фазой называется совокупность однородных, одинаковых по своим свойствам частей системы. Примером фаз одного и того же вещества являются пар, вода и лёд. Различные кристаллические модификации так же представляют собой фазы, например, графит и алмаз – различные твёрдые фазы углерода.

Разные фазы одного и того же вещества могут находиться в равновесии, соприкасаясь, друг с другом. Это равновесие возможно в определённом диапазоне температур. Причём каждой температуре соответствует определённое давление, при котором возможно равновесие. На диаграмме (p,T) двухфазное состояние изобразится линией. Три фазы одновременно могут находиться в равновесии только в одной единственной точке, её называют тройной точкой. Она лежит на кривых равновесия двух фаз, взятых попарно. Равновесие более, чем трёх фаз одного вещества невозможно.

Различают фазовые переходы первого и второго рода.

Характерной особенностью фазовых переходов первого рода является поглощение или выделение теплоты при их осуществлении. К фазовым переходам первого рода относятся превращения при испарении, конденсации, плавлении и кристаллизации вещества. Фазовые переходы первого рода сопровождаются поглощением или выделением теплоты, которая называется скрытой теплотой перехода.

     При фазовых переходах второго рода теплота не выделяется и не поглощается, но для них характерны скачкообразные изменения теплоемкости, температурного коэффициента расширения и сжимаемости вещества. Примерами фазовых переходов второго рода являются превращение магнитного сплава из ферромагнитного состояния в парамагнитное, переход металла или сплава в сверхпроводящее состояние и переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние.

Далее речь пойдет только о фазовых переходах первого рода.

5.1. Испарение и конденсация

Как в жидкостях, так и в твердых телах всегда имеется некоторое число молекул, энергия которых достаточна для преодоления притяжения к другим молекулам и которые способны оторваться от поверхности жидкости или твердого тела и перейти в окружающее их пространство.

Переход жидкости в газообразное состояние называется испарением.

Переход твердого тела в газообразное состояние называется сублимацией.

При испарении и сублимации тело покидают наиболее быстрые молекулы, и в результате тело охлаждается. Что бы поддерживать температуру постоянной, к нему нужно непрерывно подводить тепло.

Количество тепла Q, которое необходимо сообщить жидкости для испарения единицы её массы при постоянной температуре, называется удельной теплотой парообразования r.

Количество теплоты, которое надо затратить, чтобы перевести в пар жидкость массой m,

Q = r·m.              (5.1)

В результате хаотического движения над поверхностью жидкости молекула пара, попадая в сферу действия молекулярных сил, вновь возвращается в жидкость. Этот процесс называется конденсацией. При конденсации тепло возвращается обратно.

Испарение жидкости происходит при любой температуре и тем быстрее, чем выше температура, больше площадь свободной поверхности испаряющейся жидкости и быстрее удаляются образовавшиеся над жидкостью пары.