1. Цель работы

Изучение фазовых переходов испарение-конденсация; определение зависимости давления насыщенного пара от тем­пературы.

2. ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Работа выполняется на компьютере с использованием фи­зического виртуального лабораторного практикума. Программа позволяет проводить моделирования фазовых переходов испарение-конденсация.

3. Теоретическая часть

   1. Виды агрегатного состояния вещества

В зависимости от температуры и давления одно и то же вещество может находиться в каком-либо агрегатном состоя­нии: твердом, жидком, газообразном. Кроме перечисленных трех можно выделить и другие агрегатные состояния, например плазма, нейтронное состояние вещества и т. д.

Каждому из состояний вещества присущи свои специфи­ческие свойства (табл. 16.1). Однако общим для всех является состояние постоянного движения частиц, составляющих веще­ство, - молекул, атомов или ионов.

Расстояния между частицами вещества в газах во много раз превышают размеры самих частиц. Большую часть времени частицы свободно движутся и довольно редко испытывают со­ударения друг с другом. Этим объясняются свойства газов:

• способность к сжатию;

• способность занимать весь предоставленный ему объем

(силы притяжения между частицами газа малы и не способны удержать их друг возле друга).

Таблица 16.1

Различные агрегатные состояния вещества и их свойства

В жидкостях нет строгого порядка в расположении час­тиц. Частицы в разных частях тела расположены неодинаково плотно и совершают колебательное движение около собствен­ных положений равновесия. Межмолекулярные промежутки имеют разные размеры, в том числе и такие, что туда может поместиться еще одна молекула. Это позволяет частицам с час­тотой несколько миллиардов раз в секунду перескакивать в близлежащие «дырки».

Поэтому жидкости присущи такие свойства, как:

-малая сжимаемость;

-сохранение определенного объема (силы притяжения между частицами достаточно велики);

-текучесть.

Твердые тела имеют собственные форму и объем, посколь­ку силы притяжения между частицами твердого тела достаточно велики. Для твердых тел в расположении частиц наблюдается дальний порядок: упорядоченное расположение частиц сохраня­ется на больших расстояниях по сравнению с размерами самих частиц. Частицы кристаллических твердых тел непрерывно колеб­лются около положений равновесия (узлов кристаллической ре­шетки). Их размах колебаний невелик по сравнению с размерами самих частиц. Колебательное движение частиц кристаллов - ос­новное их движение. Частицы могут иногда перескакивать с места на место. Этому способствует тот факт, что в кристаллах имеются дефекты. Например, в пустое место в ряду - «дырку» - может пе­рескочить частица из соседнего ряда. В результате образуется но­вая «дырка». В нее может перескочить частица другого ряда и т. д. Благодаря дефектам кристаллического строения твердые тела спо­собны диффундировать друг в друга.

3.2.Фазовые переходы

Фазовые переходы (или фазовые превращения) - это пе­реходы вещества из одной фазы в другую, происходящие при изменении температуры, давления или под действием каких-либо других внешних факторов (например, магнитных или электрических полей). Фазой называется совокупность оди­наковых по физическим свойствам и разграниченных по­верхностями раздела частей системы. Например, лед, вода и водяной пар, составляющие систему, являются различными фазами; графит и алмаз - различные фазы твердого вещества.

В

Рис. 16.1. Взаимные превращения газов, жидкостей и твердых тел

обычных условиях любое вещество пребывает в одном из трех состояний - твердом, жидком или газообразном (рис. 16.1). Каждому из этих условий соответствует своя структура связей между молекулами или ато­мами, характеризующаяся определенной энергией связи между ними. Для изменения этой структуры нужен либо приток тепловой энергии из­вне (например, при плавлении твердого вещества), либо от­ток энергии из систем наружу (например, при кристаллиза­ции). Следовательно, фазовые переходы сопровождаются поглощением или выделени­ем определенного количества теплоты (при постоянном давлении и температуре); это количество теплоты называется те­плотой фазового перехода.

Фазовый переход вещества из кристаллического твердого состояния в жидкое состояние называется плавлением. Обрат­ный переход вещества из жидкого состояния в твердое называ­ется кристаллизацией. В процессе плавления разрушается кристаллическая решетка твердого тела, для чего ему необхо­димо получить некоторое количество энергии.

В процессе плавления кристаллического тела температу­ра - температура плавления - остается постоянной, пока тело полностью не расплавится. Поглощаемая энергия идет на уве­личение потенциальной энергии частиц вещества, в результате чего происходит разрыв межмолекулярных связей и, следова­тельно, разрушение кристаллической решетки.

После того, как вещество из твердого состояния полно­стью переходит в жидкое состояние, дальнейшее поступление тепла повлечет вновь за собой повышение температуры вещест­ва. В жидком состоянии молекулы вещества по-прежнему нахо­дятся в близком контакте, но жесткие межмолекулярные связи между ними разорваны, и силы взаимодействия, удерживающие молекулы вместе, на несколько порядков слабее, чем в твердом теле, поэтому молекулы начинают достаточно свободно пере­мещаться друг относительно друга. Дальнейшее поступление тепловой энергии приводит к переходу жидкости в газообраз­ное состояние. Фазовый переход из жидкого состояния в газо­образное называется парообразованием (см. рис. 16.1). Разли­чают два вида парообразования:

• испарение - процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости или твердого тела;

• кипение - процесс парообразования, происходящий как со свободной поверхности жидкости, так и во всем объеме.

Кипение происходит при постоянной температуре (при постоянном внешнем давлении). Эта температура называется температурой кипения. Кипение происходит при такой тем­пературе, когда давление насыщенных паров жидкости равно внешнему давлению. В процессе парообразования вся посту­пающая энергия также уходит на разрыв связей между моле­кулами жидкости и высвобождение их в газообразное состоя­ние (при неизменной температуре кипения). Энергия, затра­чиваемая на разрыв этих связей, называется скрытой теп­лотой парообразования. Она достигает достаточно боль­ших величин.

При оттоке энергии (остывании) происходят процессы пе­рехода вещества в обратном порядке. Сначала газ остывает с понижением температуры до тех пор, пока он не достигнет точки конденсации- температуры, при которой начинается сжижение. Причем эта температура в точности равна темпера­туре испарения (кипения) соответствующей жидкости. При конденсации, по мере того как силы взаимного притяжения ме­жду молекулами начинают превышать энергию теплового дви­жения, газ превращается в жидкость - «конденсируется». Кон­денсацией называют переход пара из газообразного состояния в жидкое (см. рис. 16.1). Энергия, потраченная на испарение определенной массы жидкости, равна энергии, которую пар от­даёт в виде тепла при конденсации его обратно в жидкость.