Лекция 10. Состояния вещества. Фазовые перходы.

И зотермы Ван-дер-Ваальса. На рис. 19 представлены некоторые изотермы, соответствующие уравнению Ван-дер-Ваальса

.

Температуры изотерм соотносятся как . Видно, что при достаточно высокой температуре изотерма близка к изотерме идеального газа (кривая 4), но при некоторой критической температуре на изотерме появляется точка перегиба К, которую вместе с самой изотермой также называют критической. Изотермы, расположенные ниже критической, имеют волнообразный участок, внутри которого некоторые процессы невозможны . Так, между точками А и В с изотермическим увеличением объема растет и давление, что никогда не наблюдается. На практике между точками С и D процесс идет по горизонтальному пунктирному отрезку. Оказывается, что если сжимать газ по изотерме 1, то до достижения объема V_г система остаётся в газообразном состоянии. Однако при дальнейшем сжатии часть газа переходит в жидкое состояние, и по достижении объема V_ж газ целиком переходит в жидкость: на участке C-D наблюдается так называемый фазовый переход из газообразного в жидкое состояние. Если фазовый переход происходит изотермически, то давление остается постоянным: p=const. Оказывается, это общее свойство фазовых переходов: при переходах жидкость-твердое тело или обратно p=const. Таким образом, для всех изотерм в тонированной области, характерно одновременное сосуществование двух фаз: жидкой и газообразной, находящихся в равновесии. Такой газ (пар) называют насыщенным. Левее двухфазной области

110

лежит область жидкого состояния. При очень специальных условиях изотермического сжатия газа, его можно довести до состояния В, а при расширении жидкости – до состояния А. Все состояния на участках А-С (перегретая жидкость) и В-D (пересыщенный пар) являются неравновесными, или метастабильными. При малейшей флуктуации условий эти состояния скатываются на двухфазный участок.

Фазовые переходы. Различают фазовые переходы 1-го и 2-го рода. Первые требуют теплоты, необходимой, чтобы изотермически-изобарически перевести вещество из одной фазы в другую (например, из твердого в жидкое состояние). Фазовые переходы 1-го рода характеризуются удельной теплотой испарения (конденсации) и теплотой плавления (кристаллизации).

Фазовые переходы 2-го рода происходят без теплообмена. Например, изменение кристаллической модификации, переход в сверхпроводящее состояние, переход ферромагнетизма в парамагнетизм.

Можно изобразить на плоскости точки фазовых переходов и области, в которых вещество пребывает в той или иной фазе, т.е. построить фазовую диаграмму (рис.20). Фазовая диаграмма разделяет плоскость Т-р на три области: твердую фазу (т), жидкую (ж) и газообразную (г), где границами являются кривые сублимации, испарения и плавления, характеризующие двухфазные равновесные состояния. В точке Т₃, которая называется тройной, в равновесии находятся три фазы. Пунктиром показана кривая плавления для веществ, у которых (например, вода) . Фазовые диаграммы позволяют наглядно представить фазовые превращения. Например, кривая испарения заканчивается в критической точке К. Поэтому возможен переход из области жидкой фазы в газообразную путем обхода точки К сверху, без пересечения кривой испарения.

111

Кривая плавления может встретить на своем пути другую тройную точку , которая является границей между двумя разными твердыми фазами.

Жидкое состояние. Молекулы газа движутся практически свободно, поскольку энергия их взаимодействия значительно меньше кинетической энергии хаотического движения. Газ вследствие этого занимает все предоставленное ему пространство. В жидкости молекулы находятся вплотную друг к другу, но имеют достаточную подвижность для хаотического перемещения. Энергия взаимодействия молекул жидкости сравнима с кинетической энергией их хаотического движения, и поэтому жидкость занимает определенный объем. В жидкости наблюдается однотипность расположения ближайших молекул по отношению к любой выбранной молекуле, так называемый ближний порядок, в отличие от дальнего порядка у кристаллических тел, где упорядоченность простирается весьма далеко.

В некоторых жидкостях с удлиненными молекулами, наблюдается упорядоченность (ориентация) в пределах значительного объема, что приводит к анизотропии свойств. Это жидкие кристаллы.

Одна из моделей жидкости, предложенная Я.И.Френкелем, исходит из предположения, что каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия, а затем скачком перемещается в новое положение равновесия. Теория жидкости не является завершенной, однако некоторые зависимости удается рассчитать.