2.14.5. Рівняння Клайперона - Клаузіуса і фазова діаграма для перетворення тверде тіло – газ (т  г).

Візьмемо речовину, яка знаходиться у такому стані, коли три фази речовини знаходяться в рівновазі, тобто в стані, заданих потрійною точкою А. Будемо продовжувати віднімати від речовини теплоту. По закінченні процесу кристалізації в рівновазі будуть перебувати тверда і газоподібна фази. І якщо і далі продовжувати віднімати теплоту, то температура знову почне знижуватися. Відповідно зменшується тиск парів, що знаходяться в рівновазі з кристалічною фазою. Точка, що зображає стан речовини буде переміщатися вниз по фазовій діаграмі Т  Г.

Рівняння Клайперона - Клаузіуса для фазового перетворення Т  Г має вигляд:

, (2.14.5)

де r - теплота сублімації 1 молю твердого тіла, V_т  об'єм 1 моля твердого тіла, V_г  об'єм 1 моля газу (пари).

Оскільки V_г  V_т, то , тобто фазова діаграма має вигляд зростаючої кривої. Далі в цьому випадку V_г V_т, і можна рахувати що V_г  V.

З рівняння стану ідеального газу pV=RT знаходимо .

Тоді рівняння (2.14.5) прийме вигляд:

або . (2.14.6)

Це рівняння зі змінними величинами, які розділяються

. (2.14.7)

Рішення рівняння (2.14.7) має вигляд

,

або враховуючи, що

,

можна записати

, (2.14.8)

де   енергія зв'язку окремого атома з кристалом.

Вид фазової діаграми р = f(Т) для перетворення Т  Г наведено на рис. 2.14.7.

Рис. 2.14.7. Фазова діаграма перетворення Т Г

2.14.6. Потрійна точка. Діаграма стану

Як видно з рис. 2.14.7, всі три фазові діаграми сходяться в одній точці (потрійний точці А) і розбивають координатну площину на три області: область твердої фази, область рідких станів і область газоподібних станів речовини. Будь-яка точка в одній з цих областей зображує відповідний однофазний стан речовини. Будь-яка точка, що лежить на одній з кривих, що розмежовують області, зображує стан рівноваги двох відповідних фаз речовини. Потрійна точка зображує стан рівноваги всіх трьох фаз. Таким чином, кожна точка на діаграмі зображує певний рівноважний стан речовини. Тому її називають діаграмою стану.

Для речовини з кількома кристалічними модифікаціями діаграма стану має більш складний характер. На рис. 2.14.8 зображена діаграма для випадку, коли число різних кристалічних модифікацій дорівнює двом. У цьому випадку є дві потрійні точки. У точці А в рівновазі знаходяться рідина, газ і перша кристалічна модифікація речовини, в точці А - обидві кристалічні модифікації.

Рис. 2.14.8. Фазова діаграма для речовини з двома кристалічними модифікаціями

Діаграма стану для кожної конкретної речовини будується на основі експериментальних даних. Знаючи діаграму стану, можна передбачити, в якому стані буде перебувати речовина при різних умовах (при різних значеннях р і Т), а також які перетворення буде зазнавати речовина при різних процесах.

Завдання для самопідготовки

1. Розкажіть про фазові перетворення речовини і накресліть відповідні криві фазових рівноваг в діаграмі Т -р.

2. Що називається фазою системи, фазовою рівновагою, фазовим переходом, фазовою діаграмою (чи кривою рівноваги)?

3. Намалюйте і поясніть фазову діаграму води яка застосовується у процесі затворювання бетону.

4. Яку особливість має фазова крива?

5. Наведіть приклади газів, які ніяким способом не можна привести в рідкий стан при кімнатній температурі і поясніть чому.

6. Яким явищем супроводжується зникнення двофазного стану рідина-газ в критичній точці? Як воно пояснюється і яким чином можна його спостерігати?

7. Яким чином можна розрахувати зміну ентропії під час переходу системи з одного стану в інший?

8. Що таке потрійна точка? Що таке критична точка?