Фазовые переходы. Сублимация
Мы познакомились со взаимными превращениями жидкостей и газов, твердых тел и жидкостей.
Возможен также непосредственный переход твердых тел в газообразное состояние. Такой процесс называется сублимацией* (или возгонкой). Именно благодаря этому процессу высыхает замерзшее белье на большом морозе. Без плавления переходит в газообразную фазу «сухой лед» — твердая углекислота. Сублимация специальных веществ используется для теплозащиты космических аппаратов, спускающихся с околоземной орбиты на Землю. Дело в том, что процесс сублимации, как и плавления, сопровождается поглощением теплоты.
* От латинского слова sublimo — возношу.
Все рассмотренные процессы (плавление, парообразование, кристаллизация, конденсация и сублимация) сопровождаются поглощением или выделением некоторого количества теплоты .
Переход вещества из одного состояния в другое, сопровождающийся скачкообразным изменением физических свойств вещества (плотности, концентрации компонентов и др.) при непрерывном изменении внешних параметров (температуры, давления и т. д.), называется фазовым переходом первого рода.
Таким образом, парообразование, конденсация, сублимация, плавление и кристаллизация представляют собой фазовые переходы первого рода.
Существуют фазовые переходы второго рода. При этих переходах не происходит скачкообразного изменения плотности вещества, и они не сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние является примером фазового перехода второго рода.
Количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического вещества единичной массы, называется удельной теплотой плавления. При кристаллизации такое же количество теплоты выделяется.
§ 8.9. Изменение объема тела при плавлении и отвердевании. Тройная точка
Объем вещества при плавлении, как правило, увеличивается, а плотность уменьшается. При отвердевании, наоборот, объем уменьшается, а плотность увеличивается. Исключение составляют лед, чугун, висмут и немногие другие вещества.
Объяснение «странного» поведения льда и воды
Особенности в поведении льда при плавлении связаны с формой его кристаллической решетки. На рисунке 8.33 показана пространственная решетка кристаллов льда (наверху — вид сверху, внизу — вид сбоку). Шарики изображают атомы кислорода, положения атомов водорода не показаны. Из рисунка видно, что в кристалле льда молекулы расположены очень неравномерно. В одних местах (в пределах одного слоя) молекулы сближены, а в других местах (между слоями) имеются большие пустоты. При переходе от кристаллического состояния к жидкому расположение молекул меняется и делается более равномерным. Поэтому объем воды становится меньше объема льда. При этом расстояние между молекулами, которые в кристалле расположены близко друг к другу (молекулы одного слоя), увеличивается, а расстояние между отдаленными молекулами в разных слоях уменьшается. Потенциальная энергия первых увеличивается, а вторых — уменьшается, но увеличение потенциальной энергии близких молекул больше уменьшения потенциальной энергии отдаленных молекул. В результате получается, что внутренняя энергия воды оказывается больше внутренней энергии льда, из которого она образовалась, несмотря на уменьшение объема. Поэтому плавление льда требует затраты теплоты, как и плавление других тел.
Рис. 8.33