2.20. Фазы и условия равновесия фаз

Среди широко распространенных макроскопических процессов особое место занимают фазовые переходы.

Фазовым переходом называют процесс, в результате которого свойства тела изменяются скачком.

Вещество, находящееся в состоянии термодинамического равновесия, отличающееся по физическим свойствам от других возможных состояний того же вещества, называют фазой.

Агрегатные состояния: газообразное, жидкое и твердое, являются разными фазами одного и того же вещества.

Например, пар, жидкая вода и лед - фазы воды. Разные фазы могут возникать в пределах одного и того же агрегатного состояния вещества. Под твердой фазой понимают только ее кристаллическое состояние.

Переход из одной фазы в другую при заданном давлении всегда происходит при определенной температуре.

Температурой фазового перехода называют температуру, при которой поддерживается термодинамическое равновесие между фазами.

При изменении давления изменяется и температура фазового превращения. Зависимость давления от температуры вещества, испытывающего фазовый переход, можно изобразить графически в координатах Р – Т в виде кривой, называемой фазовой диаграммой (диаграммой состояния).

Эту зависимость на Р – Т диаграмме изображают кривой фазового перехода: Р = Р(Т).

Например, фазовое превращение твердое тело – жидкость характеризуется температурой плавления. Различают графики кривых: плавление-кристаллизация, испарение-конденсация и т. д.

Кривые фазового перехода делят плоскость Р – Т на две области.

Точки, лежащие на кривой фазового превращения, свидетельствуют о том, что обе фазы существуют одновременно и находятся в равновесии друг с другом.

Поэтому эту кривую называют кривой равновесия фаз.

Точки, лежащие внутри каждой области, соответствуют однофазному состоянию.

Фазовые превращения можно изобразить и на Р – V или Т – V диаграммах состояния.

Фазовая диаграмма Р – Т отличается от фазовой диаграммы Р – V тем, что в процессе перехода остаются постоянными и давление, и температура, в то время как объем (удельный) изменяется.

Удельным называют объем, приходящийся в среднем на одну частицу вещества.

Рис. 2.12

Если вещество состоит из N частиц и имеет объем V, то удельный объем

Рис. 2.13

, (2.86)

где n₀ – концентрация частиц.

При фазовых превращениях концентрация, плотность и удельный объем веществ изменяются скачком.

Рассмотрим процесс изотермического сжатия вещества.

Пусть в начальном состоянии вещество существует в одной фазе (точка 1 на Р – Т диаграмме, рис. 2.12). Параметры этого состояния: удельный объем ₁, температура Т₁, давление Р₁ [(Р – ) диаграмма, точка а, рис. 2.13]. На Р – Т диаграмме этот процесс изображен прямой 1– 2– 3, а на диаграмме (Р – )  изотермой а – б.

При изотермическом сжатии с увеличением давления удельный объем исходной фазы начнет уменьшаться сначала плавно, затем при достижении состояния 2 (рис. 2.12) [на диаграмме (Р – )  точка (в), рис. 2.13], начинает образовываться новая фаза с удельным объемом ₃ < ₂.

Из-за скачка концентрации и плотности с этого момента вещество будет находиться в двухфазном состоянии.

Этот процесс сопровождается выделением энергии, которая влияет на количество образовавшейся новой фазы.

В чем же заключается различие между Р – Т и Р –  диаграммами?

При постоянной температуре двухфазному состоянию на Р – Т диаграмме соответствует точка. На Р –   отрезок, что позволяет определить количественное соотношение фаз в двухфазном состоянии.

Кривой фазового перехода на Р – Т диаграмме, соответствует штрихованная область на Р –  диаграмме (рис. 2.13).