Fizika - V. F. Dmitriyeva

ГЛАВА 9 ФАЗОВІ ПЕРЕХОДИ НА ЗЕМЛІ І Б КОСМОСІ

§ 84, Плавлення і кристалізація

Плавлення

Речовина існує в твердому кристалічному стані при певних значеннях тиску і температури. У цьому стані речовина перебуває доти, поки кінетична енергія атомів недостатня, щоб подолати сили взаємного притягання, Ці сили утримують атоми на деякій відстані один відносно одного, не даючи можливості їм перемішатись. При цьому атом коливається навколо положення своєї рівноваги. В процесі нагрівання твердого тіла кінетична енергія атомів (або молекул) зростає. При цьому амплітуди коливань можуть стати, такими великими, що вже будуть порівнянні з періодом ґрат, далекий порядок порушиться, кристалічні ґрати почнуть руйнуватись. Із збільшенням температури тверді тіла плавляться, тобто речовина переходить з твердого стану в рідкий. Цей процес ізотермічний. Під час плавлення температура тіла не змінюється. Уся теплота, яка підводиться ззовні, витрачається на руйнування кристала. Після руйнування кристала й утворення рідини теплота, яка підводиться ззовні, втрачається на нагрівання рідини.

Діаграму плавлення кристалічного тіла подано на рис. 9.1. На осі абсцис відкладено час, на осі ординат - температуру. Ділянка ОА відповідає нагріванню твердого тіла до температури плавлення ТШ Нагрівання тіла на цій ді-лянці супроводжується підвищенням його температури (яка зростає приблизно пропорційно часу нагрівання). Ділянка АВ відповідає процесу плавлення,

Під час плавлення кристалічне тіло перебуває одночасно в твердому і рідкому станах.

Температура плавлення залежить від роду кристалічного тіла. Для більшості кристалічних тіл температура плавлення підвищується від збільшення атмосферного піску.

У процесі плавлення густина речовин зменшується (виняток становлять, наприклад, вісмут і лід - їх густина під час плавлення збільшується).

Точка В діаграми плавлення відповідає

Сзакінченню процесу плавлення. Тверде

250

ш і д к и

д = Хт.

V СІ питому теплоту плавлення виражають у джоулях на кілограм (Дж/кг).

Ча значимо, що к процесі плавлення внутрішня енергія тіла збільшується.

Кристалізація

Ділянка ВС діаграми відповідає нагріванню рідини. Якщо в н який момент часу припинити нагрівання рідини, а потім її охолодити, м> крива йтиме вниз (ділянка СВ). Коли температура зменшиться до значіння, яке дорівнює Тш, розпочинається кристалізація (ділянка ЕР) - перехід речовини з рідкого стану в твердий кристалічний. Цей процес супроводжується виділенням теплоти кристалізації, яка дорівнює теплоті ІІ'МІІЛСННЯ. Під час цього процесу рух молекул рідини упорядковується, мімслідок чого вони починають коливатися навколо вузлів кристалічних 11мт. Процес кристалізації ізотермічний. Температура кристалізації Гкр і

иигома теплота кристалізації дорівнюють відповідно температурі плавні пня і питомій теплоті плавлення для того самого тіла при одному і тому

• лмому тиску. Коли кристалізація закінчиться (точка Р), тіло почне охолоджуватись (ділянка РС).

І Іроцес кристалізації відбувається у двофазній системі, поблизу центри» кристалізації. Такими центрами можуть бути пилинки, найдрібніші домішки, неоднорідності. Якщо рідина чиста, тобто в ній немає центрів

іристалізації, то від її швидкого охолодження можна дістати переохолод-

їгну рідину (тобто рідину з температурою, нижчою від температури крис-

І.І і нації). Цей процес на рис. 9.1 зображено лінією ВЕ. Стан переохоло- •і ж синя - нестійкий; від значного переохолодження утворюються центри крис-галізації і рідина перетворюється в тверде тіло.

Рідкі кристали

Це стан, в якому виявляються структурні властивості, пропжні між властивостями твердого кристала і рідини. Рідкі кристали N іморюють речовини, молекули яких мають подовжену паличкоподібну форму. Рідкі кристали утворюються у вузькому інтервалі температур, і охолодженням кристали перетворюються в тверді.

252

§ 85. Зміна об'єму і густини речовини під час плавлення і кристалізації

У процесі плавлення густина більшості речовин зменшується. Наприклад, якщо в розплавлений парафін кинути шматочок твердого парафіну, то він потоне.. Отже, густина розплавленого парафіну менша від густини твердого. Парафін під час плавлення збільшує свій об'єм. Так само поводять себе і багато інших речовин. Це явище показує, що при правильному впорядкованому розміщенні молекул у кристалі об'єм, який вони займають, менший, ніж при безладному їх розміщенні в рідині. Винятком є чавун, кремній, вісмут і вода. Як відомо, лід плаває у воді; його густина помітно менша від густини води. Ця обставина має велике значення у природі. Шар льоду на поверхні води, покритий зверху снігом, який погано проводить тепло, добре захищає воду, розміщену під ним, від охолодження. Отже, водойма не промерзає до дна, і це рятує риб від загибелі.

Розширення води під час замерзання - одна з причин й іншого, важливого в житті Землі явища - руйнування гірських порід.

Відомо, що воду у водопровідних трубах не можна доводити до замерзання - при цьому труби лопають. Так само лопають на морозі пляшки з водою. Отже, при замерзанні вода збільшує свій об'єм.

Зазначимо, що в усіх речовинах, які при плавленні розширюються, збільшення зовнішнього тиску підвищує точку плавлення. У води збільшення тиску, навпаки, знижує точку замерзання.

Зміну об'єму рідини в процесі тверднення треба враховувати в техніці. Особливо важливо це в ливарному виробництві під час виготовлення форм, які потім заливають рідкою речовиною. Залежно від поводження рідини під час тверднення розміри форм мають бути або більші, або менші від справжніх розмірів виробу на величину усадки (від 1 до 2,5 %).

§ 36. Поняття фази речовини

Поняття фази

Під час розгляду явищ випаровування і конденсації води ми встановили, що можуть існувати два різні стани води - рідкий і газоподібний (водяна пара) - за тих самих температур і тиску. Ці стани відрізняються своїми властивостями, у цьому разі - густиною.

Якщо система поділяється на однорідні частини, що межують одна з одною і перебувають у фізично різних станах, то ці частини називають

фазами системи.

252

Якщо дві або більше різних фаз речовини за даних температури і тиску існують одночасно, стикаючись одна з одною, і якщо при цьому маса однієї з фаз не збільшується за рахунок зменшення маси другої, то кажуть, що існує фазова рівновага.

Фазові переходи

Перехід речовини з одного стану (фази) в інший називають фаювим переходом. Фазовий перехід пов'язаний з якісною зміною власні нос гей речовини. Наприклад, газоподібний, рідкий і кристалічний етапи речовини відрізняються характером руху атомів або молекул, наявніс- і іо або відсутністю упорядкованої структури.

Кипіння, плавлення - приклад фазових переходів першого роду. Для фазових переходів першого роду характерна стрибкоподібна зміна влас- і ивостей речовини, тобто така, що відбувається у вузькому інтервалі тем- п е р а т у р . Ці переходи супроводжуються стрибкоподібною зміною енергії, і устини та інших параметрів.

Фазові переходи першого роду - дуже поширене в природі явище. До них належать випаровування і конденсація, плавлення і тверднення. < такі фазові переходи, за яких внаслідок безперервної зміни кристалічних ґрат, тобто взаємного розміщення частинок у ґратах, перетворення підсуваються відразу в усьому об'ємі. Це призводить до того, що при певній температурі змінюється симетрія ґрат. Така температура - точка фазового переходу другого роду. Температуру, при якій відбувається фазовий перехід другого роду, називають точкою Кюрі, за ім'ям французького фізика П. Кюрі, що виявив фазовий перехід другого роду в феромагнетиках. Питання про феромагнетики розглянуто далі.

§ 87. Внутрішня будова Землі і планет

Гіпотеза походження Землі

Радянський учений О. Ю. Шмідт (1891-І 956) висунув гіпотезу про походження Землі та інших небесних тіл. Він припускав, що Земля і плане ї й ніколи не були розжареними газовими тілами, подібно до Сонця і зір, а повинні були утворитися з холодних твердих частинок речовин, які уми >рювали величезну хмару з газу і пилу, що оберталася навколо Сонця.

Іілижче до Сонця температура пилинок була вищою, і тут утворились порівняно невеликі планети земної групи (Меркурій, Венера, Земля, Марс). І іони складаються з тугоплавких кам'янистих речовин, металів та їх океидів і містять дуже мало легких газів і води.

253

Далі від Сонця було набагато холодніше, на пилинках намерзло багато льоду, вуглекислого газу, метану, аміаку. Так утворились планети-гіганти (Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун). У них значно більше води, аміаку і метану, ніж металу і кам'янистих речовин.

Тепер вважають, що Земля з газопилової хмари утворювалась близько 100 млн років. Цей строк невеликий порівняно з усією історією Землі, яка триває близько 4,7 млрд років.

Будова Землі

Фізичні властивості і фізичний стан земної кулі вивчає наука геофізика, яка поділяється на фізику атмосфери, фізику моря і фізику твердої Землі.

На основі всіх відомостей, добутих тепер різними науками, побудовано фізико-математичну модель Землі. "Тверда" Земля має кілька геосфер або оболонок: тонку зовнішню - кору, величезну - мантію, яка займає 5/6 об'єму всієї Землі (2/3 маси Землі), і ядро.

Для пізнання глибоких надр Землі тепер найбільше знань дає сейсмологія - наука про землетруси.

Від епіцентра землетрусу розходяться пружні сейсмічні хвилі двох видів: поздовжні та поперечні. Швидкість поздовжніх хвиль майже вдвічі більша від швидкості поперечних. За допомогою сейсмографа записують коливання ґрунту. За сейсмограмами вдається встановити шлях пружної хвилі в товщі Землі та її швидкість у кожній точці шляху. Швидкість хвилі залежить від складу гірської породи, від температури і тиску, під яким ця порода перебуває. Сейсмічні хвилі, як й інші, можуть відбиватися і заломлюватися. їх шляхи в Землі, як правило, викривлені.

З аналізу змін швидкостей сейсмічних хвиль роблять висновок про склад кори і мантії. Розподіл густини в мантії і ядрі визначають обчисленнями.

Виходячи із змін густини з глибиною, обчислюють зміну сили тяжіння. У корі і мантії вона приблизно однакова. У ядрі сила тяжіння зменшується з глибиною і в його центрі дорівнює нулю.

Знаючи зміну густини і сили тяжіння, обчислюють зміну тиску з глибиною, він швидко зростає і в центрі Землі досягає порядку 3,7 млн атм.

Кора

Як показують дослідження, поділ земної поверхні на материки і океани не випадковий, а залежить від будови земної кори.

Материкова кора побудована інакше і відрізняється за товщиною від океанічної. Дрібні моря і затоки завглибшки до 200 м - це частини материків,

254

і имчасово залиті морем, їх називають шельфам. На шельфі розміщені Азовське, Біле і Східно-Сибіреьке моря, Гудзоном затока та ін. Геологічні досліджсння показують, ідо в різні епохи море заливало інші частини материків»

Океанічна кора розміщена лише там, де глибина моря перевищує 4 км. Решта площі Землі покрита корою проміжного типу, Вся кора займає

І % Землі за, об'ємом і близько 0,5 % за масою, Материкова кора складається в основному з трьох шарів: осадового,

і ра пітного і базальтового. Гранітним і базальтовим шари назвали тому, що швидкості сейсмічних хвиль у них такі самі, як і в ..граніті і базальті,.

Океанічна кора побудована інакше, ніж материкова, гранітного шару в неї немає зовсім, осадовий шар дуже тонкий.

Проміжна кора в різних місцях має різну будову. Товщина материкомої кори 30-40 км, океанічної - від 3 до 7 км,

Мвмтш

Об'єм мантії становить 83 % об'єму Землі, маса - 67 % маси н.нпої планети. Швидкості сейсмічних хвиль у мантії зростають з глибиною, але, починаючи з глибини 80-100 км під материком і 50 км під океанами, вони зменшуються на відстані близько 100 км. Тут речовина перебуває в рідкому стані. Починаючи з глибини 400 км швидкість сейсмічних хвиль знову збільшується,

Тиск і температура в Землі зростають з глибиною. Збільшення температури веде до збільшення об'єму і нарешті до плавлення речовини, а. ібільшення тиску - до підвищення, температури плавлення; У всіх інших іонах мантії вирішальну роль відіграє тиск, і речовина перебуває в твердому стані, а на відстані 100 км речовина перебуває в рідкому стані. Гус-

піна речовини мантії на межі з ядром досягає 9,4*!03 кг/м3. Це поясню- (гься, з одного боку, підвищеним, вмістом важких елементів - заліза, нікелю, а з другого - величезним тиском.

Ядро

Ядро займає 16 % земної кулі за об'ємом і 31,5 % за масою. Його поділяють в основному на дві частини: зовнішнє ядро і внутрішнє идро, або суб'ядро. Поперечні хвилі крізь зовнішнє ядро не проходять, припускають, що воно має рідкий стан. Дані сейсмології свідчать про те, що суб'ядро тверде.

Тиск на межі мантії і ядра порядку 1,5 млн атм, у центрі ядра - порядку млн атм, середня густина речовини в земному ядрі близиш 11 т/м\ і клад суб'ядра невідомий. За однією з гіпотез, суб'ядро - залізне.

255

Отже, модель будови земної кулі дуже складна. Земля, як і інші планети, утворилася з газопилової хмари. Щоб з'явились атмосфера, гідросфера і земна кора і щоб надра Землі розшарувались на різні геосфери, в ній мали відбутися якісь гігантські процеси, вони відбуваються і тепер, про що свідчить динаміка життя земної кори.

Ми могли б розв'язати багато питань, якби точніше знали склад земного ядра і розподіл температури Землі по глибині; припускають, що температура ядра дорівнює не менше 2000 °С і не більше 5000 °С. Якби ми добре знали механізм розвитку Землі, го зрозуміли б закони утворення руд та інших корисних копалин. Але розгадати причини всього цього, зрозуміти всі складні взаємозв'язки різних процесів у земній кулі досі не вдалося.

Будова планет

Моделі планет земної групи багато в чому повторюють внутрішню будову Землі.

Моделі планет-гігантів відрізняються від моделі Землі.

Основною своєрідністю внутрішньої будови Юпітера і Сатурна є перехід водню з молекулярної фази в металічну, який відбувається на глибині І 500 км під тиском 1 млн атм. Металічний водень - рідина, густина якої дорівнює густині води. У центрі планети - ядро, стан речовини якого близький до твердого. Тиск у ядрі порядку 80 млн атм, температура 25 000 К. За таких умов речовина перебуває в незвичайній фазі.

У Сатурна мантія з металічного водню розпочинається на глибині 4000 км, ядро Сатурна складається з більш легких компонентів, ніж у Юпітера. Температура в ядрі порядку 20 000 К, тиск 50 млн атм.

Ядра планет-гігантів - металосилікатні, найбільші в Урана і Нептуна. Розраховано також моделі супутників Юпітера - Ганімеда, Каллісто і

Європи. За цими моделями, під крижаною корою лежить шар рідкої води завтовшки близько 100 км.

§ 88. Сублімація. Сублімація поверхневого шару ядер комет при їх зближенні з Сонцем

Сублімація. Десублімація

У деяких твердих тіл, таких, наприклад, як нафталін, йод, камфора, тверда вуглекислота (сухий лід), спостерігається перехід речовини відразу з твердого стану в газоподібний, тобто відбувається випаровування.

256

Перехід твердого стану в газоподібний, минаючи рідкий, називається суолімацією. Зворотний процес називають десублімацією. Усі тверді тіла сублімують, але процес сублімації у рідких тіл відбувається з різною швидкістю. При кімнатній температурі швидкість перебігу цього процесу іака мала, що сублімацію практично виявити не можна.

Процес сублімації відбувається як при нагріванні твердого тіла, так і без підведення теплоти ззовні. В останньому випадку внутрішня енергія перерозподіляється між твердим і газоподібним станами. При сублімації і їло охолоджується, бо його залишають найшвидші молекули, що мають кінетичну енергію, достатню для подолання молекулярного притягання і їх відривання від поверхні твердого тіла. Середня кінетична енергія молекул, які залишаються, зменшується; отже, тіло охолоджується. Щоб температура тіла, яке сублімує, була стала, до нього ззовні треба підводити геп лоту.

Сублімація поверхневого шару ядра комет

Процес сублімації відбувається і у Всесвіті. При зближенні з ( онцем поверхневий шар ядер комет сублімується. Маленьке ядро діамет- ром у кілька кілометрів - єдина тверда частинка комети, і в ньому практично зосереджена вся маса комети. Маса комет дуже мала і зовсім не впливає на рух планет. А планети вносять значні збурення в рух комет.

Ядро комети, очевидно, складається з суміші пилинок, твердих частинок речовини і замерзлих газів, таких, як вуглекислий газ, аміак, метан. V далеких від Сонця областях комети не мають хвостів. При наближенні комети до Сонця ядро прогрівається і з нього виділяються гази і пил. Вони утворюють навколо ядра газову оболонку, яка разом з ядром є головою комети. Гази і пил, які викидаються з ядра в голову комети, відштовхуються під дією тиску сонячного світла і корпускулярних потоків від ( онця і утворюють хвіст комети, завжди спрямований у бік, протилежний від Сонця (рис. 9.2). Найчастіше він прямий, тонкий, струменястий.

§ 89. Діаграма фазових переходів. Потрійна точка

Фазові переходи

Вище були розглянуті процеси плавлення, кристалізації, випаровування, які називають фазовими переходами першого роду. Вони характеризуються тим, що під час їх перебігу поглинається або виділяється теплота. Щоб описати стан речовини і фазові переходи, які відбуваються в ній, користуються діаграмою стану. Як правило, ці діаграми будують у координатах. р-Т (тиск - температура). Кожна точка на діаірамі зображає певний рівноважний стан речовини. Як приклад розглянемо діаграму станів води (рис. 9,3). У стані динамічної рівноваги може перебувати рідина, яка стикається зі своєю насиченою парою. Цей стан на діаграмі зображено кривою АМ. Якщо, не змінюючи об'єму цієї системи, віднімати від неї теплоту, то цей процес супроводжуватиметься зниженням температури і зменшенням тиску. Температура знижуватиметься доти, поки не досягне значення температури кристалізації.

У процесі кристалізації температура і тиск не змінюються. Область, розміщена на діаграмі нижче від МА (нижчі тиски або вищі температури), є областю газоподібного стану; область, розміщена вище від МА, - областю рідкого стану речовини. Лінія ВМ відповідає рівноважному стану твердого тіла і рідини (льоду і води), тобто вона являє собою криву плавлення твердого тіла, коли тверде тіло (кристали льоду) і рідина (вода) перебувають у стані рівноваги. В області ВМА вода перебуває лише в рідкому стані.

Потрійна точка

Крива СМ є лінією рівноважного стану твердого тіла і газу, тобто це - крива сублімації. В області СМА вода може перебувати лише в газоподібному стані (пара води). В області СМВ вода перебуває в твердому стані і є однією з модифікацій льоду. Три криві рівноваги перетинаються в одній точці М. Цю точку називають потрійною точкою. Вона характеризується тим, що при значеннях Тм і рм речовина одночасно перебуває в рівновазі в трьох фазах: твердій, рідкій і газоподібній. Для води

Тм =273,16 К.

Діаіраму станів для кожної речовини будують за експериментальними даними. За діаграмою станів можна визначити, в якому стані перебуває речовина при заданих параметрах (тиску і температурі).

258

§ 90. Розчини і сплави

Розчини

Під розчином розуміють однорідні речовини, які складають- І Я І двох або більшої кількості компонентів. Розчини можуть бути в різних агрегатних станах: газоподібному, рідкому і твердому. Розчини газів, рідин або твердих тіл у рідині називають рідким розчином, а рідина, яка розчиняє газоподібні, рідкі та тверді речовини, - розчинником. Особливе місце серед розчинників займають рідкі метани, наприклад ртуть, яка утворює амальгами - розчини заліза, кобальту і нікелю в ртуті, що мають феромагнітні властивості; розплавлене залізо використовують як розчините для добування штучних алмазів.

Найбільш поширеним розчинником для більшості речовин є вода. Кухонна сіль добре розчиняється у воді, але у воду можна насипати стільки солі, що вона перестає розчинятись; такий розчин називають насиченим. Концентрація речовини в його насиченому розчині називається розчинністю. Розчинність багатьох речовин залежить від температури, наприклад, від її підвищення розчинність повітря у воді зменшується, і в такий спосіб

можна дістати перегріту рідину, а розчинність цукру у воді збільшується. Розчинники дуже впливають на фізичні та хімічні властивості речовин.

Наприклад, залежно від розчинника при охолодженні або випаровуванні насиченого розчину твердої речовини вона може кристалізуватись у різних структурах. Розчинники впливають на колір речовини в розчині та інші властивості.

Сплави

У техніці дуже широко застосовують матеріали, які називають сплавами. Під сплавом розуміють макроскопічні однорідні системи з і)вох (або більше) металів або неметалів, що мають характерні властивості металів. Таке застосування сплавів зумовлене тим, що залежно від складу сплаву і методів його обробки можна дістати матеріал з різноманітними властивостями. У різних галузях промисловості використовують опліч сплавів, властивості яких відрізняються від властивостей "чистих'" металів. Сплави поділяють на дві групи залежно від основного металу, що входить до їх складу, і призначення: 1) залізні, нікелеві, кобальтові і т. д. Наприклад, різні сталі - це сплави, основним металом в яких є залізо; крім того, до них входять вуглець, хром, вольфрам, марганець та інші ме- і а п п У літакобудуванні використовують сплави алюмінію або магнію з міддю, залізом, цинком та ін.; 2) будівельні, інструментальні, конструкційні і сплави з особливими фізичними властивостями. Наприклад, дюра-

259