2.2.4. Капілярні явища

Існування крайового кута призводить до того, що поблизу стінок посудини спостерігається викривлення поверхні рідини. В капілярі чи у вузькому зазорі між двома стінками викривленою виявляється вся поверхня.

Рис. 7

Якщо рідина змочує стінки, поверхня має вогнуту форму, якщо не змочує – випуклу. Такого роду вигнуті поверхні рідини називаються менісками.

Якщо капіляр опустити одним кінцем в рідину, що міститься в широкій посудині, то під викривленою поверхнею в капілярі тиск буде відрізнятися від тиску під плоскою поверхнею в широкій посудині на величину , що визначається за формулою Лапласа:

.

В результаті при змочуванні капіляра, рівень рідини в ньому буде вищий, ніж у посудині, при незмочуванні – нижче.

Зміна висоти рівня рідини у вузьких трубах чи зазорах називається капілярністю (явища обумовлені існуванням поверхневого натягу).

Між рідиною в капілярі і широкій посудині встановлюється така різниця рівнів h, щоб гідростатичний тиск ,

- поверхневий натяг на межі рідина-газ;

R – радіус кривизни меніска.

Враховуючи, що , отримаємо:

.

Лекція 7

2.3. Фазові переходи

2.3.1. Фаза, фазові переходи

В термодинаміці фазою називають сукупність однорідних, однакових з властивостями частин системи.

При певних умовах різні фази однієї речовини можуть знаходитись в рівновазі одна з одною. Рівновага двох фаз може мати місце лише у певному інтервалі температур, причому кожному значенню температури відповідає певний тиск:

.

Таким чином, стани рівноваги двох фаз зображуються на діаграмі (p,T) лінією p=f(T).

Три фази однієї речовини можуть знаходитись в рівновазі лише при деяких значеннях температури і тиску, яким на діаграмі (p,T) відповідає точка, що називається потрійною точкою. Вона лежить на перетині кривих рівноваги.

Рівновага більш ніж трьох фаз неможлива.

Перехід з однієї фази в іншу зазвичай супроводжується поглинанням чи виділенням тепла (теплота переходу). Такі переходи називаються фазовими переходами першого роду.

Існують переходи з однієї кристалічної модифікації в іншу, що не пов’язані з поглинанням чи виділенням тепла. Такі переходи називаються фазовими переходами другого роду.

2.3.2. Випаровування, плавлення, конденсація, кристалізація

У рідких і твердих тілах за будь-якої температури, є деяка кількість молекул, енергія яких виявляється достатньою для того, щоб подолати притягання до інших молекул, покинути поверхню рідини чи твердого тіла і перейти в газоподібну фазу. Перехід рідини в газоподібний стан називається випаровуванням, перехід в газоподібний стан твердого тіла – сублімацією.

Рис. 1

При випаровуванні і сублімації тіло покидають найшвидші молекули, внаслідок чого середня швидкість решти зменшується і тіло охолоджується. Щоб підтримувати температуру тіла, що випаровується (або сублімує), незмінною, до нього необхідно неперервно підводити тепло.

Тепло Q, яке необхідно надати одиниці маси речовини для того, щоб перетворити її в пару, що знаходиться при тій самій температурі, яку мала речовина до випаровування, називають питомою теплотою випаровування.

При конденсації тепло, затрачене при випаровуванні, віддається назад: рідина (чи тверде тіло), утворене при конденсації, нагрівається.

Перехід кристалічного тіла в рідкий стан відбувається при певній температурі для кожної речовини і потребує затрати деякої кількості тепла, що називається теплотою плавлення.

Рис. 2

Якщо речовині, що в початковий момент знаходиться в кристалічному стані, надавати щосекунди одну і ту ж саму кількість тепла, то зміна температури з часом буде змінюватись за законом T=f(t).

Спочатку температура тіла весь час зростає. При досягненні температури плавлення (т.1), не дивлячись на те, що до тіла продовжується підвід тепла, його температура перестає змінюватись. Одночасно починається процес плавлення твердого тіла, під час якого все нові й нові порції речовини перетворюються в рідину. Після того, як процес плавлення буде завершено і вся рідина повністю перейде в рідкий стан (т.2), температура знову почне підвищуватись.

Температура плавлення залежить від тиску. На діаграмі стану (p,T) крива плавлення йде дуже круто.

Обернений плавленню процес кристалізації відбувається наступним чином: при охолодженні рідини до температури, при якій тверда і рідка фази можуть знаходитись в рівновазі при даному тиску, починається одночасний ріст кристалів навколо так званих зародків чи центрів кристалізації. Розростаючись все більше, окремі кристали врешті-решт злипаються один з одним, утворюючи полікристалічне тверде тіло.

Процес кристалізації супроводжується виділенням такої ж кількості теплоти, яка поглинається при плавленні.