6

Лекция № 11 Фазовые равновесия и фазовые превращения

Механическая и термическая устойчивость вещества

В термодинамике фазой называется совокупность однородных, одинаковых по своим свойствам, частей системы. При определенных условиях разные фазы одного и того же вещества могут находиться в равновесии друг с другом, соприкасаясь между собой. Равновесие более чем трех фаз одного и того же вещества невозможно.

Переход из одной фазы в другую обычно сопровождается поглощением или выделением некоторого количества тепла, которое называется теплотой перехода.

У словие механической устойчивости вещества

, и наоборот - , (где P – давление, V- объем).

Условие термической устойчивости вещества

Перенос тепла осуществляется от более нагретого тела к менее нагретому ( ). Сопровождается это понижением температуры. Следовательно, . Иной перенос тепла невозможен. Это условие выполняется всегда.

Удельные теплоты фазовых переходов

В жидких и твердых телах всегда имеется некоторое количество молекул, энергия которых оказывается достаточной, чтобы покинуть поверхность тела и перейти в газообразную фазу.

Переход жидкости в газообразное состояние называется испарением, переход твердого тела в газообразное состояние называется сублимацией.

При испарении и сублимации тело покидают наиболее быстрые молекулы, средняя энергия оставшихся молекул уменьшается и тело охлаждается. Переход жидкости в пар сопровождается поглощением тепла.

Тепло, которое надо сообщить единице массы вещества, чтобы перевести его в другое фазовое состояние, называется удельной теплотой фазового перехода.

При испарении жидкости молекулы совершают работу против сил, действующих в поверхностном слое толщиной r

,

где f - средняя величина силы;

n – число молекул в единице массы.

Кроме этого, совершается работа, связанная с увеличением объема вещества

,

где V_П - удельный объем пара;

V_Ж - удельный объем жидкости.

А₁ и А₂ совершаются за счет теплоты испарения q.

_.

с ростом Т. Следовательно . , плотность молекул пара меньше, чем жидкости.

Наряду с испарением протекает и обратный переход из газообразной фазы в жидкую, называемый конденсацией.

Конденсация жидкости увеличивается по мере возрастания плотности молекул в пространстве над жидкостью, т.е. . При достижении некоторого Р количество молекул, покидающих жидкость равно количеству молекул, возвращающихся в жидкость. Плотность пара не изменяется , , где Р_нас – давление насыщения.

• В открытом сосуде испарение происходит тем быстрее, чем больше площадь открытой поверхности.

• В закрытом сосуде интенсивность испарения тем больше, чем дальше от состояния насыщения пар над поверхностью жидкости.

При конденсации и . Переход сопровождается выделением тепла. Плотность жидкости больше, чем плотность пара.

Все сказанное о равновесии между жидкостью и газом справедливо и для системы твердое тело-газ.

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением, а обратный переход – отвердеванием. Процесс плавления происходит с поглощением энергии и требует затраты некоторого количества тепла, которое называют теплотой плавления. Следовательно, и .

При сообщении веществу тепла его температура Т растет в зависимости от времени по следующему закону.

М ежду жидкой и твердой фазой осуществляется непрерывный теплообмен, приводящий к вы-равниванию температур. Вещество в твердом состоянии не может существовать при Т > Т_пл, поэтому, пока все твердое тело не перейдет в жидкость его Т = Т_пл.

Подводимое количество теплоты идет на выполнение работы по разрушению кристаллической решет-ки, т.е. на увеличение W_пот молекул вещества.

Величина, измеряемая количеством теплоты, необходимым для плавления единицы массы твердого тела при Т = Т_пл, называется удельной теплотой плавления _.

Некоторые вещества могут находиться в так называемом аморфном состоянии, имеющем структуру ближнего порядка, но не обладающем основным свойством жидкости – текучестью.

При увеличении температуры эти вещества стремятся к жидкостям, и (происходит поглощение тепла).

Кристаллизация происходит при той же температуре, что и плавление. При расчете количества теплоты, выделившегося при кристаллизации, также пользуются формулой

.

При охлаждении жидкости до температуры, когда фазы жидкого и твердого тела уравновешивают друг друга, начинается одновременный рост кристалликов вокруг зародышей или центров кристаллизации.

Центрами кристаллизации могут служить взвешенные в жидкости твердые частицы.

Процесс кристаллизации сопровождается выделением такого же количества тепла, какое поглощается при плавлении. , т.к. плотность твердого тела больше, чем жидкости.

Существуют переходы из одной кристаллической модификации в другую, которые не связаны с поглощением или выделением тепла. Они называются фазовыми переходами второго рода. Для них , .

Все сказанное выше можно свести в таблицу:

Фазовые переходы	Процессы	Изменения
		теплоты	плотности
І рода	Испарение Конденсация
І рода	Плавление Кристаллизация
ІІ рода	Структурные превращения