Змістовий модуль 6. Рівновага фаз та фазові переходи

Фазові переходи. Рівновага рідини та пари. Вологість повітря. Рівняння Клапейрона-Клаузіуса. Розчини. Осмотичний тиск.

І розділ Основні поняття і визначення

Речовина може перебувати в різних фазах.

ФАЗА — однорідна система з однаковими фізичними властивостями в усіх її частинах. Газ, рідина, кристал і його алотропні модифікації — усе це різні фази однієї і тієї самої речовини.

Основні особливості фаз:

1. Фази завжди мають фізичні межі стикання з іншими фазами цієї самої або іншої речовини.

2. Кожна фаза має обмежену термодинамічну область існування. Справді, за кімнатної температури й атмосферного тиску вода може існувати у вигляді рідини або газу і не може існувати у вигляді льоду.

ФАЗОВА РІВНОВАГА — стійке співіснування двох або кількох фаз. ФАЗОВИЙ ПЕРЕХІД — пряме і зворотне перетворення однієї фази в іншу. ТОЧКА ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДУ — стан, за якого здійснюється перехід.

Приклади фазових перетворень:

ВИПАРОВУВАННЯ і КОНДЕНСАЦІЯ — перехід рідини в газ і навпаки. ПЛАВЛЕННЯ і ТВЕРДІННЯ — перехід кристала в рідину і навпаки. СУБЛІМАЦІЯ і ДЕСУБЛІМАЦІЯ — перехід кристала в газ і навпаки.

Іі розділ фазовий перехід

На прикладі явища конденсації газів можна побачити, що можуть бути два різних стани однієї і тієї ж речовини, при одних і тих же температурі і тиску. Стани ці різняться своїми властивостями.

Взагалі, якщо система поділяється на однорідні частини, що межують одна з одною і перебувають у різних фізичних станах, то ці частини називають фазами системи.

Я кщо дві або більше різних фаз речовини при даних темпе­ратурі і тиску існують одночасно, стикаючись одна з одною, і як­що при цьому маса однієї з фаз не зростає за рахунок іншої, то говорять про фазову рівновагу. Перехід речовини з одного ета­пу (фази) в іншу називається фазовим переходом, або фазовим перетворенням. Кількість фаз, які можуть перебувати в рівновазі, може бути різна і залежить від складу речовини.

Конденсація газу, як і зворотний процес — перехід рідини в пару (випаровування), є приклади фазових переходів. Як відо­мо, речовина може перебувати ще її у третьому стані — твердому. Перехід газу або рідини в твердий стан — теж фазовий перехід. Але відміна твердого стану від рідко­го або газоподібного значно глибша, ніж різниця між рідким і газоподібним станом.

Перевести речовину з газоподібного в рід­кий стан можна, підвищуючи її тиск при даній температурі, якщо ця температура нижча за критичну. Якщо температура перевищує Т_к, то потрібне попереднє охолодження. При такому перетворен­ні речовина повинна пройти через проміжну область двофазного стану, коли пара і рідина існують і межують одна з одною.

П роте можна здійснити цей перехід і минаючи цю область двофазних станів. Інакше кажучи, можна перетворити газ у рів ну (або навпаки) без того, щоб у якийсь момент існували обидві фази. Наприклад, щоб газ, який характеризується об'ємом V тиском р₀ і температурою Т_о (див. рис. 5. 6), перетворити в рідину при тій самій температурі і тиску, але звичайно, з іншим об'ємом V_о, можна зробити так. Треба нагріти газ до температурі вищої від критичної, після чого стиснути так, щоб його об'єм дорівнював V_о'. Нарешті, зберігаючи сталий об'єм, треба охолодити газ до температури Т_о. Тиск його при цьому дорівнюватиме .Таким чином, ми можемо перетворити газ у рідину «в обхід» області двофазних станів, так що не буде такого проміжного стану, при якому з'явиться межа між рідиною і парою (меніск). Якщо, наприклад, треба перетворити вуглекислий газ при температурі 21,5° С і тиску 50 атм в рідку вуглекислоту при тій самі температурі, то спочатку треба нагріти газ до температури вищої від 31,4° С, наприклад, до 32° С. При цій температурі газ треба стиснути так, щоб його об'єм (питомий) дорівнював 1,5 м³/г. Тиск його при цьому відповідно зросте. Після цього охолодження до 21,5° С приведе до перетворення всього газу в рідкий стан.

Можливість безперервного переходу з газоподібного в рідкий стан, минаючи стадію одночасного існування обох фаз, показує що між ними немає принципової якісної різниці. Самий факт існування критичного стану свідчить про те, що в певних умовам рідкий і газоподібний стани не можна відрізнити. Тому часто і говорять про безперервний перехід між ними. Перехід з твердого в рідкий або газоподібний стан не можна здійснити аналогічно, тобто так, щоб при певній температурі і тиску не існували одночасно дві фази речовини.