Фазовые равновесия и превращения
Фазы как кристаллические модификации вещества. Поглощение или выделение теплоты при фазовых превращениях. Уравнения Клайперона-Клаузиуса для фазовых превращений первого рода. Диаграмма состояния для вещества с несколькими кристаллическими модификациями.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лекция |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 17.07.2013 |
| Размер файла | 236,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Фазовые равновесия и превращения
Содержание
Введение
1. Фазовые превращения реального газа
2. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса и фазовая диаграмма для превращения Ж«Г
3. Уравнение Клайперона-Клаузиуса и фазовая диаграмма для превращения Т«Ж
4. Уравнение Клайперона-Клаузиуса и фазовая диаграмма для превращения Т«Г. Тройная точка. Диаграмма состояния
Введение
В термодинамике фазой называется совокупность однородных, одинаковых по своим свойствам частей системы. Поясним понятие фазы на следующих примерах. В закрытом сосуде находится вода и над ней смесь воздуха и паров воды. В этом случае мы имеем дело с системой, состоящей из двух фаз: одну фазу образует вода, вторую - смесь воздуха и паров воды. Если в воду добавить несколько кусочков льда, то все эти кусочки образуют третью фазу. Различные кристаллические модификации какого-либо вещества также представляют собой разные фазы. Так, например, алмаз и гранит является различными твердыми фазами углерода.
При определенных условиях разные фазы одного и того же вещества могут находиться в равновесии друг с другом, соприкасаясь между собой. Равновесие двух фаз может иметь место лишь в определенном интервале температур, причем каждому значению температуры Т соответствует вполне определенное давление Р, при котором возможно равновесие. Таким образом, состояние равновесия двух фаз изобразится на диаграмме (Р,Т) линией
Переход из одной фазы в другую обычно сопровождается поглощением или выделением некоторого количества теплоты, которое называется скрытой теплотой перехода, или просто теплотой перехода. Такие переходы называются фазовыми переходами первого рода. Существуют переходы из одной кристаллической модификации в другую, которые не связаны с поглощением или выделением теплоты. Такие переходы называются фазовыми переходами второго рода. Фазовые переходы второго рода не исчерпываются переходами между различными кристаллическими модификациями. К их числу принадлежит переход в сверхпроводящее состояние, совершаемый в отсутствие магнитного поля, а также переход между двумя жидкими фазами гелия, называемыми гелием I и гелием II. Мы ограничимся рассмотрением только переходов первого рода.
Классификацию фазовых переходов первого рода удобно провести с помощью следующей блок схемы:
Рис. 1: 1. плавление; 2. кристаллизация; 3. испарение; 4. конденсация; 5. конденсация; 6. сублимация.
Теплота фазового превращения Q пропорциональна изменению массы фазы m, т.е.
- удельная теплота фазового превращения.
1. Фазовые превращения реального газа
вещество кристалл фаза
Рассмотрим процесс сжатия вещества при постоянной температуре Т, которую выберем ниже критической Ткр. Первоначально вещество предполагают газообразным. Вначале по мере уменьшения объема давление газа будет расти (рис. 2).
Рис. 2
По достижении объема Vг давление перестает быть однородным - часть газа конденсируется в жидкость. Происходит расслоение вещества на две фазы: жидкую и газообразную. По мере дальнейшего уменьшения объема все большая часть вещества переходит в жидкую фазу, причем переход осуществляется при постоянном давлении Рн.п. (давлении насыщенного пара). После того как процесс конденсации вещества заканчивается (это происходит при достижении объема Vж), дальнейшее уменьшение объема начинает сопровождаться быстрым ростом давления.
На рис. 2 штриховой линией изображена изотерма Ван-дер-Ваальса, соответствующие данной температуре. Если проведем линию через крайние точки горизонтальных участков экспериментальных изотерм, получается колоколообразная, кривая, ограничивающая область двухфазных состояний вещества. Нарисуем на диаграмме (P, V) также изотерму, соответствующую критической температуре Ткр. Тогда колоколообразная кривая и критическая изотерма делят диаграмму (P, V) на четыре области (рис. 3).
Рис. 3
Под колоколообразной кривой располагается область двухфазных состояний (жидкость + пар). Область, лежащая слева от колоколообразной кривой, представляет собой область однородных жидких состояний, и наконец, область, лежащая справа от колоколообразной кривой и верхней ветви критической изотермы, представляет собой область однородных газообразных состояний вещества. Здесь можно особо выделить часть лежащую под правой ветвью критической изотермы, назвав ее областью пара. Любое состояние в этой области отличается от остальных газообразных состояний в том отношении, что при изометрическом сжатии вещества, первоначально находившееся в таком состоянии, претерпевает процесс сжатия. Вещество, находящееся в одном из состояний при температуре выше критической, не может быть сжижено никаким сжатием. Подразделение газообразных состояний на газ и пар не является общепринятым, поэтому в дальнейшем мы оба этих состояний будем называть газом.
2. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса и фазовая диаграмма для превращения ЖГ
Как уже указывалось, две любые фазы вещества могут находиться в равновесии лишь при определенном давлении, величина которого зависит от температуры. Общий вид этой зависимости можно получить, воспользовавшись методом циклов Карно. Возьмем две близко расположенные изотермы реального газа при температурах Т и Т =Т - dT. Построим на этих изотермах цикл Карно, как показано на рис.4.
Рис. 4
По теореме Карно имеем
(1)
В случае элементарного цикла Карно
.
Подставляя это в уравнение (1), получим
(2)
Представим входящие в (2) величины следующим образом
Q = н r, V1 = н Vж, V2 = н Vг,
где r - теплота испарения 1 моля жидкости,
Vж - объем 1 моля жидкости,
Vг - объем 1 моля газа.
Тогда уравнение (2) примет вид:
. (3)
Оно называется уравнением Клайперона-Клаузиуса для фазового превращения ЖГ.
Фазовая диаграмма - это график, выражающий кривую Р = Р(Т), на которой две фазы находятся в равновесии. Уравнение Клайперона-Клаузиуса (3) определяет характер этой кривой.
Поскольку (Vг-Vж)0, то 0, т.е. повышение температуры приводит к увеличению равновесного давления.
Возьмем вещество в виде жидкости и находящегося в равновесии с ней насыщенного пара и, не изменяя объема, станем отнимать от него тепло. Этот процесс будет сопровождаться понижением температуры вещества и соответственно уменьшением давления. Поэтому точка, изображающая состояние вещества не диаграмме (Р, Т), перемещается вниз по кривой Р = Р(Т). Это продолжается до тех пор, пока не будет достигнута температура кристаллизации вещества, отвечающая равновесному значению давления (рис. 5).
Рис. 5
Обозначим эту температуру Ттр. Все время, пока идет процесс кристаллизации, температура и давление остаются неизменными. Отводимая при этом теплота представляет собой теплоту, выделяющуюся при кристаллизации. Температура Ттр и соответствующее равновесное давление Ртр - единственные значения температуры и давления, при которых могут находится в равновесии три фазы вещества: твердая, жидкая и газообразная. Соответствующая точка на диаграмме Р(Т) называется тройной точкой А.
3. Уравнение Клайперона-Клаузиуса и фазовая диаграмма для превращения ТЖ
Уравнение Клайперона-Клаузиуса в этом случае имеет вид аналогичный уравнению (3)
(4)
где l - теплота плавления 1 моля твердого тела,
объем 1 моля жидкости,
объем 1 моля твердого тела.
Р = Р(Т) - фазовая диаграмма, т.е. условие равновесия фаз. Обычно VжVт, и поэтому 0, но для некоторых веществ (например, вода, чугун) VжVт, и тогда 0. вид фазовых диаграмм, для обоих случаев показан на рис.6а и рис.6б.
Рис. 6
4. Уравнение Клайперона-Клаузиуса и фазовая диаграмма для превращения ТГ. Тройная точка. Диаграмма состояния
Возьмем вещество, которое находится в состоянии, когда три фазы вещества находятся в равновесии, т.е. в состоянии, заданным тройной точкой А. Будем продолжать отнимать от вещества теплоту. По окончании процесса кристаллизации в равновесии будут находиться твердая и газообразная фазы. И если и дальше продолжать отнимать теплоту, то температура снова начнет понижаться. Соответственно уменьшается давление паров, находящихся в равновесии с кристаллической фазой. Точка, изображающая состояние вещества будет перемещаться вниз по фазовой диаграмме ТГ.
Уравнение Клайперона-Клаузиуса для фазового превращения ТГ имеет вид
(5)
где r - теплота сублимации 1 моля твердого тела,
Vт объем 1 моля твердого тела,
Vг объем 1 моля газа (пара).
Поскольку Vг Vт, то 0, т.е. фазовая диаграмма имеет вид возрастающей кривой. Далее в этом случае Vг Vт, и можно положить Vг Vт Vг=V.
Из уравнения состояния идеального газа
.
Тогда уравнение (5) примет вид
или . (6)
Это уравнение с разделяющими переменными:
. (7)
Решение уравнения (7) имеет вид:
,
или учитывая, что
,
, (8)
где энергия связи отдельно атома с кристаллом.
Вид фазовой диаграммы Р=Р(Т) для превращения ТГ приведен на рис. 7.
Рис. 7
Как видно из рис. 7, все три фазовые диаграммы сходятся в одной точке (тройной точке А) и разбивают координатную плоскость на три области: область твердой фазы, область жидких состояний и область газообразных состояний вещества. Любая точка в одной из этих областей изображает соответствующее однофазное состояние вещества. Всякая точка, лежащая на одной из разграничивающих области кривых, изображает состояние равновесия двух соответствующих фаз вещества. Тройная точка изображает состояние равновесия всех трех фаз. Таким образом, каждая точка на диаграмме изображает определенное равновесное состояние вещества. Поэтому ее называют диаграммой состояния.
Рис. 8
Для вещества с несколькими кристаллическими модификациями диаграмма состояния имеет более сложный характер. На рис. 8 изображена диаграмма для случая, когда число различных кристаллических модификаций равно двум. В этом случае имеются две тройные точки. В точке А в равновесии находятся жидкость, газ и первая кристаллическая модификация вещества, в точке А находятся в равновесии жидкость и обе кристаллические модификации.
Диаграмма состояния для каждого конкретного вещества строится на основе экспериментальных данных. Зная диаграмму состояния, можно предсказать, в каком состоянии будет находиться вещество при различных условиях (при различных значениях Р и Т), а также какие превращения будет претерпевать вещество при различных процессах.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Отклонение газов от идеальности. Формула Ван-дер-Ваальса. Термодинамические величины классической плазмы. Критические явления при фазовых переходах. Фазовые переходы и метастабильные состояния. Кинетика фазовых переходов и проблема роста квазикристаллов.
реферат [555,8 K], добавлен 07.02.2016Понятие фазового перехода и твердой растворимости. Типы фазовых диаграмм. Системы, их значение в микроэлектронике. Фазовые диаграммы, в которых в качестве одной из компонент фигурирует именно кремний. Двухфазная диаграмма и процесс отвердевания.
реферат [1,1 M], добавлен 23.06.2010Основные положения молекулярной теории строения вещества. Скорость движения молекул вещества. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Процесс интенсивного парообразования. Температура кипения и давление. Поглощение теплоты при кипении.
презентация [238,0 K], добавлен 05.02.2012Понятие и содержание процесса фазового перехода первого рода как изменения агрегатного состояния вещества. Основные стадии данного перехода и его особенности, физическое обоснование и закономерности. Сущность теории Зельдовича. Бистабильная система.
презентация [199,0 K], добавлен 22.10.2013Законы механики и молекулярной физики, примеры их практического использования. Сущность законов Ньютона. Основные законы сохранения. Молекулярно-кинетическая теория. Основы термодинамики, агрегатные состояния вещества. Фазовые равновесия и превращения.
курс лекций [1,0 M], добавлен 13.10.2011Газообразное состояние вещества. Молекулярно-кинетическая теория. Идеальный газ. Квантовая статистика при низких температурах. Уравнение Менделеева-Клайперона, Бойля-Мариотта, Гей-Люссака. Каноническое распределение Гиббса, Максвелла и Больцмана.
презентация [353,7 K], добавлен 22.10.2013Воспроизведение амплитуды и фазы световых волн с помощью голографии, выход за пределы возможностей линзовых и зеркальных оптических систем. Экспериментальные исследования возможностей применения фазовых модуляторов света для решения прикладных задач.
дипломная работа [5,9 M], добавлен 17.09.2012Современные достижения и объективные ограничения в исследованиях экстремальных состояний вещества. Экстремальные состояния вещества. Состояние вещества в ходе ядерных, термоядерных и пикноядерных реакций. "Черные дыры".
курсовая работа [116,0 K], добавлен 26.02.2003Достижение упорядоченности путем избавления системы от тепловой энергии. Агрегатные состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Организация атомов в кристаллах, свойства сверхпроводимости и магнетизма. Ферромагнетики в условиях фазовых переходов.
реферат [475,1 K], добавлен 26.09.2009Процесс превращения пара в жидкость. Расчет количества теплоты, необходимого для превращения жидкости в пар. Температура конденсации паров вещества. Конденсация насыщенных паров. Определение теплоты фазового перехода при квазистатическом процессе.
презентация [784,4 K], добавлен 25.02.2015Структурное строение молекул воды в трех ее агрегатных состояниях. Разновидности воды, её аномалии, фазовые превращения и диаграмма состояния. Модели структуры воды и льда а также агрегатные виды льда. Терпературные модификации льда и его молекул.
курсовая работа [276,5 K], добавлен 12.12.2009Описание реальных газов в модели идеального газа. Особенности расположения молекул в газах. Описание идеального газа уравнением Клапейрона-Менделеева. Анализ уравнения Ван-дер-Ваальса. Строение твердых тел. Фазовые превращения. Диаграмма состояния.
реферат [1,1 M], добавлен 21.03.2014Применение программы Thermo-Calc для расчета многокомпонентных диаграмм состояния. Расчет политермических разрезов (нелучевых и лучевых). Определение неравновесной кристаллизации в программе Thermo-Calc по модели Sheil, температура равновесного ликвидуса.
контрольная работа [7,0 M], добавлен 12.01.2016Жидкая и газообразная фазы вещества. Экспериментальное исследование Томаса Эндрюса фазового перехода двуокиси углерода. Взаимодействие молекул друг с другом и давление фазового перехода. Непрерывность газообразного и жидкого состояния вещества.
презентация [306,3 K], добавлен 23.04.2013Стационарная задача теплопроводности. Понятие термического сопротивления. Вынужденный конвективный теплообмен при обтекании плоской пластины, одиночного цилиндра, сферы и пучков труб. Радиационные свойства газов. Теплообмен при фазовых превращениях.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 01.07.2010Термодинамические процессы в сухом и влажном воздухе. Термодинамические процессы фазовых переходов. Уравнение Клаузиуса-Клапейрона. Уравнение переноса водяного пара в атмосфере. Физические процессы образования облаков. Динамические процессы а атмосфере.
реферат [487,9 K], добавлен 28.12.2007Фазами называют однородные различные части физико-химических систем. Фазовые переходы первого и второго рода. Идеальные и реальный газы. Молекулярно – кинетическая теория критических явлений. Характеристика сверхтекучести и сверхпроводимости элементов.
реферат [32,3 K], добавлен 13.06.2008Понятие и основные черты конденсированного состояния вещества, характерные процессы. Кристаллические и аморфные тела. Сущность и особенности анизотропии кристаллов. Отличительные черты поликристаллов и полимеров. Тепловые свойства и структура кристаллов.
курс лекций [950,2 K], добавлен 21.02.2009Концепция фазовых проницаемостей, ее сущность и содержание, методы определения. Определение главных факторов, влияющих на фазовые проницаемости коллекторов нефти и газа, направления использования полученных в результате исследований данных веществ.
курсовая работа [344,0 K], добавлен 04.05.2014Исследование газообразного состояния вещества, в котором частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия. Изучение плазмы, частично или полностью ионизированного газа, в котором плотности отрицательных и положительных зарядов одинаковы.
презентация [477,5 K], добавлен 19.12.2011
