Фазові та агрегатні перетворення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чернігівський національний педагогічний університет імені Т.Г.Шевченка

Кафедра Фізики та астрономії

КУРСОВА РОБОТА

з загальної фізики

на тему: «Фазові та агрегатні перетворення»

Студента 3 курсу 35 групи

Кобця С.О.

Керівник Шморгун А.В.

Чернігів 2015 рік



План

Введення

1. Фазові та агрегатні перетворення

2. Агрегатні стани

2.1 Агрегатний стан речовини - газ

2.2 Агрегатний стан речовини - рідина

2.3 Агрегатний стан речовини - тверде тіло

2.4 Четверте стан речовини - плазма

2.5 Зміна агрегатних станів речовини

3. Фазові переходи

3.1 Фазові переходи першого і другого роду

3.2 Фази речовини

3.3 Приклади фазових перетворень. Випаровування, сублімація, плавлення та кристалізація

Висновок

Список використаних джерел

фазовий агрегатний речовина перехід



Введення

Фазами називають однорідні різні частини фізико-хімічних систем. Однорідним є речовина, коли всі параметри стану речовини однакові у всіх його обсяги, розміри яких великі порівняно з міжатомними станами. Суміші різних газів завжди становлять одну фазу, якщо в усьому обсязі вони знаходяться в однакових концентраціях.

Одна і та ж речовина в залежності від зовнішніх умов може бути в одному з трьох агрегатних станів - рідкому, твердому чи газоподібному паливі. У залежності від зовнішніх умов може перебувати в одній фазі, або відразу в декількох фазах. У навколишній природі ми особливо часто спостерігаємо фазові переходи води.

Наприклад: випаровування, конденсація. Існують такі умови тиску і температури, при яких речовина знаходиться в рівновазі в різних фазах. Наприклад, при зріджуванні газу в стані рівноваги фаз обсяг, може бути яким завгодно, а температура переходу пов'язана з тиском насиченої пари. Температури, при яких відбуваються переходи з однієї фази в іншу, називаються температурами переходу. Вони залежать від тиску, хоча і в різному ступені: температура плавлення - слабше, температура пароутворення і сублімації - сильніше. При нормальному і постійному тиску перехід відбувається при певному значенні температури, і тут мають місце точки плавлення, кипіння і сублімації.

Сублімація - це перехід речовини із твердого стану в газоподібний можна спостерігати, наприклад, в оболонках кометних хвостів. Коли комета знаходиться далеко від сонця, майже вся її маса зосереджена в її ядрі, що має розміри 10-12 кілометрів. Ядро, оточене оболонкою газу - це так звана голова комети. При наближенні до Сонця ядро і оболонки комети починають нагріватися, ймовірність сублімації зростає, а десублімації - зменшується. Вириваючись з ядра комети гази захоплюють за собою і тверді частинки, голова комети збільшується в об'ємі і стає газопилової за складом.

1. Фазові та агрегатні перетворення

Розглядаючи ізотерми Ван-дер-Ваальса, ми бачили, що частина ізотерми відповідала газоподібному стану, а частина - рідкому стану. Сукупність однорідних частин, на які розпадається система, називають фазами.

Фаза - термодинамічно рівноважний стан речовини, що відрізняється за фізичними властивостями від інших можливих рівноважних станів тієї ж речовини. Якщо, наприклад, у закритій судині знаходиться вода, то ця система є двофазною: рідка фаза - вода; газоподібна фаза - суміш повітря з водяними парами. Якщо у воду кинути шматочки льоду, то ця система стане трифазною, з'явився лід, який є твердою фазою. Часто поняття «фаза» застосовують в сенсі агрегатного стану, але треба враховувати, що воно ширше, ніж поняття «агрегатний стан».

Агрегатні стани - стани однієї і тієї ж речовини, переходи між якими супроводжуються стрибкоподібною зміною її фізичних властивостей. Речовина може бути в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому і газоподібному (іноді називають ще четвертий стан - плазму). В межах одного агрегатного стану речовина може знаходитися в декількох фазах, що відрізняються за своїми властивостями, складом і будовою (лід, наприклад, зустрічається в п'яти різних модифікаціях - фазах).

Перехід речовини з однієї фази в іншу - фазовий перехід - завжди пов'язаний з якісними змінами властивостей речовини. Прикладом фазового переходу можуть служити зміни агрегатного стану речовини або переходи, пов'язані із змінами у складі, будові й властивостях речовини (наприклад, перехід кристалічної речовини з однієї модифікації в іншу).



2. Агрегатні стани

2.1 Агрегатний стан речовини - газ

Гази (французьке gaz; назву запропоновано голанським вченим Я. Б. Гельмонтом), агрегатний стан речовини, в якому його частки не пов'язані або дуже слабко пов'язані силами взаємодії і рухаються вільно, заповнюючи весь наданий їм об'єм. Речовина в газоподібному стані широко поширене в природі. Гази утворюють атмосферу Землі, в значних кількостях містяться в твердих породах земних, розчинені у воді океанів, морів і річок. Сонце, зірки, хмари міжзоряного речовини складаються з газів - нейтральних або іонізованних (плазми). В природних умовах гази являють собою, як правило, суміші хімічно індивідуальних газів.

Мають ряд характерних властивостей. Вони повністю заповнюють посудину, в якому знаходяться, і приймають його форму. На відміну від твердих тіл і рідин, об'єм газів істотно залежить від тиску й температури. Коефіцієнт об'ємного розширення газів у звичайних умовах (0-100 ° С) на два порядки вище, ніж у рідин, і становить у середньому 0,003663 град ^-1.

Будь-яку речовину можна перевести в газоподібний стан належним добором тиску і температури. Тому можливу область існування газоподібного стану графічно зручно зобразити у змінних: тиск - р, температура - Т. При температурах нижче критичної Т _до ця область обмежена кривими сублімаціями (пароутворення). Це означає, що при будь-якому тиску нижче критичного р _до існує температура Т, обумовлена ??кривою сублімацією або пароутворення, вище якої речовина стає газом. Газ в цих станах зазвичай називають паром речовини.

При температурах нижче Т _к можна сконденсувати гази - перевести в інший агрегатний стан (твердий або рідкий). При цьому фазове перетворення газу в рідину або тверде тіло відбувається стрибкоподібно: дуже мала зміна тиску призводить до кінцевого зміни ряду властивостей речовини (наприклад, щільності, ентальпії, теплоємності та ін.) Процеси конденсації газів, особливо скраплення газів, мають важливе технічне значення.

У зв'язку з тим, що область газового стану дуже обширна, властивості газів при зміні температури і тиску можуть змінюватися в широких межах. Так, в нормальних умовах (при 0 ° С і атмосферному тиску) щільність газів приблизно в 1000 разів менше щільності тієї ж речовини в твердому або рідкому стані. При кімнатній температурі, але тиску, в 10 ¹⁷ разів меншим атмосферного (межа, досягнутий сучасної вакуумної технікою), щільність газів становить близько 10 ^-20 г / см ^3. У космічних умовах щільність газів може бути ще на 10 порядків менше (~ 10 ^{- 30} / см ^3).

З іншого боку, при високих тисках речовина, яка при надкритичних температурах можна вважати газом, володіє величезною щільністю (наприклад, в центрі деяких зірок ~ 10 ⁹ г / см ^3). Залежно від умов в широких межах змінюються й інші властивості газів - теплопровідність, в'язкість і т. д.

Молекулярно-кінетична теорія газів. Молекулярно-кінетична теорія розглядає гази як сукупність слабо взаємодіючих частинок (молекул або атомів), що знаходяться в безперервному хаотичному (тепловому) русі. На основі цих простих уявлень кінетичної теорії вдається пояснити основні фізичні властивості газів, особливо повно - властивості розріджених газів.

У досить розріджених газів середні відстані між молекулами виявляються значно більше радіуса дії міжмолекулярних сил. Так, наприклад, при нормальних умовах в 1см ³ газу знаходиться молекул і середня відстань між ними складає ~ 10 ^-6 см.

2.2 Агрегатний стан речовини - рідина

Рідина, агрегатний стан речовини, проміжне між твердим і газоподібним станами Р., зберігаючи окремі риси як твердого тіла, так і газу, має, проте, поряд лише їй властиві особливості, з яких найбільш характерна - плинність. Подібно до твердого тіла, Р. зберігає свій об'єм, має вільну поверхню, володіє певною міцністю на розрив при всебічному розтягуванні і т. д. З іншого боку, узята в достатній кількості Р., приймає форму посудини, в якій знаходиться. Принципова можливість безперервного переходу Р. в газ також свідчить про близькість рідкого і газоподібного станів.

За хімічним складом розрізняють однокомпонентні, або чисті. Р. і дво-або багатокомпонентні рідкі суміші (розчини). За фізичну природу Р. діляться на нормальні (звичайні), рідкі кристали з сильно вираженою анізотропією (залежністю властивостей від напрямку) і квантові рідини - рідкі ⁴ He, ³ He та їх суміші - зі специфічними квантовими властивостями при дуже низьких температурах. Нормальні чисті Р. мають тільки одну рідку фазу (тобто існує один єдиний вид кожної нормальної Р.). Гелій ⁴ He може знаходитися в двох рідких фазах - нормальної й надтекучої, а рідкокристалічні речовини - в нормальній і одній або навіть двох анізотропних фазах.

Спільним для всіх нормальних речовин Р., в тому числі і для сумішей, є їх макроскопічна однорідність і ізотропность при відсутності зовнішніх впливів. Ці властивості зближують Р. з газами, але різко відрізняють їх від анізотропних кристалічних твердих тіл. Аморфні тверді тіла (наприклад, скла), з сучасної точки зору, є переохолодженими Р. і відрізняються від звичайних Р. тільки чисельними значеннями кінетичних характеристик (істотно більшою в'язкістю та ін.) Область існування нормальної рідкої фази обмежена з боку низьких температур фазовим переходом в твердий стан - кристалізацією або (залежно від величини прикладеного тиску) фазовим переходом в надтекучий стан для ⁴ He і в рідко-анізотропному стані для рідких кристалів. При тисках нижче критичного тиску р_о нормальна рідка фаза обмежена з боку високих температур фазовим переходом в газоподібний стан - випаровуванням. При тисках р> р_о фазовий перехід відсутній і за своїми фізичними властивостями Р. в цій області не відрізняється від щільного газу. Найвища температура T _k, при якій ще можливий фазовий перехід Р.- газ, називається критичною.

Значення p _k ? І T _k визначають критичну точку чистої Р., в якій властивості Р. і газу стають тотожними. Наявність критичної точки для фазового переходу - газ дозволяє здійснити безперервний перехід з рідкого стану в газоподібний, минаючи область, де газ і Р. співіснують. Таким чином, при нагріванні або зменшення щільності властивості Р. (теплопровідність, в'язкість, Самодифузія та ін), як правило, змінюються у бік зближення з властивостями газів. Поблизу ж температури кристалізації більшість властивостей нормальних Р. (щільність, стисливість, теплоємність, електропровідність і т. д.) близькі до таких же властивостей відповідних твердих тіл. У табл. наведені значення теплоємності при постійному тиску (С _р) ряду речовин в твердому і рідкому станах при температурі кристалізації. Мала відмінність цих теплоємностей показує, що тепловий рух в і твердих тілах поблизу температури кристалізації має приблизно однаковий характер.

Молекулярна теорія рідини. За своєю природою сили міжмолекулярної взаємодії в Р. і кристалах однакові і мають приблизно однакові величини. Наявність у Р. сильного міжмолекулярної взаємодії обумовлює, зокрема, існування поверхневого натягу на межі Р. з будь-яким іншим середовищем. Завдяки поверхневому натягу Р. прагне прийняти таку форму, при якій її поверхня (при даному обсязі) мінімальна. Невеликі обсяги Р. мають зазвичай характерну форму краплі. У відсутності зовнішніх сил, коли діють тільки міжмолекулярні сили (наприклад, в умовах невагомості), Р. набуває форми кулі. Вплив поверхневого натягу на рівновагу і рух вільної поверхні Р., меж Р. з твердими тілами або меж між не змішуювачимися Р., відноситься до області капілярних явищ.

2.3 Агрегатний стан речовини - тверде тіло

Тверде тіло, одне з чотирьох агрегатних станів речовини, що відрізняється від інших агрегатних станів (рідини, газів, плазми) стабільністю форми теплового руху атомів, які роблять малі коливання близько положень рівноваги. Поряд з кристалічним станом Т. т. існує аморфний стан, у тому числі склоподібного стану. Кристали характеризуються далеким порядком в розташуванні атомів. У аморфних тілах дальній порядок відсутній.

Т. т. - основний матеріал, використовуваний людиною. Від крем'яних знарядь неандертальця до сучасних машин і механізмів - у всіх технічних пристосуваннях, створених людиною, використовуються різні властивості Т. т. Якщо на ранніх ступенях розвитку цивілізації використовувалися механічні властивості Т. т., які безпосередньо відчутні людиною (твердість, маса, пластичність, пружність, крихкість і т. п.), і Т. т. застосовувалося лише як конструкційний матеріал, то в сучасному суспільстві використовується величезний арсенал фізичних властивостей Т. т. (електричних, магнітних, теплових та інших), як правило, не доступних безпосередньому людському сприйняття, що виявляються тільки при лабораторних дослідженнях.

Механічні властивості Т. т. (реакції на зовнішні механічні дії - стиснення, розтяг, вигин, удар і т. д.) визначаються силами зв'язку між його структурними частками. Різноманіття цих сил призводить до різноманітності механічних властивостей: одні Т. т. пластичні, інші слабкі. Зазвичай метали, в яких сили зв'язку визначаються колективною дією електронів провідності, більш пластичні, ніж діелектрики; наприклад, деформація Cu при кімнатній температурі у момент розриву досягає декількох десятків відсотків, а NaCI руйнується майже без деформації (крихкість). Механічні характеристики змінюються з температурою, наприклад з підвищенням температури пластичність зазвичай збільшується. У більшості Т. т. реакція на зовнішній механічний вплив залежить від його темпу: крихке при ударі Т. т. може витримати значно більшу статичне навантаження.

При невеликих статичних навантаженнях у всіх Т. т. спостерігається лінійне співвідношення між напругою і деформацією (закон Гука). Така деформація називається пружною. Пружна деформація оборотна: при знятті напруги вона зникає. Для ідеального монокристалу (без дефектів) область оборотної деформації спостерігалася б аж до руйнування, причому межа міцності повинна відповідати силам зв'язку між атомами. При великих навантаженнях реакція реального Т. т. істотно залежить від дефектності зразка (від наявності або відсутності дислокацій, від розмірів кристалічних зерен і т. п.) - руйнування починається в самих слабких місцях. Дислокація - найбільш рухливий дефект кристалу, тому саме дислокації в більшості випадків визначають його пластичність. Поява (народження) і переміщення дислокації - елементарні акти пластичності.

Теплові властивості Т. т. У більшості Т. т. теплоємність С при кімнатних температурах наближено підпорядковується Дюлонга і Пті закону: с = 3 R кал / моль (R - газова постійна). Закон Дюлонга і Пті - наслідок того, що за теплові властивості Т. т. при високих температурах відповідальні коливальні рухи атомів, що підкоряються закону рівномірного розподілу (середня енергія, що припадає на одну коливальну ступінь свободи, дорівнює kT). Спостережувані при високих температурах відхилення від закону Дюлонга і Пті пояснюються підвищенням коливань. Зниження температури призводить до зменшення теплоємності; завдяки квантовому "заморожування" середня енергія коливання Ek, обумовлена виразом:, менше kT. При самих низьких температурах частина теплоємності, обумовлена коливаннями решітки, С ~ T ^3. Коливальна частина теплоємності Т. т. може бути представлена як теплоємність газу фононів.

Теплопровідність залежить від типу Т. т. Метали мають значно більшу теплопровідність, ніж діелектрики, що пов'язано з участю електронів провідності в перенесенні тепла (див. нижче). Теплопровідність - структурно чутливе властивість. Коефіцієнт теплопровідності залежить від кристалічного стану (моно або полікристали), наявності або відсутності дефектів і т. п. Явище теплопровідності зручно описувати, використовуючи концепцію квазічастинок. Всі квазічастинки (насамперед фонони) переносять тепло, причому, згідно з кінетичної теорії газів, внесок кожного з газів квазічастинок у коефіцієнт теплопровідності можна записати у вигляді:, де g - чисельний множник, С - теплоємність,S - Середня теплова швидкість, l - довжина вільного пробігу квазічастинок. Величина l визначається розсіюванням квазічастинок, яке в разі фонон-фононних зіткнень - наслідок ангармонійності коливань.

2.4 Четвертий стан речовини - плазма

Плазма (від грец. Pl бsma - виліплене, оформлене), частково або повністю іонізованний газ, в якому щільності позитивних і негативних зарядів практично однакові. При досить сильному нагріванні будь-яка речовина випаровується, перетворюючись на газ. Якщо збільшувати температуру і далі, різко посилиться процес термічної іонізації, тобто молекули газу почнуть розпадатися на складові їх атоми, які потім перетворюються в іони. Іонізація газу, крім того, може бути викликана його взаємодією з електромагнітним випромінюванням (фотоіонізація) або бомбардуванням газу зарядженими частинками.

Вільні заряджені частинки - особливо електрони - легко переміщуються під дією електричного поля. Тому в стані рівноваги просторові заряди входять до складу П. негативних електронів і позитивних іонів повинні компенсувати один одного так, щоб повне поле всередині П. було дорівнювати нулю. Саме звідси випливає необхідність практично точної рівності густин електронів та іонів у П. - її "квазінейтральності". Порушення квазінейтральності в обсязі, що займається П., веде до негайної появі сильних електричних полів просторових зарядів, тут же відновлюють квазінейтральності. Ступенем іонізації П. називається відношення числа іонізованих атомів до повного їх числа в одиниці об'єму П. Залежно від величини a говорять про слабо, сильно і повністю іонізованої П.

Термін "Плазма" у фізиці був введений в 1923 американським вченими І. Ленгмюром і Л. Тонксом, які проводили зондові вимірювання (див. нижче) параметрів низькотемпературної газорозрядної П. Кінетика П. розглядалася в роботах Л. Д. Ландау в 1936 і 1946 і А. А. Власова у 1938. У 1942 Х. Альфвен запропонував рівняння магнітної гідродинаміки для пояснення ряду явищ в космічній П. У 1950 І. Є. Тамм і А. Д. Сахаров, а також американський фізик Л. Спіцер запропонували ідею магнітної термоізоляції П. для здійснення УТС.

У 50-70-і рр.. 20 в. вивчення П. стимулювався різними практичними застосуваннями П., розвитком астрофізики і космофізики (спостереження космічної П. та пояснення процесів в ній) і фізики верхньої атмосфери Землі - особливо у зв'язку з польотами космічних літальних апаратів, а також інтенсифікацією досліджень з проблеми УТС.

У різкій відміні властивостей П. від властивостей нейтральних газів визначальну роль відіграють два чинники. По-перше, взаємодія частинок П. між собою характеризується кулонівськими силами тяжіння і відштовхування, що зменшуються з відстанню набагато повільніше (тобто значно більше "дальнодіючих"), ніж сили взаємодії нейтральних частинок. З цієї причини взаємодія частинок в П. є, строго кажучи, не "парним", а "колективним" - одночасно взаємодіє один з одним велика кількість частинок. По-друге, електричні і магнітні поля дуже сильно діють на П. (у той час як вони досить слабо діють на нейтральні гази), викликаючи появу в П. об'ємних зарядів і струмів та обумовлюючи цілий ряд специфічних властивостей П. Ці відмінності дозволяють розглядати П. як особливий, четвертий стан речовини.

Плазма називається ідеальною, якщо потенційна енергія взаємодії частинок мала в порівнянні з їх тепловою енергією. Ця умова виконується, коли число часток у сфері радіуса D велике: N _D = ⁽⁴ / ₃₎ p D ³ n>> 1. У блискавки Т ~ 2 х 10 ⁴ До, n ~ 2,5 Ч 10 ¹⁹ (щільність повітря) і, отже, D ~ 10 ^-7 см, але N _D ~ ¹ / ₁₀ Таку П. називають слабо не ідеальной.



2.5 Зміна агрегатних станів речовини

Зміну агрегатних станів речовини ми можемо спостерігати на власні очі в природі. Вода з поверхні водойм випаровується, і утворюються хмари. Так рідина переходить в газ. Взимку вода у водоймах замерзає, переходячи в твердий стан, а навесні знову тане, переходячи в назад у рідину. Що відбувається з молекулами речовини при переході його з одного стану в інший? Чи змінюються вони? Чи відрізняються, наприклад, молекули льоду від молекул пари? Відповідь однозначна: ні.

Молекули залишаються абсолютно тими ж. Змінюється їх кінетична енергія, а відповідно і властивості речовини. Енергія молекул пари досить велика, щоб розлітатися в різні сторони, а при охолодженні пар конденсується в рідину, і енергії у молекул все ще достатньо для майже вільного переміщення, але вже недостатньо, щоб відірватися від тяжіння інших молекул і полетіти. При подальшому охолодженні вода замерзає, стаючи твердим тілом, і енергії молекул вже недостатньо навіть для вільного переміщення всередині тіла. Вони коливаються близько одного місця, утримувані силами тяжіння інших молекул.

Перехід речовини з твердого стану в рідкий називається плавленням, зворотний процес -- кристалізацією. Коли речовина переходить з рідини в газ, це називається паротворенням, з газу в рідину -- конденсацією. Перехід з твердого стану відразу в газ, минаючи рідкий, називають сублімацією, зворотний процес -- десублімації.

1. плавлення 2. кристалізація 3. паротворення 4. конденсація 5. сублімація 6. десублімація Приклади всіх цих переходів ми з вами не раз спостерігали в житті. Лід плавиться, утворюючи воду, вода випаровується, утворюючи пар. У зворотний бік пар, конденсуючи, переходить знову у воду, а вода, замерзаючи, стає льодом.

А якщо ви думаєте, що ви не знаєте процесів сублімації і десублімації, то не поспішайте з висновками. Запах будь-якого твердого тіла -- це і є не що інше, як сублімація. Частина молекул виривається з тіла, утворюючи газ, який ми і можемо пронюхати. А приклад зворотного процесу -- це візерунки на склі взимку, коли пара в повітрі, замерзаючи, осідає на склі і утворює химерні візерунки.



3. Фазові переходи

3.1 Фазові переходи першого і другого роду

Фазові переходи бувають кількох родів. Зміни агрегатних станів речовини називають фазовими переходами першого роду, якщо: 1) Температура постійна під час всього переходу. 2) Змінюється об'єм системи. 3) Змінюється ентропія системи. Щоб відбувся такий фазовий перехід, потрібно данії масі речовини поглинути певну кількість тепла, відповідного прихованій теплоті перетворення. Справді, при переході конденсованої фази у фазу з меншою щільністю потрібно перевести деяку кількість енергії у формі теплоти, яке піде на руйнування кристалічної решітки (при плавленні) або на видалення молекул рідини одну з іншої (при паротворенні). Під час перетворення прихована теплота піде на метаморфозу сил зчеплення, інтенсивність теплового руху не зміниться, в результаті температура залишиться незмінною.

При такому переході ступінь безладу, отже, і ентропія, зростає. Якщо процес йде у зворотному напрямі, то прихована теплота виділяється. До фазових переходів першого роду відносяться: перетворення твердого тіла в рідкий (плавлення) і зворотний процес (кристалізація), рідкого - на пару (випаровування, кипіння). Однею кристалічної модифікації - в іншу (поліморфні перетворення). До фазових переходів другого роду належить: перехід нормального провідника в надпровідний стан, гелій-1 в надтекучий гелій-2, феромагнетика - в парамагнетик.

Такі метали, як залізо, кобальт, нікель і гадоліній, виділяються своєю здатністю сильно намагнічуються і довго зберігати стан намагніченості. Їх називають феромагнетиками. Більшість металів (лужні і лужноземельні метали і значна частина перехідних металів) слабко намагнічуються і не зберігають це стан поза магнітного поля - це парамагнетики. Фазові переходи другого, третього і так далі переходів пов'язані з порядком тих похідних термодинамічного потенціалу ? ф, які відчувають кінцеві вимірювання в точці переходу, Така класифікація фазових перетворень пов'язана з роботами фізика - теоретика Пауля Ернеста (1880 -1933). Так, у випадку фазового переходу другого роду в точці переходу відчувають похідні стрибки другого порядку: теплоємність при постійному тиску Cp =- T (? ф ² / ? T ²) стисливість в =- (1 / V ₀₎ (? ² ф / ? p ^2), коефіцієнт теплового розширення б = (1 / V ₀₎ (? ² ф / ? Tp), тоді як перші похідні залишаються безперервними. Це означає відсутність виділення (поглинання) тепла і зміни питомого обсягу (ф - термодинамічний потенціал). Стан фазового рівноваги характеризується певним зв'язком між температурою фазового перетворення і тиском. Чисельно ця залежність для фазових переходів дається рівнянням Клапейрона-Клаузіуса: dp / dT = q / T . Дослідження при низьких температурах - дуже важливий розділ фізики. Справа в тому, що таким чином можна позбутися від перешкод пов'язаних з хаотичним тепловим рухом і вивчати явища в "чистому" вигляді. Особливо важливо це при дослідженні квантових закономірностей. Звичайно через хаотично тепловий рух відбувається усереднення фізичної величини по великому числу її різних значень і квантові стрибки "змащуються".

Низькі температури (кріогенні температури), у фізиці і кріогенній техніці діапазон температур нижче 120 ° К (0 ° с = 273 ° К); роботи Карно (працював над тепловим двигуном) і Клаузіуса поклали початок дослідженням властивостей газів і парів, або технічної термодинаміки. У 1850 році Клаузіус зауважив, що насичений водяний пар при розширенні частково конденсується, а при стисканні переходить в перегрітий стан. Особливий внесок у розвиток цієї наукової дисципліни вніс Реню. Власний об'єм молекул газу при кімнатній температурі складає приблизно одну тисячну обсягу, займаного газом. Крім того, молекули притягуються одна до одної на відстанях, що перевищують ті, з яких починається їх відштовхування.

3.2 Фази речовини

Речовина може перебувати в різних фазах.

Фаза є сукупністю всіх частин гетерогенної термодинамічної системи, які обмежені поверхнями розділу та мають однакові фізичні властивості в усіх своїх точках за відсутності зовнішніх силових полів. Газ, рідина, кристал і його алотропні модифікації є різними фазами однієї і тієї самої речовини. Для однокомпонентної системи, тобто такої, що складається з хімічно однорідної речовини, фази співпадають з агрегатним станом речовини.

Фазова рівновага є стійким термодинамічним співіснуванням двох або кількох фаз. В замкненій системі при фазовій рівновазі у всіх фазах системи повинні бути однаковими значенні тиску, температури та хімічного потенціалу кожного компонента цієї системи.

Фазові переходи (ФП) є прямим та зворотнім перетворенням однієї фази в іншу, пов'язаним з якісними змінами властивостей речовини. Розрізняють фазові переходи першого та другого роду.

Фазовий перехід першого роду супроводжується сталою температурою, зміною ентропії та об'єму, тобто стрибкоподібною зміною густини та внутрішньої енергії системи та супроводжується поглинанням або виділенням деякої кількості теплоти (теплоти ФП). Наприклад, плавлення, випаровування, перехід з однієї кристалічної модифікації в іншу тощо.

Фазовий перехід другого роду відбувається без зміни густини (об'єму) та внутрішньої енергії (теплота ФП другого роду дорівнює нулю), але супроводжується стрибкоподібною зміною теплоємності та тиску. Наприклад, перехід галію у надтекучій стан при Т = 2,9 К; виникнення у кристалів надпровідності; перехід феромагнетика у парамагнітний стан.

Точка фазового переходу є станом, у якому здійснюється перехід.



3.3 Приклади фазових перетворень. Випаровування, сублімація, плавлення та кристалізація

Випаровування і конденсація є взаємооберненими процесами переходу рідини в газ і навпаки при сталій температурі випаровування . Теплоти ФП - випаровування у конденсацію та навпаки є рівними, та знаходяться за формулою:

,

де - питома теплота пароутворення (конденсації) є кількістю теплоти, необхідної для випаровування 1 кг речовини.

Сублімація (возгонка) і десублімація є взаємооберненими переходами кристала в газ і навпаки при даній температурі та тиску. Тобто відбувається випаровування твердих тіл. Наприклад, дуже інтенсивно сублімують такі речовини як нафталін та камфора, лід. Сублімація використовується при виготовленні у вакуумі дзеркал.

Плавлення і кристалізація є взаємооберненими переходами твердого тіла в рідину і навпаки при сталій температурі плавлення . Теплоти ФП - плавлення і кристалізації є рівними, та знаходяться за формулою:

,

де - питома теплота плавлення (кристалізації) є кількістю теплоти, яка необхідна для розплавлення 1 кг речовини.

На рис. 4.36 показана залежність температури деякої речовини від отриманої нею теплоти. Така залежність стає зрозумілою, якщо згадати, що температура є мірою кінетичної енергії руху молекул (атомів). Так, при нагріванні твердого тіла (ділянка 1) амплітуда коливань частинок кристалічної решітки збільшується до тих пір, поки решітка не починає руйнуватись. Починаючи з деякої температури плавлення , вся теплота, яка підводиться, іде на поступове повне руйнування кристалічної решітки - тверде тіло плавиться (ділянка 2). Далі рідина, яка утворилася, при подальшому підведенні теплоти поступово нагрівається (ділянка 3) до температури випаровування . При даній температурі відбувається перехід рідини у газ (пару), що відповідає ділянці 4. Надалі, при продовженні нагрівання, газ буде збіль-шувати свою температуру (ділянка 5).

Абсолютно реальним є зворотний процес до розглянутого нами вище. Але, зауважимо, що для кристалізації необхідною умовою є наявність у рідкій фазі центрів кристалізації. Ними можуть бути домішки інших речовин, пил, сажа, та й самі кристали даної речовини. За відсутності центрів кристалізації можна отримати переохолоджену рідину.

Фазові діаграми, рівняння Клаузіуса. Потрійна точка

Для однокомпонентної системи фазовий перехід першого роду (зміна агрегатного стану) визначається зовнішніми умовами - однозначним зв'язком тиску та температури. Такі переходи можна розглянути на фазових діаграмах стану в координатах „ - ”. Фазові діаграми є сукупністю кривих, кожна точка яких відповідає стану динамічного рівноважного співіснування двох фаз. Ці криві називаються лініями фазової рівноваги (рис. 4.37).

Звичайно, лінії фазової рівноваги можна провести для будь-яких фаз, що співіснують. Лінія фазової рівноваги між кристалом і рідиною називається кривою плавлення, між кристалом і газом - кривою сублімації, між рідиною та газом - кривою випаровування. Лінії фазової рівноваги між двома твердими фазами не мають власної назви.

Криві сублімації, плавлення і випаровування чітко поділяють усю площу фазової діаграми на однофазні області, де існують тільки кристал, тільки рідина і тільки газ. Точки, що лежать безпосередньо на кривих фазових рівноваг, відповідають двофазним станам.

Усі три криві сходяться в одній точці, яка називається потрійною точкою . У цьому стані одночасно співіснують всі три фази: кристал, рідина і газ. Така точка тільки одна, тобто існує тільки один стан, в якому співіснують три фази. Цей стан визначається параметрами потрійної точки (тиском та температурою ). Наприклад

для води: = 609 Па, = 273,16 К;

для вуглекислоти: = 5,16 • 105 Па, = 215,6 К.

Основні особливості фаз:

фази завжди мають фізичні межі стикання з іншими фазами цієї самої або іншої речовини;

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).

Індивідуальна хімічна речовина (однокомпонентна система) не може в стані рівноваги мати більше трьох фаз. Це випливає з правила фаз Гіббса. Формула правила фаз має такий вигляд:

,

де - кількість параметрів, які можна змінювати; - кількість параметрів, які є однаковими в усіх фазах (=2); - кількість компонентів у системі; - кількість фаз, що співіснують.

Для однокомпонентної однофазної системи =1, =1, =2 і кількість вільних параметрів =2+1-1=2, тобто і або і .

Для однокомпонентної системи з двох фаз =1, =2, =2, а кількість вільних параметрів =2+1-2=1( або ).

Для однокомпонентної системи з трьох фаз =1, =3, =2, а кількість вільних параметрів =0 (потрійна точка).

А чотири фази співіснувати взагалі не можуть, бо .

У випадку фазової рівноваги зв'язок між тиском та температурою визначається диференціальним рівнянням Клапейрона - Клаузіуса:

,

де - теплота фазового переходу (наприклад, молярна теплота плавлення , молярна теплота пароутворення ); () - зміна об'єму при фазовому переході.

Обговоримо особливості кожної кривої.

1. Крива сублімації (рис. 4.37) закінчується в потрійній точці , а починається в абсолютному нулі температур. За такої температури тиск також прямує до нуля, оскільки зі зменшенням температури зменшується кінетична енергія молекул і унеможливлюється перехід до газової фази. Тиск на кривій сублімації зростає швидше, ніж температура, і похідна від тиску за температурою для всіх речовин є більшою за нуль:

,

тобто в рівнянні Клапейрона - Клаузіуса зміна об'єму дорівнює різниці об'ємів газу та твердого тіла: 0 та крива має завжди додатний нахил.

2. Крива випаровування починається в потрійній точці і закінчується в критичній точці Кр (рис. 4.37), де зникає різниця між рідиною і газом. Можливим є безперервний перехід із стану 1 у газі до стану 2 в рідині (пунктир) в обхід критичної точки. На всьому шляху система перебуває в однофазному стані, і не можна вказати точку, в якій густий газ перетворився б у рідину. Можна, звичайно, перейти зі стану 1 до стану 2 і вздовж ізобари (суцільна лінія). Тоді при перетині кривої випаровування з'явиться друга фаза. Крива випаровування також дає додатну похідну

(0, нахил кривої є додатним):

.

3. Крива плавлення також починається в потрійній точці і йде значно крутіше, ніж криві сублімації та випаровування. Неясно тільки, де вона закінчується. Здавалося б, чому їй і не закінчуватись в аналогічній критичній точці, як це робить крива випаровування? Тим більше, що з віддаленням від потрійної точки різниця густини рідини і кристала зменшується. А проте кристал принципово відрізняється від рідини повною впорядкованістю в просторовому розміщенні молекул, і тому не може бути ніякого безперервного переходу навіть за однакової густини.

І все ж, останнє слово за експериментом. Він є доволі складним, бо доводиться мати справу з дуже високими тисками. Наприклад, для того, щоб змінити температуру плавлення льоду на один кельвін, потрібно прикласти тиск у чотири тисячі разів більший, ніж потрібно для зміни температури випаровування на один кельвін. При плавленні сірки за великих тисків на кривій плавлення з'являється максимум, що означає можливість при одному тиску мати дві температури плавлення. Це суперечить правилу фаз Гіббса та означає, що змінилась кількість фаз. Справді, після дії великих тисків у сірці з'являються зовсім нові фази з різними кристалічними решітками.

Крива плавлення має ще одну відмінність від кривих сублімації і випаровування. Вона може мати для деяких речовин не додатну, а від'ємну похідні від тиску за температурою:

.

Наявність від'ємної похідної означає, що зі збільшенням тиску температура плавлення зменшується. Вісмут, галій, германій, вода - усі вони мають дуже крихку структуру кристалів, і тому при розплавленні молекули мають можливість зблизитись, тобто густина рідини буде більшою, ніж густина кристала, тобто для них 0.

Для таких речовин (рис. 4.37, ізотерма 3-4-5) послідовність переходу фаз є незвичайною. Ізотермічно стискуючи газ 3, ми спочатку дістаємо кристал 4, а потім - рідину 5. У реальних речовин може бути кілька фаз у твердому стані. Ці фази різняться видами кристалічних решіток. Фазові діаграми стають складнішими, вони можуть містити кілька потрійних точок.



Висновок

Підіб'ємо підсумки виконаної роботи:

Гази - агрегатний стан речовини, в якому його частки не пов'язані або дуже слабко пов'язані силами взаємодії і рухаються вільно, заповнюючи весь наданий їм об'єм. Речовина в газоподібному стані широко поширене в природі. Гази утворюють атмосферу Землі, в значних кількостях містяться в твердих породах земних, розчинені у воді океанів, морів і річок.

Рідина - агрегатний стан речовини, проміжне між твердим і газоподібним станами. Ж., зберігаючи окремі риси як твердого тіла, так і газу, має, проте, поряд лише їй властивих особливостей, з яких найбільш характерна - плинність. Подібно до твердого тіла, Ж. зберігає свій об'єм, має вільну поверхню, володіє певною міцністю на розрив при всебічному розтягуванні і т. д.

Тверде тіло - одне з чотирьох агрегатних станів речовини, що відрізняється від ін агрегатних станів стабільністю форми теплового руху атомів, які роблять малі коливання близько положень рівноваги. Кристали характеризуються далеким порядком в розташуванні атомів. У аморфних тілах дальній порядок відсутній.

Плазма - частково або повністю іонізованний газ, в якому щільності позитивних і негативних зарядів практично однакові. При досить сильному нагріванні будь-яка речовина випаровується, перетворюючись на газ. Якщо збільшувати температуру і далі, різко посилиться процес термічної іонізації, тобто молекули газу почнуть розпадатися на складові їх атоми, які потім перетворюються в іони.



Список використаних джерел

1. Арцимович Л. А., Елементарна фізика плазми, 3 вид., М., 2002.

2. Франк-Каменецький Д. А., Лекції з фізики станів речовини, М., 2003 (перевидання).

3. Френкель Я. І., Збори вибраних праць, т. 3, М., 2001.

4. Фішер І.3., Статистична теорія рідин, М., 2003.

5. Фізика простих рідин. Експериментальні дослідження, пров. з англ., М., 2002 [у пресі].

6. Гомонай В. І., Гомонай О. В. Фізична хімія. Ужгород: Патент, 2004. 712 с.

7. Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. Донецьк: Донбас, 2004. ISBN 966-7804-14-3.

8. Базаров І.П. «Термодинаміка» видання третє Москва видав. «Вища школа» 1983 рік.

9. Бланке А.Я. «Фізика» навчальний посібник для студентів нефізичних спеціальностей вузів Харків вид. «Каравела» 1996 год.

10. Савельєв І.В. «Курс загальної фізики» том 3. Москва видав. «Наука» 1982 рік.

11. Кикоин А.К., Кикоин И.К. (1976). Молекулярная физика (російська). Москва: Наука.

Размещено на Allbest.ru

...