Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Фазовые переходы
Фазовые переходы (или фазовые превращения) - это переходы вещества из одной фазы в другую, происходящие при изменении температуры, давления или под действием каких-либо других внешних факторов (например, магнитных или электрических полей). Фазой называется совокупность одинаковых по физическим свойствам и разграниченных поверхностями раздела частей системы. Например, лед, вода и водяной пар, составляющие систему, являются различными фазами; графит и алмаз - различные фазы твердого вещества. В обычных условиях любое вещество пребывает в одном из трех состояний - твердом, жидком или газообразном (рис. 16.1). Каждому из этих условий соответствует своя структура связей между молекулами или атомами, характеризующаяся определенной энергией связи между ними. Для изменения этой структуры нужен либо приток тепловой энергии извне (например, при плавлении твердого вещества), либо отток энергии из систем наружу (например, при кристаллизации). Следовательно, фазовые переходы сопровождаются поглощением или выделением определенного количества теплоты (при постоянном давлении и температуре); это количество теплоты называется теплотой фазового перехода. Фазовый переход вещества из кристаллического твердого состояния в жидкое состояние называется плавлением. Обратный переход вещества из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. В процессе плавления разрушается кристаллическая решетка твердого тела, для чего ему необходимо получить некоторое количество энергии. В процессе плавления кристаллического тела температура - температура плавления - остается постоянной, пока тело полностью не расплавится. Поглощаемая энергия идет на увеличение потенциальной энергии частиц вещества, в результате чего происходит разрыв межмолекулярных связей и, следовательно, разрушение кристаллической решетки. После того, как вещество из твердого состояния полностью переходит в жидкое состояние, дальнейшее поступление тепла повлечет вновь за собой повышение температуры вещества. В жидком состоянии молекулы вещества по-прежнему находятся в близком контакте, но жесткие межмолекулярные связи между ними разорваны, и силы взаимодействия, удерживающие молекулы вместе, на несколько порядков слабее, чем в твердом теле, поэтому молекулы начинают достаточно свободно перемещаться друг относительно друга. Дальнейшее поступление тепловой энергии приводит к переходу жидкости в газообразное состояние. Фазовый переход из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием (см. рис. 16.1). Различают два вида парообразования: - испарение - процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости или твердого тела; - кипение - процесс парообразования, происходящий как со свободной поверхности жидкости, так и во всем объеме. Кипение происходит при постоянной температуре (при постоянном внешнем давлении). Эта температура называется температурой кипения. Кипение происходит при такой температуре, когда давление насыщенных паров жидкости равно внешнему давлению. В процессе парообразования вся поступающая энергия также уходит на разрыв связей между молекулами жидкости и высвобождение их в газообразное состояние (при неизменной температуре кипения). Энергия, затрачиваемая на разрыв этих связей, называется скрытой теплотой парообразования. Она достигает достаточно больших величин. При оттоке энергии (остывании) происходят процессы перехода вещества в обратном порядке. Сначала газ остывает с понижением температуры до тех пор, пока он не достигнет точки конденсации- температуры, при которой начинается сжижение. Причем эта температура в точности равна температуре испарения (кипения) соответствующей жидкости. При конденсации, по мере того как силы взаимного притяжения между молекулами начинают превышать энергию теплового движения, газ превращается в жидкость - «конденсируется». Конденсацией называют переход пара из газообразного состояния в жидкое (см. рис. 16.1). Энергия, потраченная на испарение определенной массы жидкости, равна энергии, которую пар отдаёт в виде тепла при конденсации его обратно в жидкость. 3.3.Уравнение состояния идеального газа. Теория идеальных газов Основными характеристиками термодинамического состояния вещества являются давление р, температура Т и объем V. Уравнение, связывающее эти величины, называется уравнением состояния. Для идеальных газов оно имеет вид pV= nRT, (16.1) где R- универсальная газовая постоянная (8, 31 Дж/моль-К); общая для всех газов; п - количество вещества (число, пропорциональное числу молекул или атомов газа). Следует отметить, что этот закон в точности выполняется только для идеального газа. Идеальный газ представляет собой упрощенную математическую модель реального газа: молекулы считаются движущимися хаотически, а соударения между молекулами и удары молекул о стенки сосуда - упругими, то есть не приводящими к потерям энергии в системе, и размерами молекул по сравнению с размерами сосуда пренебрегают. Это упрощенная модель, но она очень удобна, поскольку позволяет не учитывать силы взаимодействия между молекулами газа. Действительно, в природных условиях поведение большинства реальных газов практически не отличается от поведения идеального газа - отклонения в поведении практически всех природных газов, например атмосферного азота и кислорода, от поведения идеального газа не превышают 1 %. Это позволяет использовать уравнение состояния идеального газа даже при описании сложных процессов.
|