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.