Фазовые превращения

 Фазовые превращения

Фазой называется совокупность одинаковых по своим свойствам частей системы. Например: лед, вода, водяной пар, составляющие систему, являются различными фазами; графит и алмаз – различные фазы твердого вещества (углерода).

Переход из одной фазы в другую сопровождается поглощением или выделением определенного количества тепла, которое называется теплотой перехода.

Для перехода вещества из твердого состояния в жидкое необходимо сообщить ему количество тепла

1)

где

m	—	масса расплавившегося тела;
λ	—	удельная теплота плавления.

Удельной теплотой плавления называется количество тепла, которое нужно сообщить единице массы твердого тела, находящегося при температуре плавления, для того чтобы перевести его в жидкое состояние. При кристаллизации (отвердевании) жидкости происходит выделение тепла.

Теплота плавления равна, теплоте кристаллизации.

При плавлении происходит увеличение объема (исключение составляют вода, галлий, сурьма, чугун и висмут, у которых происходит уменьшение объема).

При данном давлении для каждого вещества существует определенная температура, называемая температурой плавления, при которой происходит переход вещества из твердого состояния в жидкое. Температура во время этого перехода остается постоянной. Температура плавления зависит от давления. Кривая, изображающая зависимость температуры плавления от давления, называется кривой плавления. Коэффициент изменения температуры плавления воды с давлением равен приблизительно –7,5·10^-3 град/атм.

Переход жидкости в газообразное состояние называется испарением; обратный переход называется конденсацией. Испарение твердых тел называется сублимацией. Молекулы, имеющие наибольшие скорости, при испарении вылетают через свободную поверхность тела, которое вследствие этого охлаждается.

Испарение, происходящее не только на поверхности, но и внутри жидкости, называется кипением. Кипение происходит при постоянной (для данного внешнего давления) температуре. Эта температура называется температурой кипения. Она остается постоянной во время кипения. Коэффициент изменения температуры кипения воды с давлением равен приблизительно 1/26,12 град/мм рт. ст.

Количество тепла, которое необходимо сообщить телу для того, чтобы перевести его в пар, называется теплотой испарения (или теплотой парообразования – при кипении):

2)

m	—	масса испарившегося вещества;
r	—	удельная теплота испарения (парообразования), равная теплоте испарения единицы массы.

При конденсации пара происходит выделение тепла; теплота парообразования равна теплоте конденсации.

Испарение жидкости в открытом сосуде может продолжаться до полного исчезновения жидкости. В закрытом сосуде испарение жидкости продолжается до установления равновесия между массой вещества, находящегося в жидком состоянии, и массой пара. При этом равновесии будут наблюдаться процессы испарения и конденсации, компенсирующие друг друга. Такое равновесие называется динамическим. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщающим (или насыщенным).

Рис.1. Кривые испарения (1), плавления (2), сублимации(3) вблизи тройной точки (Тр) воды

Кипение происходит при такой температуре, когда давление насыщающих паров жидкости равно внешнему давлению.

С повышением температуры увеличиваются давление и плотность насыщающего пара, а плотность жидкости уменьшается. Кривая, изображающая зависимость давления насыщенного пара от температуры, называется кривой испарения, или линией насыщения; для твердых кристаллических тел такие кривые называются кривыми сублимации.

Кривые плавления, испарения и сублимации определяют условия равновесия двух фаз – твердой и жидкой, жидкой и газообразной, твердой и газообразной. Точка пересечения всех трех кривых называется тройной точкой (рис.1). Тройная точка определяет условие (давление, температуру и плотность) одновременного равновесия трех фаз.

Кривая равновесия жидкости и насыщенного пара будет продолжаться до такой температуры, при которой плотности их станут равными друг другу. При этом пропадет граница между ними. Такое состояние называется критическим, а соответствующие этому состоянию плотность, давление и температура называются критическими.

Удельная теплота парообразования зависит от температуры. С увеличением температуры удельная теплота парообразования уменьшается. При критической температуре она равна нулю. Теплота парообразования r идет на работу, совершаемую молекулами при прохождении поверхностного слоя жидкости (внутренняя теплота парообразования ρ), и на работу, связанную с увеличением объема вещества при переходе в газообразное состояние (внешняя теплота парообразования ψ). На рис.2 показаны зависимости r, ρ и ψ от температуры t для воды.

Рис.2. Зависимость внешней (ψ), внутренней(ρ) и полной(r) теплоты парообразования от температуры для воды