Фазовые превращения

Состояния, в которых может находиться то или иное вещество, можно разделить на так называемые агрегатные состояния: твердое, жидкое, га-зообразное. У некоторых веществ нет резкой границы между различными агрегатными состояниями. Например, при нагревании стекла (или другого аморфного вещества) происходит постоянное его размягчение, и невозможно установить момент перехода из твердого состояния в жидкое.

Вещество может переходить из одного состояния в другое. Если при этом изменяется агрегатное состояние вещества или скачком изменяются неко-торые характеристики и физические свойства вещества (объем, плотность, теплопроводность, теплоемкость и др.) то говорят, что произошел фазовый переход — вещество перешло из одной фазы в другую. Фазой называет-ся физически однородная часть вещества, отделенная от других частей

границей раздела. Пусть в сосуде заключена вода, над которой находитсясмесь воздуха и водяных паров. Эта система является двухфазной, состоящей из жидкой фазы и газообразной. Можно сделать систему и с двумя различ-ными жидкими фазами: капелька ртути в сосуде с водой. Капельки тумана в воздухе образуют с ним двухфазную систему.

Условия равновесия фаз для многокомпонентных веществ, т. е. веществ, состоящих из однородной смеси нескольких сортов молекул, достаточно слож-ны. Например, для смеси вода–спирт газообразная и жидкая фазы этой смеси при равновесии имеют различные концентрации своих компонент, зависящие от давления и температуры. Ниже будут рассмотрены фазовые превращения только для однокомпонентных веществ.

При заданном давлении существует вполне определенная температура, при которой две фазы однокомпонентного вещества находятся в равновесии и мо-гут переходить друг в друга при этой температуре. Пока одна фаза полностью не перейдет в другую, температура будет оставаться постоянной, несмотря на подвод или отвод тепла. Поясним это на примерах.

Рассмотрим двухфазную систему вода-пар, находящуюся в замкнутом со-суде. При давлении P ₀ = 1 атм 10 ⁵ Па равновесие между паром и водой на-ступит при 100 С: Подвод к системе тепла вызывает кипение — переход жид-кости в газ при постоянной температуре. Отвод от системы тепла вызывает конденсацию — переход пара в жидкость. При давлении 0; 58 P ₀ (почти вдвое меньше нормального атмосферного) равновесие между паром и водой наступа-ет при 85 C: При давлении 2 P ₀ равновесие фаз достигается при температуре 120 C (такие условия в скороварке).

Другой пример. Фазовое равновесие между льдом и водой при внешнем давлении P ₀ = 1 атм осуществляется, как известно, при 0 С: Увеличение внешнего давления на одну атмосферу понижает температуру фазового пе-рехода на 0; 007 C: Это значит, что температура плавления льда понизится на эту же незначительную величину.

Фазовые переходы для однокомпонентного вещества, сопровождающиеся переходом из одного агрегатного состояния в другое, идут с поглощением или выделением тепла. К ним относятся плавление и кристаллизация, испарение и конденсация. Причем, если при переходе из одной фазы в другую тепло выде-ляется, то при обратном переходе поглощается такое же количество теплоты.

Чтобы расплавить кристаллическое тело массой m надо подвести количе-ство теплоты

Коэффициент пропорциональности называется удельной теплотой плавле-ния. Вообще говоря, зависит от той температуры, при которой происходитфазовый переход (температура плавления). Во многих реальных ситуациях этой зависимостью можно пренебречь.

Для превращения в пар жидкости массой m надо подвести количество теплоты

Коэффициент пропорциональности r называется удельной теплотой па-рообразования; он зависит от температуры кипения, т. е. от той температуры,при которой осуществляется фазовое равновесие жидкость-пар для заданного давления.

Значения и r для разных веществ даются в таблицах обычно для тех температур фазовых переходов, которые соответствуют нормальному атмо-сферному давлению. При этом в величины и особенно r входит не только изменение внутренней энергии вещества при переходе одной фазы в другую, но и работа этого вещества над внешними телами при фазовом переходе! На-пример, удельная теплота парообразования воды при 100 C и P 10 ⁵ Па на 9/10 состоит из изменения внутренней энергии вода — пар, на 1/10 (чуть меньше) из работы, которую совершает расширяющийся пар над окружающи-ми телами.

Пример 13.1. В латунном калориметре массой m ₁ = 200г находится ку-сок льда массой m ₂ = 100 г при температуре t ₁ = 10 C: Сколько пара, име-ющего температуру t ₂ = 100 C, необходимо впустить в калориметр, чтобы образовавшаяся вода имела температуру 40 C? Удельные теплоемкости ла-

Решение: При конденсации пара массой m при100C (T ₂ = 373K)выде-ляется количество теплоты Q ₁ = rm. При охлаждении получившейся воды от T ₂ = 373K до= 313K (40C)выделяется количество теплоты Q ₂ = c ₃ m (T ₂

¡):

При нагревании льда от T ₁ = 263 K (10 C) до T ₀ = 273 K (0 C) поглощает-ся количество теплоты Q ₃ = c ₂ m ₂ (T ₀ T ₁). При плавлении льда поглощается количество теплоты Q ₄ = m ₂: При нагревании получившейся воды от T ₀ до поглощается количество теплоты Q ₅ = c ₃ m ₂ (T ₀). Для нагревании калори-метра от T ₁ до требуется количество теплоты Q ₆ = c ₁ m ₁ (T ₁). По закону сохранения энергии Q ₁ + Q ₂ = Q ₃ + Q ₄ + Q ₅ + Q ₆, или

rm + c ₃ m (T ₂) = c ₂ m ₂ (T ₀ T ₁) + m ₂ + c ₃ m ₂ (T ₃) + c ₁ m ₁ (T ₁):

Отсюда

_{m =} ^c 2 ^m 2 ^(T 0 ^T 1 ^{) + m} 2 ^{+ c} 3 ^m 2 ^{( T} 0 ^{) + c} 1 ^m 1 ^{( T} 1 ⁾_{22 10} 3 _{кг= 22г :}r + c ₃ (T ₂)

Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 59; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!