Фазовые состояния вещества


Любое вещество при определенных условиях может находиться в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном.

Область, в которой вещество однородно по всем физическим и химическим свойствам, называется фазой состояния этого вещества.

Переход из одного состояния в другое называется фазовым переходом.

Фазовый переход происходит при изменении температуры тела, т.е. при фазовом переходе изменяется внутренняя энергия вещества.

Фазовые состояния вещества

Одним из важнейших понятий термодинамики является внутренняя энергия тела. Все макроскопические тела обладают энергией, заключенной внутри самих тел. С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия вещества складывается из кинетической энергии всех атомов и молекул и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.


Внутренняя энергия – это сумма энергий молекулярных взаимодействий и энергии теплового движения молекул.

В частности, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий всех частиц газа, находящихся в непрерывном и беспорядочном тепловом движении. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от объема (закон Джоуля).

Внутреннюю энергию тела можно изменить разными способами:

  1. Совершение механической работы.
  2. Теплообмен.

Фазовые состояния вещества

Количеством теплоты Q, полученной телом, называют изменение внутренней энергии тела в результате теплообмена.

Количество теплоты Q является энергетической величиной. В СИ количество теплоты измеряется в единицах механической работы – джоулях (Дж).


Если в результате теплообмена телу передается некоторое количество теплоты, то внутренняя энергия тела и его температура изменяются.

Чтобы нагреть тело массой m от температуры t1 до температуры t2 ему необходимо сообщить количество теплоты

Q = cm(t2t1)

Количество теплоты Q, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1 К называют удельной теплоемкостью вещества c.

c = Q / (mΔT).

Испарение и конденсация являются примерами фазовых переходов.

Все реальные газы (кислород, азот, водород и т. д.) при определенных условиях способны превращаться в жидкость.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием.


Парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости называется испарением.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории, испарение – это процесс, при котором с поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул, то есть к охлаждению жидкости (если нет подвода энергии от окружающих тел). Жидкость при испарении охлаждается (ощущение холода при выходе из воды).

Фазовые состояния вещества

Покинувшие жидкость молекулы составляют пар над её поверхностью. Некоторые молекулы пара при хаотическом движении над поверхностью жидкости залетают обратно в жидкость. Это означает, что наряду с испарением жидкости всегда происходит и конденсация её паров. При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость.

Конденсация – это процесс превращения пара в жидкость.

Скорость испарения зависит:

  1. от рода жидкости (эфир и вода);

  2. от площади её свободной поверхности (чем больше площадь, тем быстрее испаряется жидкость – блюдце и стакан);
  3. от температуры (чем выше температура, тем быстрее испаряется жидкость – лужи зимой и летом);
  4. от наличия движения воздуха над поверхностью (в ветреную погоду и в безветренную).

На практике для превращения жидкости в пар в процессе теплообмена к ней подводится теплота.

Количество теплоты Qп, необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре называется теплотой парообразования.

Для того, чтобы превратить в пар при неизменной температуре жидкость массой m, ей необходимо сообщить количество теплоты, равное Qп = r·m


r – удельная теплота парообразования – количество теплоты, необходимое для превращения в пар 1 кг жидкости при неизменной температуре [Дж/кг]

При конденсации выделяется количество теплоты, равное         Qк = — r·m

Испарение может происходить не только с поверхности, но и в объеме жидкости.

В жидкости всегда имеются мельчайшие пузырьки газа. Если давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению (то есть давлению газа в пузырьках) или превышает его, жидкость будет испаряться внутрь пузырьков. Пузырьки, наполненные паром, расширяются и всплывают на поверхность. Этот процесс называется кипением.

Фазовые состояния вещества

Кипением называют парообразование, которое происходит в объеме всей жидкости при постоянной температуре.

Кипение жидкости начинается при такой температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным внешнему давлению.


Каждая жидкость при нормальных условиях кипит при определенной температуре, которая называется температура кипения. Она остается постоянной при одном и том же давлении.

Вещество существует в твердом кристаллическом состоянии при определенных значениях давления и температуры. В этом состоянии вещество находится до тех пор, пока кинетической энергии атомов недостаточно, чтобы преодолеть силы взаимного притяжения. Эти силы удерживают атомы на некотором расстоянии друг относительно друга, не позволяя им перемещаться. При этом атом колеблется около положения своего равновесия. При нагревании твердого тела кинетическая энергия атомов или молекул возрастает. При этом амплитуды колебаний могут стать настолько большими, что уже будут сравнимы с периодом решетки, произойдет нарушение дальнего порядка, кристаллическая решетка начнет разрушаться. При дальнейшем увеличении температуры происходит плавление твердых тел.

Плавление – переход вещества из твердого состояния в жидкое.

При плавлении температура тела остается постоянной. Все переданное телу тепло идет на разрушение кристалла. При плавлении кристаллическое тело находится одновременно в твердом и жидком состояниях.


После разрушения кристалла и образования жидкости подводимая теплота идет на нагревание жидкости.

Температура плавления зависит от рода кристаллического тела.

При плавлении изменяется плотность и объем вещества. У большинства веществ объем при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается. При этом изменяется и плотность: при плавлении плотность уменьшается, а при отвердевании увеличивается. Например, кристаллики твердого нафталина или парафина тонут в расплавленном нафталине (парафине).

Но лед плавает в воде. Также ведут себя висмут, галлий, германий, кремний, чугун, т.е. при плавлении их плотность увеличивается, а при отвердевании уменьшается. При плавлении они сжимаются (объем уменьшается), а при отвердевании расширяются (объем увеличивается).

Температура плавления зависит от атмосферного давления.

В тех случаях, когда объем вещества при плавлении возрастает, увеличение внешнего давления приводит к увеличению температуры плавления (т.к. увеличение давления затрудняет процесс плавления). Если же объем вещества при плавлении уменьшается, то увеличение внешнего давления ведет к понижению температуры плавления этого вещества (т.к. повышенное давление помогает процессу плавления в данном случае).


Чтобы перевести в жидкость твердое тело массой m при температуре плавления, ему надо сообщить количество теплоты

Q = λ m

где λ – удельная теплота плавления – количество теплоты, необходимое, чтобы перевести в жидкость твердое тело массой 1 кг при температуре плавления.

λ = Q / m [ Дж/кг ]

При плавлении увеличивается внутренняя энергия тела.

Если получившуюся при плавлении жидкость охладить до температуры плавления, то начнется обратный процесс.

Кристаллизация (отвердевание) – процесс перехода жидкости в твердое состояние.

Происходит сближение частиц жидкости и упорядочение их движения, в результате которого они начинают колебаться около узлов кристаллической решетки. Потенциальная энергия молекул при этом уменьшается, а т.к. температура кристаллизации постоянна (равна температуре плавления для данного вещества), процесс кристаллизации должен сопровождаться выделением тепла.


Процесс кристаллизации сопровождается выделением теплоты кристаллизации, которая равна теплоте плавления Q = λ m

Процесс кристаллизации происходит в двухфазной системе вблизи центров кристаллизации. такими центрами могут быть пылинки, мельчайшие примеси.

Процессы плавления и кристаллизации можно представить на графике:

Фазовые состояния вещества

По графику можно определить:

Фазовые состояния вещества

  • участок АВ – нагревание льда от -40 0С до температуры плавления 0 0С
  • участок ВС – плавление льда при температуре плавления

  • участок СD – нагревание воды от 0 0С до температуры 50 0С
  • участок DE – охлаждение воды от 50 0С до температуры кристаллизации (отвердевания) 0 0С
  • участок EF – кристаллизация (отвердевание) воды при температуре плавления (кристаллизации)
  • участок FK – охлаждение льда от 0 0С до температуры -40 0С

Многие твердые вещества обладают запахом – камфара, нафталин. Значит пары этих веществ есть в воздухе. Это доказывает, что при определенных условиях твердые вещества могут переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое.

Переход твердого состояния вещества в газообразное называется сублимацией или возгонкой («сублимаре» — возносить)

Легко обнаружить возгонку (сублимацию) льда и снега: уменьшение инея на деревьях со временем, высыхание оледеневшего белья зимой.

Часто можно наблюдать и обратный переход из газообразного состояния непосредственно в твердое, минуя жидкое состояние – десублимация. На окнах зимой иногда можно видеть быстрый рост кристалликов льда в виде узоров на стеклах, которые образуются непосредственно из водяных паров, находящихся в воздухе.

Испарение твердых тел аналогично испарению жидкостей. Все твердые тела испаряются, но их паров обычно так мало, что их невозможно обнаружить. Процесс сублимации происходит как при нагревании твердого тела, так и без подвода теплоты извне. При сублимации происходит охлаждение тела, т.к. его покидают наиболее быстрые молекулы (обладающие кинетической энергией, достаточной для преодоления молекулярного притяжения и отрыва молекул от поверхности тела).

Процесс сублимации или возгонки наблюдается во Вселенной. При сближении с солнцем происходит возгонка поверхностного слоя ядер комет. Практически вся масса кометы сосредоточена в ядре, которое является единственной твердой частью кометы. Ядро кометы состоит из смеси пылинок, твердых кусочков вещества и замерзших газов (углекислый газ, аммиак, метан). В далеких от Солнца областях кометы не имеют хвостов. При приближении кометы к Солнцу ядро прогревается и из него выделяются газы и пыль. Они образуют вокруг ядра газовую оболочку, которая вместе с ядром составляет голову кометы. Газы и пыль, выбрасываемые в голову кометы, отталкиваются под действия давления солнечного света и создают хвост кометы, всегда направленный в сторону, противоположную Солнцу. Чем ближе к Солнцу подходит комета, тем она ярче и тем длиннее её хвост вследствие большего её облучения и интенсивного выделения газов.

Источник: infofiz.ru

Плавление и кристаллизация

Большинство твёрдых тел являются кристаллическими, т.е. имеют кристаллическую решётку — строго определённое, периодически повторяющееся в пространстве расположение своих частиц.

Частицы (атомы или молекулы) кристаллического твёрдого тела совершают тепловые колебания вблизи фиксированных положений равновесия — узлов кристаллической решётки.

Например, узлы кристаллической решётки поваренной соли rm NaCl — это вершины кубических клеток «трёхмерной клетчатой бумаги» (см. рис. 1, на котором шарики большего размера обозначают атомы хлора (изображение с сайта en.wikipedia.org.)); если дать испариться воде из раствора соли, то оставшаяся соль будет нагромождением маленьких кубиков.

Фазовые состояния вещества

Рис. 1. Кристаллическая решётка

Плавлением называется превращение кристаллического твёрдого тела в жидкость. Расплавить можно любое тело — для этого нужно нагреть его до температуры плавления, которая зависит лишь от вещества тела, но не от его формы или размеров. Температуру плавления данного вещества можно определить из таблиц.

Наоборот, если охлаждать жидкость, то рано или поздно она перейдёт в твёрдое состояние. Превращение жидкости в кристаллическое твёрдое тело называется кристаллизацией или отвердеванием. Таким образом, плавление и кристаллизация являются взаимно обратными процессами.

Температура, при которой жикость кристаллизуется, называется температурой кристаллизации. Оказывается, что температура кристаллизации равна температуре плавления: при данной температуре могут протекать оба процесса. Так, при 0^{circ} rm C лёд плавится, а вода кристаллизуется; что именно происходит в каждом конкретном случае — зависит от внешних условий (например, подводится ли тепло к веществу или отводится от него).

Как происходят плавление и кристаллизация? Каков их механизм? Для уяснения сути этих процессов рассмотрим графики зависимости температуры тела от времени при его нагревании и охлаждении — так называемые графики плавления и кристаллизации.

График плавления

Начнём с графика плавления (рис. 2). Пусть в начальный момент времени (точка A на графике) тело является кристаллическим и имеет некоторую температуру t_A.

Фазовые состояния вещества

Рис. 2. График плавления

Затем к телу начинает подводиться тепло (скажем, тело поместили в плавильную печь), и температура тела повышается до величины t_n — температуры плавления данного вещества. Это участок AB графика.

На участке тело получает количество теплоты

Q = c_{T}m(t_n - t_A),

где c_{T} — удельная теплоёмкость вещества твёрдого тела, m — масса тела.

При достижении температуры плавления (в точке B) ситуация качественно меняется. Несмотря на то, что тепло продолжает подводиться, температура тела остаётся неизменной. На участке BC происходит плавление тела — его постепенный переход из твёрдого состояния в жидкое. Внутри участка мы имеем смесь твёрдого вещества и жидкости, и чем ближе к точке C, тем меньше остаётся твёрдого вещества и тем больше появляется жидкости. Наконец, в точке от исходного твёрдого тела не осталось ничего: оно полностью превратилось в жидкость.

Участок CD соответствует дальнейшему нагреванию жидкости (или, как говорят, расплава). На этом участке жидкость поглощает количество теплоты

Q = cm(t_D-t_n),

где — удельная теплоёмкость жидкости.

Но нас сейчас больше всего интересует — участок фазового перехода. Почему не меняется температура смеси на этом участке? Тепло-то подводится!

Вернёмся назад, к началу процесса нагревания. Повышение температуры твёрдого тела на участке есть результат возрастания интенсивности колебаний его частиц в узлах кристаллической решётки: подводимое тепло идёт на увеличение кинетической энергии частиц тела (на самом деле некоторая часть подводимого тепла расходуется на совершение работы по увеличению средних расстояний между частицами — как мы знаем, тела при нагревании расширяются. Однако эта часть столь мала, что её можно не принимать во внимание.).

Кристаллическая решётка расшатывается всё сильнее и сильнее, и при температуре плавления размах колебаний достигает той предельной величины, при которой силы притяжения между частицами ещё способны обеспечивать их упорядоченное расположение друг относительно друга. Твёрдое тело начинает «трещать по швам», и дальнейшее нагревание разрушает кристаллическую решётку — так начинается плавление на участке .

С этого момента всё подводимое тепло идёт на совершение работы по разрыву связей, удерживающих частицы в узлах кристаллической решётки, т.е. на увеличение потенциальной энергии частиц. Кинетическая энергия частиц при этом остаётся прежней, так что температура тела не меняется. В точке кристаллическая структура исчезает полностью, разрушать больше нечего, и подводимое тепло снова идёт на увеличение кинетической энергии частиц — на нагревание расплава.

Удельная теплота плавления

Итак, для превращения твёрдого тела в жидкость мало довести его до температуры плавления. Необходимо дополнительно (уже при температуре плавления) сообщить телу некоторое количество теплоты Q_n для полного разрушения кристаллической решётки (т.е. для прохождения участка ).

Это количество теплоты идёт на увеличение потенциальной энергии взаимодействия частиц. Следовательно, внутренняя энергия расплава в точке больше внутренней энергии твёрдого тела в точке на величину .

Опыт показывает, что величина прямо пропорциональна массе тела:

Q_n = lambda m.

Коэффициент пропорциональности lambda не зависит от формы и размеров тела и является характеристикой вещества. Он называется удельной теплотой плавления вещества. Удельную теплоту плавления данного вещества можно найти в таблицах.

Удельная теплота плавления численно равна количеству теплоты, необходимому для превращения в жидкость одного килограмма данного кристаллического вещества, доведённого до температуры плавления.

Так, удельная теплота плавления льда равна 340 кДж/кг, свинца — 25 кДж/кг. Мы видим, что для разрушения кристаллической решётки льда требуется почти в 14 раз больше энергии! Лёд относится к веществам с большой удельной теплотой плавления и поэтому весной тает не сразу (природа приняла свои меры: обладай лёд такой же удельной теплотой плавления, как и свинец, вся масса льда и снега таяла бы с первыми оттепелями, затопляя всё вокруг).

График кристаллизации

Теперь перейдём к рассмотрению кристаллизации — процесса, обратного плавлению. Начинаем с точки D предыдущего рисунка. Предположим, что в точке нагревание расплава прекратилось (печку выключили и расплав выставили на воздух). Дальнейшее изменение температуры расплава представлено на рис. (3).

Фазовые состояния вещества

Рис. 3. График кристаллизации

Жидкость остывает (участок DE), пока её температура не достигнет температуры кристаллизации, которая совпадает с температурой плавления .

С этого момента температура расплава меняться перестаёт, хотя тепло по-прежнему уходит от него в окружающую среду. На участке EF происходит кристаллизация расплава — его постепенный переход в твёрдое состояние. Внутри участка мы снова имеем смесь твёрдой и жидкой фаз, и чем ближе к точке F, тем больше становится твёрдого вещества и тем меньше — жидкости.Наконец,вточке жидкостинеостаётсявовсе—онаполностьюкристаллизовалась.

Следующий участок FG соответствует дальнейшему остыванию твёрдого тела, возникшего в результате кристаллизации.

Нас опять-таки интересует участок фазового перехода : почему температура остаётся неизменной, несмотря на уход тепла?

Снова вернёмся в точку . После прекращения подачи тепла температура расплава понижается, так как его частицы постепенно теряют кинетическую энергию в результате соударений с молекулами окружающей среды и излучения электромагнитных волн.

Когда температура расплава понизится до температуры кристаллизации (точка E), его частицы замедлятся настолько, что силы притяжения окажутся в состоянии «развернуть» их должным образом и придать им строго определённую взаимную ориентацию в пространстве. Так возникнут условия для зарождения кристаллической решётки, и она действительно начнёт формироваться благодаря дальнейшему уходу энергии из расплава в окружающее пространство.

Одновременно начнётся встречный процесс выделения энергии: когда частицы занимают свои места в узлах кристаллической решётки, их потенциальная энергия резко уменьшается, за счёт чего увеличивается их кинетическая энергия — кристаллизующаяся жидкость является источником тепла (часто у проруби можно увидеть сидящих птиц. Они там греются!). Выделяющееся в ходе кристаллизации тепло в точности компенсирует потерю тепла в окружающую среду, и потому температура на участке не меняется.

В точке расплав исчезает, а вместе с завершением кристаллизации исчезает и этот внутренний «генератор» тепла. Вследствие продолжающегося рассеяния энергии во внешнюю среду понижение температуры возобновится, но только остывать уже будет образовавшееся твёрдое тело (участок ).

Как показывает опыт, при кристаллизации на участке выделяется ровно то же самое количество теплоты Q=lambda m, которое было поглощено при плавлении на участке .

Парообразование и конденсация

Парообразование — это переход жидкости в газообразное состояние (в пар). Существует два способа парообразования: испарение и кипение.

Испарением называется парообразование, которое происходит при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Как вы помните из листка «Насыщенный пар», причиной испарения является вылет из жидкости наиболее быстрых молекул, которые способны преодолеть силы межмолекулярного притяжения. Эти молекулы и образуют пар над поверхностью жидкости.

Разные жидкости испаряются с разными скоростями: чем больше силы притяжения молекул друг к другу — тем меньшее число молекул в единицу времени окажутся в состоянии их преодолеть и вылететь наружу, и тем меньше скорость испарения. Быстро испаряются эфир, ацетон, спирт (их иногда называют летучими жидкостями), медленнее — вода, намного медленнее воды испаряются масло и ртуть.

Скорость испарения растёт с повышением температуры (в жару бельё высохнет скорее), поскольку увеличивается средняя кинетическая энергия молекул жидкости, и тем самым возрастает число быстрых молекул, способных покинуть её пределы.

Скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости: чем больше площадь, тем большее число молекул получают доступ к поверхности, и испарение идёт быстрее (вот почему при развешивании белья его тщательно расправляют).

Одновременно с испарением наблюдается и обратный процесс: молекулы пара, совершая беспорядочное движение над поверхностью жидкости, частично возвращаются обратно в жидкость. Превращение пара в жидкость называется конденсацией.

Конденсация замедляет испарение жидкости. Так, в сухом воздухе бельё высохнет быстрее, чем во влажном. Быстрее оно высохнет и на ветру: пар сносится ветром, и испарение идёт более интенсивно

В некоторых ситуациях скорость конденсации может оказаться равной скорости испарения. Тогда оба процесса компенсируют друг друга и наступает динамическое равновесие: из плотно закупоренной бутылки жидкость не улетучивается годами, а над поверхностью жидкости в этом случае находится насыщенный пар.

Конденсацию водяного пара в атмосфере мы постоянно наблюдаем в виде облаков, дождей и выпадающей по утрам росы; именно испарение и конденсация обеспечивают круговорот воды в природе, поддерживая жизнь на Земле.

Поскольку испарение — это уход из жидкости самых быстрых молекул, в процессе испарения средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшается, т.е. жидкость остывает. Вам хорошо знакомо ощущение прохлады и порой даже зябкости (особенно при ветре), когда выходишь из воды: вода, испаряясь по всей поверхности тела, уносит тепло, ветер же ускоряет процесс испарения (nеперь понятно, зачем мы дуем на горячий чай. Кстати сказать, ещё лучше при этом втягивать воздух в себя, поскольку на поверхность чая тогда приходит сухой окружающий воздух, а не влажный воздух из наших лёгких ;-)).

Ту же прохладу можно почувствовать, если провести по руке кусочком ваты, смоченным в летучем растворителе (скажем, в ацетоне или жидкости для снятия лака). В сорокаградусную жару благодаря усиленному испарению влаги через поры нашего тела мы сохраняем свою температуру на уровне нормальной; не будь этого терморегулирующего механизма, в такую жару мы бы попросту погибли.

Наоборот, в процессе конденсации жидкость нагревается: молекулы пара при возвращении в жидкость разгоняются силами притяжения со стороны находящихся поблизости молекул жидкости, в результате чего средняя кинетическая энергия молекул жидкости увеличивается (сравните это явление с выделением энергии при кристаллизации расплава!).

Кипение

Кипение — это парообразование, происходящее по всему объёму жидкости.

Кипение оказывается возможным потому, что в жидкости всегда растворено какое-то количество воздуха, попавшего туда в результате диффузии. При нагревании жидкости этот воздух расширяется, пузырьки воздуха постепенно увеличиваются в размерах и становятся видимы невооружённым глазом (в кастрюле с водой они осаждают дно и стенки). Внутри воздушных пузырьков находится насыщенный пар, давление которого, как вы помните, быстро растёт с повышением температуры.

Чем крупнее становятся пузырьки, тем большая действует на них архимедова сила, и определённого момента начинается отрыв и всплытие пузырьков. Поднимаясь вверх, пузырьки попадают в менее нагретые слои жидкости; пар в них конденсируется, и пузырьки сжимаются опять. Схлопывание пузырьков вызывает знакомый нам шум, предшествующий закипанию чайника. Наконец, с течением времени вся жидкость равномерно прогревается, пузырьки достигают поверхности и лопаются, выбрасывая наружу воздух и пар — шум сменяется бульканьем, жидкость кипит.

Пузырьки, таким образом, служат «проводниками» пара изнутри жидкости на её поверхность. При кипении наряду с обычным испарением идёт превращение жидкости в пар по всему объёму — испарение внутрь воздушных пузырьков с последующим выводом пара наружу. Вот почему кипящая жидкость улетучивается очень быстро: чайник, из которого вода испарялась бы много дней, выкипит за полчаса.

В отличие от испарения, происходящего при любой температуре, жидкость начинает кипеть только при достижении температуры кипения — именно той температуры, при которой пузырьки воздуха оказываются в состоянии всплыть и добраться до поверхности. При температуре кипения давление насыщенного пара становится равно внешнему давлению на жидкость (в частности, атмосферному давлению). Соответственно, чем больше внешнее давление, тем при более высокой температуре начнётся кипение.

При нормальном атмосферном давлении (1 атм или 10^5 Па) температура кипения воды равна 100^{circ} rm C. Поэтому давление насыщенного водяного пара при температуре равно Па. Этот факт необходимо знать для решения задач — часто он считается известным по умолчанию.

На вершине Эльбруса атмосферное давление равно 0,5 атм, и вода там закипит при температуре 82^{circ} rm C. А под давлением 15 атм вода начнёт кипеть только при 200^{circ} rm C.

Температура кипения (при нормальном атмосферном давлении) является строго определённой для данной жидкости величиной (температуры кипения, приводимые в таблицах учебников и справочников — это температуры кипения химически чистых жидкостей. Наличие в жидкости примесей может изменять температуру кипения. Скажем, водопроводная вода содержит растворённый хлор и некоторые соли, поэтому её температура кипения при нормальном атмосферном давлении может несколько отличаться от ). Так, спирт кипит при 78^{circ} rm C, эфир — при 35^{circ} rm C, ртуть — при 357^{circ} rm C. Обратите внимание: чем более летучей является жидкость, тем ниже её температура кипения. В таблице температур кипения мы видим также, что кислород кипит при -183^{circ} rm C. Значит, при обычных температурах кислород — это газ!

Мы знаем, что если чайник снять с огня, то кипение тут же прекратится — процесс кипения требует непрерывного подвода тепла. Вместе с тем, температура воды в чайнике после закипания перестаёт меняться, всё время оставаясь равной . Куда же при этом девается подводимое тепло?

Ситуация аналогична процессу плавления: тепло идёт на увеличение потенциальной энергии молекул. В данном случае — на совершение работы по удалению молекул на такие расстояния, что силы притяжения окажутся неспособными удерживать молекулы неподалёку друг от друга, и жидкость будет переходить в газообразное состояние.

График кипения

Рассмотрим графическое представление процесса нагревания жидкости — так называемый график кипения (рис. 4).

Фазовые состояния вещества

Рис. 4. График кипения

Участок предшествует началу кипения. На участке жидкость кипит, её масса уменьшается. В точке жидкость выкипает полностью.

Чтобы пройти участок , т.е. чтобы жидкость, доведённую до температуры кипения, полностью превратить в пар, к ней нужно подвести некоторое количество теплоты . Опыт показывает, что данное количество теплоты прямо пропорционально массе жидкости:

Q_n = Lm.

Коэффициент пропорциональности L называется удельной теплотой парообразования жидкости (при температуре кипения). Удельная теплота парообразования численно равна количеству теплоты, которое нужно подвести к 1 кг жидкости, взятой при температуре кипения, чтобы полностью превратить её в пар.

Так, при удельная теплота парообразования воды равна 2300 кДж/кг. Интересно сравнить её с удельной теплотой плавления льда ( кДж/кг) — удельная теплота парообразования почти в семь раз больше! Это и не удивительно: ведь для плавления льда нужно лишь разрушить упорядоченное расположение молекул воды в узлах кристаллической решётки; при этом расстояния между молекулами остаются примерно теми же. А вот для превращения воды в пар нужно совершить куда большую работу по разрыву всех связей между молекулами и удалению молекул на значительные расстояния друг от друга.

Источник: ege-study.ru

Фазовые состояния вещества

Агрегатные и фазовые состояния вещества. При рассмотрении особенностей поведения вещества в космических условиях часто используются такие понятия, как агрегатное и фазовое состояния, фаза и компоненты. Дадим определение этих понятий.

Агрегатные состояния вещества различаются по характеру теплового движения молекул или атомов. Обычно говорят о трех агрегатных состояниях — газообразном, твердом и жидком. В газах молекулы почти не связаны силами притяжения и движутся свободно, заполняя весь сосуд. Структура кристаллических твердых тел характеризуется высокой упорядоченностью — атомы расположены в узлах кристаллической решетки, возле которых они совершают лишь тепловые колебания. В результате кристаллические тела имеют строго ограниченную форму, а при попытке каким-то образом изменить ее возникают значительные упругие силы, противодействующие такому изменению.

Наряду с кристаллами известна и другая разновидность твердых тел — аморфные тела. Главная особенность внутреннего строения аморфных твердых тел — отсутствие полной упорядоченности: лишь в расположении соседних атомов соблюдается порядок, который сменяется хаотическим расположением их друг относительно друга на более значительных расстояниях. Наиболее важный пример аморфного состояния — это стекло.

Тем же самым свойством — ближнего порядка в расположении соседних атомов — обладает вещество в жидком агрегатном состоянии. По этой причине изменение объема жидкости не вызывает в ней возникновения значительных упругих сил, и в обычных условиях жидкость принимает форму сосуда, в котором она находится.

Если вещество состоит из нескольких компонентов (химических элементов или соединений), то его свойства зависят от относительной концентрации этих компонентов, а также от температуры, давления и других параметров. Для характеристики конечного продукта, образующегося при таком комбинировании компонентов, используется понятие фазы. Если рассматриваемое вещество состоит из граничащих друг с другом однородных частей, физические или химические свойства которых различны, то такие части называются фазами. Например, смесь льда и воды представляет собой двухфазную систему, а вода, в которой растворен воздух, — однофазную, потому что в этом случае отсутствует граница раздела между компонентами.

Фазовое состояние — понятие, основанное на структурном представлении термина «фаза». Фазовое состояние вещества определяется только характером взаимного расположения атомов или молекул, а не их относительным движением. Наличие дальнего порядка (полная упорядоченность) соответствует кристаллическому фазовому состоянию, ближнего порядка — аморфному фазовому состоянию, полное отсутствие порядка — газообразному фазовому состоянию.

Фазовое состояние не обязательно совпадает с агрегатным. Например, аморфному фазовому состоянию соответствует обычное жидкое агрегатное состояние и твердое стеклообразное состояние. Твердому агрегатному состоянию соответствуют два фазовых — кристаллическое и аморфное (стеклообразное).

Фазовые состояния вещества

Рис. 2. Диаграмма р—Т равновесия однокомпонентной системы

Переход вещества из одного фазового состояния в другое называется фазовым переходом, или превращением. Если две или больше различных фаз вещества при данных температуре и давлении существуют одновременно, соприкасаясь друг с другом, то говорят о фазовом равновесии. На рис. 2 в качестве примера приведена диаграмма фазового равновесия однокомпонентной системы, построенная в координатах давление (р) — температура (T). Здесь изобара (т. е. прямая постоянного давления) а—а соответствует прямым переходам твердое тело — жидкость (плавление и затвердевание) и жидкость — газ (испарение и конденсация), изобара с—с — переходу твердое тело — газ (сублимация), а изобара в—в — сосуществованию всех трех фаз в так называемой тройной точке, при определенных значениях р и Т.

Влияние невесомости на жидкость. Как влияет тяготение на поведение вещества в различных агрегатных состояниях? В твердых телах атомы и молекулы располагаются в строго определенном порядке, и сила тяготения не может оказать существенного влияния на процессы, происходящие в этом состоянии.

На процессы в газах эта сила может повлиять более значительно. Известно, например, что в условиях неравномерного нагревания различных слоев газа в атмосфере возникает под действием силы тяготения свободная конвекция, т. е. упорядоченный обмен газа между этими слоями. В условиях невесомости этот эффект может не возникнуть.

Но особенно сильное воздействие сила тяготения оказывает на жидкость. При переходе к невесомости в жидкости исчезает сила Архимеда, действующая на компоненты разной плотности и приводящая к их разделению, изменяется характер конвекционных течений, возрастает относительная роль межмолекулярных взаимодействий в жидкости и становится возможным ее свободное удержание вне сосуда (явление левитации). Рассмотрим по этим причинам подробнее процессы, происходящие в жидкости.

Как и в газе, в жидкости молекулы не сохраняют постоянного положения, а за счет тепловой энергии перемещаются с места на место. Если в каком-либо месте жидкости преобладают частицы одного сорта, то за счет более частых столкновений между собой они постепенно переходят в зону, где их концентрация меньше. Этот процесс называется диффузией. Вследствие диффузии за время t происходит смещение частиц на расстояние х = (2Dt)1/2, где D — коэффициент диффузии. Если рассматривать частицы как сферы с радиусом r, то D = W · (??r)–1. Здесь W — тепловая энергия частиц, ? — вязкость жидкости, которая сильно зависит от ее температуры. Когда жидкость охлаждается, то вязкость возрастает и соответственно замедляются процессы диффузии.

Если изменение концентрации частиц одного сорта на расстоянии ?x внутри жидкости равно ?с, то через единичную площадку в 1 с должно проходить число частиц I = — D?c/?x.

Жидкость может содержать несколько компонентов одновременно. Если содержание одного из компонентов мало, то такой компонент рассматривают как примесь. Если в начальный момент примесь распределена в жидкости неравномерно, то диффузионные процессы в жидкости ведут к установлению однородного распределения (гомогенизация).

В некоторых случаях жидкость может содержать компоненты разной плотности. На Земле под действием силы Архимеда постепенно происходит разделение этих компонентов (например, из молока образуются сливки и обрат). В невесомости этого разделения нет, и после затвердевания таких жидкостей могут быть получены вещества с уникальными свойствами. Жидкость может также содержать фазы, которые не смешиваются между собой, например, керосин и воду. На Земле между ними образуются четкие границы раздела. В невесомости путем перемешивания можно получить устойчивую смесь, состоящую из мелких капель той и другой фаз. После затвердевания из подобных смесей разных фаз можно получить однородные композиционные материалы, пенометаллы и т. п.

Возникновение границ раздела между различными фазами в жидкости связано с наличием силы поверхностного натяжения, или капиллярной силы, которая возникает из-за взаимодействия между молекулами жидкости. Поверхностное натяжение можно уподобить силе, которая возвращает в исходное состояние струну, когда музыкант пробует оттянуть ее в сторону. Именно сила поверхностного натяжения приводит к тому, что из плохо закрытого крана падают капли, а не льется тоненькая струйка воды. Но на Земле эти капли невелики: сила тяжести много больше сил поверхностного натяжения и разрывает на части слишком крупные из них. В невесомости ничто не может препятствовать образованию весьма крупных капель, и жидкое тело, предоставленное само себе, будет принимать сферическую форму.

В действительности на борту космического аппарата из-за различного рода малых ускорений состояние невесомости нарушается. Если r — радиус сферы, форму которой принимает жидкость, то действующая на нее капиллярная сила приблизительно равна ?r, где ? — коэффициент поверхностного натяжения. Величина инерционных массовых сил, действующих на жидкость, равна ?gr3, где ? — плотность жидкости, g — малое ускорение. Очевидно, эффекты поверхностного натяжения будут играть главную роль, когда ? · (?gr2)–1 > 1. Этим условием определяется возможность получения в состоянии, близком к невесомости, жидких сфер с радиусом r. Такие жидкие сферы на борту космических аппаратов могут находиться в свободно плавающем состоянии, когда для их удержания не нужны сосуды. Если это жидкий расплав, то при его затвердевании на Земле со стенок сосуда поступают вредные примеси. В космосе можно обойтись без сосуда и, следовательно, получать более чистые вещества.

Тепло- и массообмен в невесомости. Существенное влияние переход к невесомости оказывает также на процессы тепло- и массобмена в жидкостях и газах. Перенос тепла может осуществляться теплопроводностью, конвекцией или излучением, а также любым сочетанием этих механизмов. Теплопроводность — это процесс переноса тепла из зоны с более высокой температурой в зону, где температура ниже, путем диффузии молекул среды между этими зонами. По этой причине коэффициент теплопроводности пропорционален коэффициенту диффузии.

Теплообмен излучением характерен главным образом для твердых и жидких тел и происходит при достаточно высоких температурах. Процессы лучистого теплообмена и теплопроводности не зависят ни от силы тяжести, ни от малых массовых сил, действующих на борту космических аппаратов.

Иное дело конвективный теплообмен. Конвекция — это перенос тепла в жидкой или газообразной среде путем макроскопического перемещения вещества этой среды. Выше уже приводился простейший пример конвекции — свободная (или естественная) конвекция, возникающая вследствие неравномерного распределения температуры в среде, подверженной действию массовых сил (например, силы тяжести или инерционных сил, вызванных малыми ускорениями на борту космического аппарата). Это явление каждый может легко наблюдать у себя дома в любых кипятильниках, когда слои жидкости, имеющие более высокую температуру и вследствие этого более низкую плотность, будут всплывать вверх и переносить с собой теплоту, а на их место, на горячее дно кипятильника, будут опускаться более холодные и плотные слои.

Относительная роль теплообмена за счет свободной конвекции и теплопроводности определяется числом Рэлея:

Фазовые состояния вещества

Здесь g — действующее на систему ускорение, L — характерный размер системы, ? — коэффициент объемного расширения, ?T — перепад температуры в среде, ? — коэффициент теплопроводности, ? — вязкость среды. Отсюда следует, что в условиях, приближающихся к невесомости (g > 0), Ra > 0, и, следовательно, ролью конвекции, ведущей к эффективному перемешиванию среды, можно пренебречь.

Этот вывод имеет двоякое значение. Во-первых, уменьшается вклад конвекции в процессы теплообмена, и передача тепла осуществляется более медленным процессом теплопроводности. Во-вторых, исключение конвекционных токов в среде приводит к тому, что основную роль в массообмене будут играть не макроскопические перемещения вещества, а процессы диффузии. А это, в свою очередь, открывает возможность получения веществ, распределение примесей в которых будет значительно более однородным, чем на Земле.

Кроме свободной конвекции, существует целый ряд Других конвекционных эффектов, одна часть которых зависит от массовых сил, а другая нет. Известна также вынужденная конвекция, которая происходит под действием какого-либо внешнего фактора (например, мешалки, насоса и т. п.). В космических условиях этот вид конвекции используют, чтобы обеспечить нужную скорость отвода тепла от работающих агрегатов.

В качестве примера конвекции, не зависящей от массовых сил, укажем термокапиллярную конвекцию, которая выражается в том, что на границе жидкой фазы могут возникать и распространяться волны. Капиллярные волны обусловлены перепадами температуры, из-за наличия которых величина коэффициента поверхностного натяжения непостоянна вдоль поверхности. Этот тип конвекционного течения, очевидно, не зависит от величины g и может приводить к ухудшению однородности материалов, полученных в космических условиях. Способ компенсации вредных последствий этого эффекта состоит в уменьшении фактических перепадов температуры вдоль поверхности раздела фаз.

Источник: www.k2x2.info


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.