Физика для поступающих в вузы - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Аналогичным образом на р—Г-диаграмме состояний можно рассмотреть кривую равновесия жидкой и твердой фаз. Эта кривая выражает зависимость температуры плавления от давления и называется кривой плавления. По • сравнению с кривой равновесия жидкости и пара она имеет две характерные особенности. Во-первых, на кривой плавления отсутствует критическая точка. Это связано с тем, что истинно твердые, т. е. кристаллические, тела обладают упорядоченной молекулярной структурой и принципиально отличаются от жидкостей и газов своей анизотропией. Переход между жидкостью и кристаллом не может быть произведен непрерывным образом, как это можно сделать для жидкости и газа в обход критической точки. Всегда можно точно указать, к какой фазе — жидкой или кристаллической — относится то или иное состояние вещества.
Во-вторых, наклон кривой плавления на р—Г-диаграмме может быть разным, в отличие от кривой кипения, где давление всегда возрастает с увеличением температуры. Если при плавлении объем вещества увеличивается, то кривая плавления наклонена в ту же сторону, что и кривая кипения. Напомним, что при испарении объем всегда воз--растает. Наклон кривой плавления будет противоположным, если при плавлении объем уменьшается, как это происходит, например, при таянии льда.
196 ГАЗЫ, ЖИДКОСТИ, ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
Две фазы вещества могут находиться в равновесии друг с другом вдоль кривых сосуществования на р—ТЧдиаграм-ме состояний. Три фазы одного и того же вещества могут одновременно находиться в равновесии друг с другом лишь в одной определенной точке на диаграмме р—Т. В этой точке сходятся вместе кривые равновесия каждых двух
фаз, в том числе кривые плавления и кипения. Точки равновесия трех фаз называются тройными точками. Например, у воды одновременное существование в равновесии льда, воды и пара возможно только при давлении 4,62 мм рт. ст. и температуре +0,01 °С.
Тройная точка воды очень удобна в качестве стандартной точки температурной шкалы, так как ее воспроизведение, в отличие от точки кипения или плавления, не требует специального поддержания определенного давления.
Схематическая диаграмма состояний для вещества, имеющего три фазы — твердую, жидкую и газообразную,— показана на рис. 10.5. Наклон кривой плавления АВ изображен для случая, когда плавление сопровождается уменьшением объема, как у льда. В отличие от кривой рав-новесияпара и жидкости А К, оканчивающейся при критической температуре в точке К, кривая плавления АВ продолжается неограниченно. Кривая равновесия твердого тела с газом уходит в начало координат. Действительно,'* по законам классической механики при стремлении тем-пературй к абсолютному нулю тепловое движение прекращается. Неподвижные атомы занимают такое расположение, при котором потенциальная энергия взаимодействия минимальна. Это расположение представляет собой регулярную пространственную решетку. Поэтому при абсолютном нуле температуры любое вещество с точки зрения классической механики должно быть кристаллическим. Существует только одно исключение из этого правила:
Рис. 10.5. р—Г-диаграмма равновесных состояний вещества.
§ 10. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
197
гелий остается жидким при всех температурах, вплоть до абсолютного нуля, если давление не превышает 25 атм.
Диаграмма состояний позволяет сразу ответить на вопрос, что произойдет с веществом при его нагревании или сжатии. Если, например, вещество в газообразном состоянии, изображаемом точкой С на рис. 10.5, подвергнуть изотермическому сжатию, то происходящий с ним процесс изобразится вертикальной пунктирной линией. Видно, что при давлении рг газ затвердеет, а образовавшийся кристалл при давлении рг расплавится.
Из диаграммы существования фаз видно, что кристалл при изобарическом нагревании не обязательно должен проходить через стадию жидкого состояния для того, чтобы превратиться в газ. Если давление выше тройной точки, то при нагревании кристалл действительно сначала расплавится, а получившаяся жидкость затем испарится. Но при давлении ниже тройной точки кристалл при нагревании сразу превращается в пар. Такой переход называется сублимацией или возгонкой. Именно так ведет себя твердая углекислота при нормальном атмосферном давлении, так как ее тройной точке соответствует давление 5,1 атм.
В заключение этого параграфа обсудим очень эффектный опыт, легко воспроизводимый с помощью самых простых средств. В стеклянный сосуд наливают некоторое количество четыреххлористого углерода (СС14), а сверху слой воды. При нормальном атмосферном давлении вода кипит при 100 °С, а четыреххлористый углерод — при 76,7 °С. Если медленно нагревать сосуд в водяной бане, то на границе' раздела этих несмешивающихся жидкостей кипение начинается при 65,5 °С! Как объяснить это явление?
Кипение — это образование пузырьков пара внутри жидкости. Оно наступает, когда давление насыщенного пара сравняется с давлением в жидкости на той глубине, где образуется пузырек. Давление жидкости складывается из атмосферного давления и гидростатического давления столба жидкости. Если высота столба жидкости в сосуде несколько сантиметров, то гидростатическое давление составляет несколько тысячных от нормального атмосферного, и его можно не принимать во внимание. Давление насыщенных паров жидкости определяется ее температурой. В воде пузырьки содержат только пары воды, и при
