Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Если неустойчивость состояний, соответствующих участкам СС, и ВВ{, обусловливалась наличием центров конденсации и кипения и потому была в принципе устранимой, то неустойчивость состояний на участке СуВ{ связана с неизбежными тепловыми флуктуациями и принципиально неустранима. Поэтому такие состояния теоретической изотермы никогда не осуществляются.
Наличие неосуществимого участка на изотермах Ван-дер-Вааль-са при температурах ниже критической означает, что при постепенном изменении объема вещество не может все время оставаться однородным: в некоторый момент должно произойти расслоение вещества на две фазы — жидкую и газообразную.
В связи с этим интересно отметить, что эмпирическое уравнение Ван-дер-Ваальса, полученное с целью введения малых поправок к уравнению состояния идеального газа, фактически оказалось эффективным в гораздо более широкой области. В самом деле, оно указало на существование критической температуры и на необходимость расслоения вещества на фазы при температурах ниже критической. Оно также отразило возможность существования состояний пересыщенного пара и перегретой жидкости, качественно описало малую сжимаемость жидкостей и т. п.
Критическое состояние вещества.
Проследим, как изменяется по мере повышения температуры область сосуществования двух фаз на р-7-диаграмме.
Прямолинейный участок экспериментальной изотермы уменьшается с ростом температуры и при критической температуре стягивается в одну точку К на рис. 86. Если соединить между собой точки начала горизонтальных участков на всех изотермах, а также точки концов этих участков, то получим некоторую кривую MKN (рис. 88). Эта кривая представляет собой границу, отделяющую состояния, в которых вещество существует в двух находящихся в равновесии фа-
Рис. 88. Границы равновесия различных фаз вещества на р—V-диаграмме
228
V. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
зах, от однофазных состояний. Соответствующие точке К давление и объем получили название критических. Состояние вещества в точке К называется критическим состоянием.
В критической точке сливаются в одну три точки, в которых горизонтальный участок экспериментальной изотермы пересекает изотерму Ван-дер-Ваальса.
В критическом состоянии исчезает различие между жидкостью и газом, нет и никакой границы раздела между ними. При этом теряют смысл такие понятия, как поверхностное натяжение, теплота парообразования.
Сжимаемость вещества при приближении к критическому состоянию неограниченно возрастает: график изотермы в окрестности этой точки идет горизонтально и, следовательно, малое изменение объема вещества не сопровождается изменением давления. Это приводит к существованию больших флуктуаций плотности в критическом состоянии, которые проявляются, например, в явлении критической опалесценции — сильном рассеянии света на случайных неоднородностях.
Границы равновесия разных фаз вещества между собой показаны на диаграмме состояний (рис. 88). Граница KS является чисто условной и соответствует историческому делению газообразного состояния на пар и «истинный газ» в зависимости от того, находится ли вещество при температуре ниже или выше критической. В отличие от границы MKN на этой диаграмме, при переходе через границу LKS никаких качественных изменений в веществе не происходит.
• В каких явлениях обнаруживаются отклонения поведения реальных газов от предсказаний модели идеального газа?
• Почему модель твердых шаров не в состоянии объяснить факт усиления отклонения свойств реального газа от идеального при понижении температуры?
• Какой физический смысл имеют параметры а и Л, фигурирующие в уравнении Ван-дер-Ваальса? Какова их размерность? Каким образом определяются их значения для реальных газов?
• В чем заключается феноменологический характер уравнения Ван-дер-Ваальса?
• С чем связан качественно различный вид изотерм Ван-дер-Ваальса при разных температурах?
• Опишите физические процессы при изменении объема системы, соответствующие разным участкам экспериментальной изотермы.
• Как практически можно осуществить метастабильные состояния, соответствующие участкам ССХ и ВВ{ теоретической изотермы Ван-дер-Ва-альса (рис. 87)?
• Почему участок ВуСу теоретической изотермы (рис. 87) принципиально неосуществим на опыте?
§ 27. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
229
• Поясните, каким образом уравнение Ван-дер-Ваальса указывает на необходимость расслоения вещества на фазы при температурах ниже критической.
¦ Что такое критическое состояние? Какими свойствами обладает вещество в критическом состоянии?
• Поясните, почему при переходе через границу LKS на рис. 88, разделяющую газ и пар, никаких качественных изменений в состоянии вещества не происходит.
§ 27. Фазовые переходы
Переход вещества из одной фазы в другую при заданном давлении происходит всегда при строго определенной температуре. Например, если нагревать лед при нормальном атмосферном давлении, то он начнет плавиться при достижении температуры 0°С, и эта температура, несмотря на подвод теплоты, будет оставаться неизменной до тех пор, пока весь лед не растает и не превратится в воду. В процессе плавления лед и вода существуют одновременно, находясь в тепловом равновесии друг с другом. Если прекратить подвод теплоты, то лед и вода будут сосуществовать при этой температуре неограниченно долго.
