Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Диаграмма состояний. Если изменить давление, то изменится и температура фазового перехода. Другими словами, сосуществование двух фаз в равновесии возможно лишь при строго определенном соотношении между давлением и температурой. Если изобразить эту зависимость в виде кривой в системе координат р—Т, то получится так называемая диаграмма состояний.
Кривая равновесия пар-жидкость. Рассмотрим диаграмму состояний для фазового перехода между жидкостью и ее паром. Вспомним, что на р— 7-диаграмме (рис. 86) равновесию между жидкостью и паром соответствуют горизонтальные участки экспериментальных изотерм. Горизонтальный ход изотермы на этих участках соответствует тому, что при данной температуре независимо от объема равновесие между жидкостью и паром возможно только при определенном давлении. Поэтому для получения кривой равновесия жидкости и пара на р—Т-диаграмме нужно на оси абсцисс отложить значения температуры для каждой изотермы, а на оси ординат давление, соответствующее ее горизонтальному участку. В результате получится кривая, изображенная на рис. 89: давление, при кото-
Газ
Рис. 89. Кривая равновесия жидкости и пара на р—Т-диаграмме
230
V. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
ром жидкость и пар могут находиться в равновесии, возрастает с увеличением температуры.
Кривая сосуществования заканчивается в критической точке, так как из р— К-диаграмм видно, что по мере повышения температуры горизонтальный участок изотерм становится все меньше и исчезает при критической температуре — при температурах выше критической жидкость существовать не может. По мере приближения к критической температуре плотность насыщенного пара возрастает; при Г = Гк она становится равной плотности жидкости и пар вообще становится неотличимым от жидкости.
Кривая равновесия жидкости и пара на р— Г-диаграмме дает зависимость давления насыщенных паров от температуры. В то же самое время эта кривая дает зависимость температуры кипения жидкости от давления, так как кипение происходит при такой температуре, когда давление насыщенного пара в пузырьках становится равным давлению в жидкости. Поэтому иногда она называется кривой кипения.
Кривая равновесия жидкости и пара представляет собой некоторую границу на р—Г-диаграмме. Так как при заданном давлении более высоким температурам соответствует пар, а более низким температурам — жидкость и, наоборот, при заданной температуре более низким давлениям соответствует пар, а более высоким давлениям — жидкость, то область справа и снизу от кривой равновесия соответствует газообразной, а область слева и сверху от нее — жидкой фазе.
Переход пар-жидкость. Существование критической точки на кривой равновесия жидкости и пара отчетливо демонстрирует отсутствие принципиальной разницы между жидким и газообразным состояниями вещества. Поясним это следующим примером. Возьмем пар в некотором состоянии А (рис. 90) и переведем его в жидкость в состоянии, изображенном точкой В. Такое превращение можно осуществить разными путями. Можно, например, охлаждать газ при постоянном давлении рА до тех пор, пока температура не станет равной Тв, а затем поднять давление при постоянной температуре до значения рв (путь 1 на рис. 90). В процессе изобарического охлаждения путь 1 пересекает кривую равновесия, и в этой точке система расслаивается на две фазы, так как происходит конденсация пара в жидкость.
Можно перевести систему из состояния А в состояние В по пути 2, сначала изотермически сжимая газ до давления рв, а затем изо-
Рис. 90. Переход из газообразного состояния А в жидкое В по разным путям на р—Г-диаграмме
§ 27. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
231
барически охлаждая до температуры Тв. В этом случае конденсация пара и расслоение на две фазы произойдет в процессе изотермического сжатия.
Но переход между теми же состояниями А и В можно провести и таким способом, при котором нигде не будет происходить скачкообразного изменения состояния и вещество все время будет оставаться однородным. Этого можно добиться, осуществляя процесс в обход кривой сосуществования пара и жидкости, например по пути 3 на рис. 90. Осуществляя переход по этому пути, мы нище не увидели бы конденсации и, следовательно, не смогли бы сказать, что вещество перестало быть газом и стало жидкостью. И тем не менее и в этом случае мы попадем в то же самое конечное состояние, в котором рассматриваемую систему мы считаем жидкостью.
В обычных условиях газы и жидкости настолько сильно отличаются друг от друга по плотности, что не представляет никакого труда различить их. Но, как мы видели, различие между этими состояниями вещества в действительности не принципиальное, а скорее количественное. Различие в плотности сказывается на интенсивности взаимодействия молекул и на характере теплового движения. Но и газ при температурах выше критической можно сжать до такой степени, что его плотность станет больше характерного значения плотности жидкости.
Изохорический переход пар-жидкость. Рассмотрим теперь процесс перехода вещества из одной фазы в другую, происходящий при неизменном объеме. Будем нагревать запаянную ампулу, со-
