Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 91. Запаянная ампула с жидкостью и ее насыщенным паром
Рис. 92. Поведение границы раздела в зависимости от объема ампулы
держащую некоторое количество жидкости и находящийся над ее поверхностью насыщенный пар (рис. 91). Если внутренний объем ампулы К, превышает критический объем VXf>, соответствующий находящемуся в ампуле количеству вещества (рис. 92), то прямая,
232
V. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
соответствующая изохорическому нагреванию, пройдет справа от критической точки и по мере нагревания количество жидкости в ампуле будет уменьшаться, пока все вещество не обратится в пар в точке С j. При этом граница жидкости опускается и исчезает у нижнего конца ампулы. Если объем ампулы V2 меньше критического объема VK, то при нагревании пар будет конденсироваться, пока все вещество в ампуле не превратится в жидкость. Это произойдет в точке С2. Граница раздела жидкости и пара поднимается и исчезает у верхнего конца ампулы.
Наблюдение критического состояния. Если, наконец, объем ампулы равен критическому, то граница исчезнет где-то посередине ампулы, и произойдет это, когда температура станет равной критической. Если объем ампулы лишь немного отличается от критического, например меньше критического, то при нагревании граница жидкость — пар в ампуле перемещается вверх, но исчезает все-таки раньше, чем доходит до верхнего края ампулы.
При объемах ампулы V х и V2, заметно отличающихся от критического объема 7К, исчезновение границы раздела в точках Сх и С2 происходит при температурах ниже критической. При дальнейшем нагревании ампулы никаких видимых изменений вещества не происходит, в том числе и в точках Dt и D2 при температуре, равной критической.
Кривая равновесия жидкой и твердой фаз. 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—Т-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 возрастает. Наклон кривой плавления будет противополож-
§ 27. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
233
ным, если при плавлении объем уменьшается, как это происходит, например, при таянии льда и плавлении чугуна.
Тройная точка. Две фазы вещества могут находиться в равновесии друг с другом вдоль кривых сосуществования на р—Т-диаграмме 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 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. 93. Наклон кривой плавления Аб изображен для случая, когда плавление сопровождается уменьшением объема, как у льда. В отличие от кривой равновесия пара и жидкости АК, оканчивающейся при критической температуре в точке К, кривая плавления АВ продолжается неограниченно.
Кривая равновесия твердого тела с газом на р—7-диаграмме уходит в начало координат. Действительно, по законам классической механики при стремлении температуры 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.
Квантовые жидкости. Существует только одно исключение из этого правила: гелий остается жидким при всех температурах вплоть до абсолютного нуля, если давление не превышает 25 атм. Это исключение объясняется квантовыми эффектами. Вследствие малой массы атома гелия его дебройлевская длина волны h/(2mkT)112 при низких температурах (порядка нескольких кельвинов) оказывается сравнимой со средним расстоянием между атомами. В результате прису-
