Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Фазы и компоненты термодинамической системы. Фазой вещества называется его макроскопическая однородная часть, отделенная от других частей границами раздела. Например, в закрытом сосуде над некоторым количеством воды находится смесь воздуха с водяными парами. Это двухфазная система, состоящая из двух фаз: жидкой (вода) и газообразной (смесь воздуха и паров воды). Если бы воздуха в сосуде не было, то в системе все равно было бы две фазы — жидкая (вода) и газообразная (пары воды), так что разделение вещества на фазы возможно и в однокомпонентной системе, а не только в смеси разных веществ.
Если к воде добавить спирт, то число фаз в системе не изменится, так как при разведении спирта в воде образуется физически однородная жидкость. Если же к воде добавить растительное масло, то получится система с двумя жидкими фазами — маслом и водой.
210
V. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
При подсчете числа фаз не имеет значения, сосредоточена ли определенная фаза в одном месте или состоит из нескольких частей, отделенных одна от другой другими фазами. Так, капельки тумана в воздухе образуют с ним двухфазную систему. Смесь газов, будучи многокомпонентной системой, всегда образует однофазную систему.
Фазовые превращения. Примерами фазовых превращений могут служить изменения агрегатного состояния вещества. Под агрегатными состояниями понимают твердое, жидкое и газообразное состояния вещества. Иногда в качестве четвертого агрегатного состояния вещества выделяют плазму. Твердое и жидкое состояния вещества называют конденсированными.
Испарением или парообразованием называют переход вещества из конденсированного состояния в газообразное. Обратный переход называется конденсацией. Переход из твердого состояния в жидкое называется плавлением, а обратный переход затвердеванием или кристаллизацией.
Твердое состояние одного и того же вещества может реализовываться в нескольких кристаллических модификациях. Превращение модификаций друг в друга тоже дает пример фазового перехода.
Равновесие фаз. При каких условиях различные фазы могут находиться в равновесии? Для механического равновесия давление по разные стороны границы соприкасающихся фаз должно быть одинаковым. Для теплового равновесия фазы должны иметь одинаковую температуру.
Равновесие фаз — это всегда динамическое равновесие, поскольку молекулы, совершая хаотическое тепловое движение, непрерывно переходят через границу из одной фазы в другую и обратно. Но эти потоки компенсируют друг друга.
Испарение и конденсация. Рассмотрим подробнее один из простейших примеров фазовых превращений — испарение жидкости и конденсацию пара.
Количество жидкости, налитой в открытый сосуд, постепенно уменьшается. При этом покидают жидкость преимущественно быстрые молекулы, кинетическая энергия которых достаточна для преодоления сил притяжения со стороны других молекул жидкости в приповерхностном слое. В результате внутренняя энергия жидкости уменьшается, и если не подводить к ней теплоту, то в процессе испарения ее температура будет понижаться.
Одновременно с испарением идет и обратный процесс конденсации, т. е. возвращение части молекул из пара в жидкость. В открытом сосуде испарение обычно не компенсируется конденсацией и количество жидкости уменьшается.
Если сосуд плотно закрыть, то вскоре установится динамическое равновесие и уровень жидкости не будет изменяться. Пар, находя-
§ 25. ГАЗЫ, ЖИДКОСТИ, ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
211
щийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. Название подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.
Наличие других газов или паров над поверхностью жидкости не влияет на процесс образования пара. Максимальное давление пара данного вещества, т. е. его максимальное парциальное давление, равно давлению насыщенного пара соответствующей жидкости и не зависит от присутствия других газов.
Давление насыщенного пара. Будем постепенно уменьшать объем пара над жидкостью, вдвигая закрывающий сосуд поршень. При этом часть вещества перейдет из газообразной фазы в жидкость, но давление пара не изменится, если поддерживается прежняя температура. Это значит, что давление насыщенного пара зависит только от температуры. Такой опытный факт можно качественно объяснить на основе представлений статистической механики.
Число вылетающих из жидкости молекул через участок границы единичной площади не зависит от того, сколько пара находится над жидкостью. В динамическом равновесии число вылетающих и влетающих молекул одинаково. Значит, и число молекул, влетающих в жидкость через единичную поверхность, не зависит от занимаемого паром объема. Так как это число при данной температуре определяется концентрацией п молекул пара, то концентрация, а тем самым и давление р = пкТ, не зависят от объема, а определяются только температурой. Для каждого вещества давление насыщенного пара при данной температуре имеет свое вполне определенное значение.
