Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
1. Фазой называется макроскопическая физически однородная часть веи^ества, отделенная от остальных частей системы границами раздела, так что она может быть извлечена из системы механическим путем.
Допустим, например, что в закрытом сосуде заключена некоторая масса воды, над которой находится смесь воздуха с водяными парами. Эта система является двухфазной. Она состоит из двух фаз: жидкой (вода) и газообразной (смесь воздуха с водяными парами). Если бы воздуха не было, то в системе также было бы две фазы: жидкая (вода) и газообразная (водяные пары). Бросим в воду кусочки льда. Система превратится в трехфазную и будет состоять из твердой фазы (лед), жидкой (вода) и газообразной (смесь воздуха с водяными парами). Добавим к воде некоторое количество спирта. Число фаз не изменится, так как вода смешивается со спиртом, образуя физически однородную жидкость. Однако, если к воде добавить ртуть, то последняя не смешивается с водою, и получится система с двумя жидкими фазами: ртутью и водой. Газообразная фаза по-прежнему будет одна; она состоит из смеси воздуха, паров воды и паров ртути. Бросив в воду кусочки поваренной соли, получим систему с двумя твердыми фазами: льдом и твердой поваренной солью. При подсчете числа фаз не имеет значения, является ли та или иная фаза единым телом или состоит из нескольких частей, отделенных одна от другой. Так, капельки тумана в воздухе образуют вместе с ним двухфазную систему, состоящую из жидкой фазы (вода) и газообразной фазы (смесь воздуха с водяными парами). В системе может быть несколько твердых или жидких фаз. Но она не может содержать более одной газообразной фазы, так как все газы смешиваются между собой.
2. Важнейшим вопросом в учении о фазах является выяснение условий, при которых система, состоящая из двух или нескольких фаз, находится в равновесии. Последнее включает в себя механическое и тепловое равновесия. Для теплового равновесия необходимо, чтобы все фазы системы имели одну и ту же температуру. Необходимым условием механического равновесия является равенство давлений по разные стороны границы раздела соприкасающихся фаз. Впрочем, последнее условие строго справедливо только
444
ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ [ГЛ. X
в случае плоских границ раздела. В случае кривых границ оно нарушается действием сил поверхностного натяжения. Так, на поверхности раздела жидкости и ее пара при равновесии существует
разность давлений Р2 — Р^оК, где К — тг + ъ—средняя кри-
і\ і
визиа этой поверхности (см. § 109). Сначала мы будем пренебрегать кривизной поверхностей раздела фаз, предполагая, что они либо плоские, либо их кривизна мала. Влияние кривизны будет учтено особо.
Равенство давлений и температур еще не означает, что система находится в равновесии, так как соприкасающиеся фазы могут превращаться друг в друга. Такие превращения называются фазо¦>. выми превращениями. При фазовых превращениях одни фазы растут, другие уменьшаются и даже могут совсем исчезнуть. Состояние равновесия характеризуется тем, что массы всех фаз системы остаются неизменными. Следовательно, должно быть выполнено еще одно необходимое условие равновесия — равновесие по отношению к взаимным превращениям фаз. Это — основное условие в учении о равновесии фаз и фазовых превращениях.
3. Примерами фазовых превращений могут служить изменения агрегатного состояния вещества. Под агрегатными состояниями понимают твердое, жидкое и газообразное состояния вещества. Твердое и жидкое состояния называются конденсированными. Испарением или парообразованием в широком смысле слова называют переход вещества из конденсированного состояния в газообразное. Обратный переход называется конденсацией. В узком смысле испарение есть переход вещества из жидкого состояния в газообразное. Переход из твердого состояния непосредственно в газообразное называется сублимацией или возгонкой. Переход из твердого состояния в жидкое называется плавлением, а обратный переход из жидкого состояния в твердое — затвердеванием или кристаллизацией.
Хорошо известным примером сублимации является превращение льда в пар — мокрое белье высыхает на морозе. Приведем другой пример. Поместим кристаллики йода в стеклянную колбу и нагреем их на спиртовой или газовой горелке. Плавления не наблюдается. Однако в колбе появятся фиолетовые пары йода, получившиеся в результате его сублимации. При охлаждении пары йода, соприкасаясь с холодными стенками колбы, кристаллизуются и оседают на них в виде маленьких кристалликов.
Твердое состояние вещества может реализоваться в различных кристаллических модификациях. Это явление называется полиморфизмом. Например, твердый углерод может существовать в виде графита или алмаза, которые отличаются друг от друга кристаллической структурой. Существует несколько разновидностей льда, т. е. твердой воды. Твердое железо может существовать в четырех различных модификациях (a-, [j-, -у- и б-железо). Некоторые жидкости
§ ш]
ФАЗЫ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
445
могут также существовать в виде различных модификаций (жидкие кристаллы, жидкие гелий I и гелий II). При изменении температуры и давления одни модификации могут превращаться в другие. Такие превращения относятся также к числу фазовых превращений. Превращение вещества из одной кристаллической модификации в другую называется полиморфным превращением.
