Jei sistema yra vienkomponentė, tai yra, susidedanti iš chemiškai vienalytės medžiagos arba jos junginio, tada fazės sąvoka sutampa su agregacijos būsenos samprata. Pagal § 60, ta pati medžiaga, priklausomai nuo santykio tarp dvigubos vidutinės energijos vienam laisvės laipsniui chaotiškam šiluminiam molekulių judėjimui ir mažiausios potencialios molekulių sąveikos energijos, gali būti vienoje iš trijų agregacijos būsenų: kieta. , skystas arba dujinis. Šį santykį savo ruožtu lemia išorinės sąlygos – temperatūra ir slėgis. Vadinasi, fazių transformacijas taip pat lemia temperatūros ir slėgio pokyčiai. Jis naudojamas norint vizualiai pavaizduoti fazių transformacijas būsenos diagrama(115 pav.), ant kurių koordinatėmis r, T fazinio virsmo temperatūros ir slėgio santykis nurodomas garavimo (EC), lydymosi (MC) ir sublimacijos (CS) kreivių forma, diagramos lauką padalijant į tris sritis, atitinkančias kietosios medžiagos (TT) egzistavimo sąlygas, skystos (L) ir dujinės (G) fazės Diagramoje esančios kreivės vadinamos fazių pusiausvyros kreivės, kiekvienas jų taškas atitinka

atitinka dviejų kartu egzistuojančių fazių pusiausvyros sąlygas: CP - kietas ir skysčiai, CI – skysčiai ir dujos, KS – kietosios medžiagos ir dujos.

Taškas, kuriame šios kreivės susikerta ir dėl to apibrėžia sąlygas (temperatūrą T tr ir atitinkamą pusiausvyros slėgį p tr), kai vienu metu gali egzistuoti trys medžiagos fazės. trigubas taškas. Kiekviena medžiaga turi tik vieną trigubą tašką. Trigubas taškas vandeniui būdinga 273,16 K temperatūra (Celsijaus skalėje ji atitinka 0,01 °C temperatūrą) ir yra pagrindinis atskaitos taškas konstruojant termodinaminę temperatūros skalę.

Termodinamika pateikia metodą, kaip apskaičiuoti tos pačios medžiagos dviejų fazių pusiausvyros kreivę. Pagal Clapeyron-Clausius lygtis, pusiausvyros slėgio išvestinė temperatūros atžvilgiu

Kur L-šiluma fazių perėjimas, (V 2 -V 1) - medžiagos tūrio pokytis pereinant iš pirmosios fazės į antrąją, T- pereinamoji temperatūra (izoterminis procesas).

Clapeyron-Clausius lygtis leidžia mums nustatyti pusiausvyros kreivių nuolydžius. Kadangi L Ir T yra teigiami, nuolydis nurodomas ženklu V 2 -V 1. Garuojant skysčiams ir sublimuojant kietosioms medžiagoms medžiagos tūris visada didėja, todėl pagal (76.1) d. p/d T>0; todėl šiuose procesuose dėl temperatūros padidėjimo didėja slėgis ir atvirkščiai. Kai dauguma medžiagų ištirpsta, tūris dažniausiai didėja, t.y p/d T>0; todėl padidėjus slėgiui didėja lydymosi temperatūra (115 pav. kietas CP). Kai kurių medžiagų (H 2 O, Ge, ketaus ir kt.) skystosios fazės tūris yra mažesnis už kietosios fazės tūrį, t.y. p/d T<0; следовательно, увеличение давления сопровождается понижением температуры плавления (штриховая ли­ния на рис. 115).

Būsenos diagrama remiantis

remiantis eksperimentiniais duomenimis, leidžia spręsti, kokioje būsenoje yra tam tikra medžiaga r Ir T, taip pat kokie fazių perėjimai įvyks tam tikro proceso metu. Pavyzdžiui, tašką atitinkančiomis sąlygomis 1 (116 pav.), medžiaga yra kietos būsenos, taškas 2 – dujinis, o taškas 3 – ir skystos, ir dujinės. Tarkime, kad medžiaga yra kietos būsenos, atitinkančios tašką 4, patiria izobarinį kaitinimą, parodytą horizontalioje punktyrinės linijos fazių diagramoje 4- 5-6. Paveikslėlyje parodyta, kad esant temperatūrai, atitinkančiai tašką 5, medžiaga lydosi aukštesnėje temperatūroje, atitinkančioje tašką 6 - pradeda virsti dujomis. Jei medžiaga yra kietos būsenos, atitinkančios 7 punktą, tada izobarinio kaitinimo metu (punktyrinė linija 7- 8) kristalas virsta dujomis nepraeidamas per skystąją fazę. Jei medžiaga yra 9 punkte nurodytos būsenos, tada izoterminio suspaudimo metu (punktyrinė linija 9-10) ji praeis per šias tris būsenas: dujinė – skysta – kristalinė būsena.

Būsenos diagramoje (žr. 115 ir 116 pav.) matyti, kad garavimo kreivė baigiasi kritiniame taške K. Todėl galima tęstinis medžiagos perėjimas iš skystos į dujinę būseną ir atgal, apeinant kritinį tašką, nekertant garavimo kreivės (perėjimas 11 -12 pav. 116), ty perėjimą, kuris nėra lydimas fazių transformacijų. Tai įmanoma dėl to, kad skirtumas tarp dujų ir skysčio yra grynai kiekybinis.

nym (pavyzdžiui, abi šios būsenos yra izotropinės). Perėjimas iš kristalinės būsenos (kuriai būdinga anizotropija) į skystą ar dujinę gali būti tik staigus (dėl fazinio perėjimo), todėl

lydymosi ir sublimacijos kreivės negali nutrūkti, kaip yra garavimo kreivės kritiniame taške. Lydymosi kreivė eina į begalybę, o sublimacijos kreivė eina iki taško, kur r= 0 ir T = 0.

Saugumo klausimai

Kuo tikrosios dujos skiriasi nuo idealiųjų? Ką reiškia pataisymai išvedant van der Waals lygtį?

Kodėl perkaitintas skystis ir persotintas garas yra metastabilios būsenos? Adiabatiškai plečiant dujas į vakuumą, jų vidinė energija nekinta. Kaip pasikeis temperatūra, jei dujos yra idealios? tikras?

Kokia yra Džaulio-Tomsono efekto esmė ir priežastys? Kada tai vadinama teigiama? neigiamas?

Kodėl didėjant temperatūrai mažėja visų medžiagų paviršiaus įtempis? Kas yra aktyviosios paviršiaus medžiagos? Kokiomis sąlygomis skystis drėkina kietą medžiagą? ar ne šlapia? Kas lemia drėkinančio skysčio pakilimo kapiliare aukštį? Kuo monokristalai skiriasi nuo polikristalų? Kaip galima klasifikuoti kristalus?

Kaip gauti Dulongo ir Petito dėsnį, pagrįstą klasikine šilumos talpos teorija? Tam tikras kiekis kietos medžiagos sumaišomas su ta pačia medžiaga skystoje būsenoje. Kodėl šį mišinį šiek tiek pakaitinus, jo temperatūra nepakyla? Kuo pirmosios eilės fazės perėjimas skiriasi nuo antros eilės fazės perėjimo?

Užduotys

10.1. Anglies dioksidas, kurio masė m=1 kg, yra 290 K temperatūroje 20 litrų talpos inde. Nustatykite dujų slėgį, jei: 1) dujos tikros; 2) idealios dujos. Paaiškinkite rezultatų skirtumą. Pataisos A Ir b paimkite atitinkamai 0,365 N m 4 /mol 2 ir 4,3 10 -5 m 3 /mol. [1) 2,44 MPa; 2) 2,76 MPa ]

10.2. Deguonis, kuriame yra medžiagos kiekis v = 2 mol, užima tūrį V 1 = 1 l. Nustatykite deguonies temperatūros pokytį T, jei jis adiabatiškai išsiplečia į vakuumą iki tūrio V 2 =10 litrų. Pataisa A imti lygų 0,136 N m 4 /mol 2. [-11,8 K |

10.3. Parodykite, kad Džaulio-Tomsono efektas visada yra neigiamas, jei drosuojamos dujos, o molekulių traukos jėgos gali būti nepaisomos.

10.4. Atsižvelgiant į tai, kad muilo burbulų susidarymo procesas yra izoterminis, nustatykite darbą A, kuri turi būti padaryta norint padidinti jo skersmenį nuo d 1 =2 cm iki d 2 =6 cm Paimkite muilo tirpalo paviršiaus įtempimą, lygų 40 mN/m.

10.7. Norėdami pašildyti 25 g sveriantį metalinį rutulį nuo 10 iki 30 °C, buvo sunaudotas 117 J šilumos kiekis. Pagal Dulongo ir Petit dėsnį nustatykite rutulio šiluminę talpą ir rutulio medžiagą. [M107 kg/mol; sidabras]

*P. Laplasas (1749 m -1827) - prancūzų mokslininkas.

* K. Linde (1842-1934) – vokiečių fizikas ir inžinierius.

Taigi, yra sąlygų, kuriomis garai, skystis ir kristalas gali egzistuoti poromis pusiausvyroje. Ar visos trys būsenos gali būti pusiausvyroje? Toks slėgio ir temperatūros diagramos taškas yra vadinamas trigubu. kur jis yra?

Jei į uždarą indą įdėsite vandenį su plūduriuojančiu ledu nulio laipsnių temperatūroje, vandens (ir „ledo“) garai pradės tekėti į laisvą erdvę. Esant 4,6 mm Hg garų slėgiui. Art. garavimas sustos ir prasidės prisotinimas. Dabar trys fazės – ledas, vanduo ir garai – bus pusiausvyros būsenoje. Tai yra trigubas taškas.

Ryšys tarp skirtingų būsenų yra aiškiai ir aiškiai parodytas vandens diagramoje, parodytoje fig. 4.11.

Tokia schema gali būti sukurta bet kuriam kūnui.

Paveikslėlyje pateiktos kreivės mums žinomos – tai pusiausvyros kreivės tarp ledo ir garo, ledo ir vandens, vandens ir garų. Slėgis vaizduojamas vertikaliai, kaip įprasta, temperatūra – horizontaliai.

Trys kreivės susikerta trigubame taške ir padalija diagramą į tris sritis – ledo, vandens ir vandens garų gyvenamąsias erdves.

Būsenos diagrama yra sutrumpinta nuoroda. Jo tikslas – atsakyti į klausimą, kokia organizmo būsena yra stabili esant tokiam ir tokiam slėgiui, tokiai ir tokiai temperatūrai.

Jei vanduo ar garai bus patalpinti „kairiojo regiono“ sąlygomis, jie taps ledu. Jei į „apatinį regioną“ įpilsite skysčio arba kietos medžiagos, gausite garų. „Teisingoje srityje“ garai kondensuosis ir ledas ištirps.

Fazių egzistavimo diagrama leidžia iš karto atsakyti, kas atsitiks su medžiaga kaitinant ar suspaudžiant. Šildymas esant pastoviam slėgiui diagramoje pavaizduotas horizontalia linija. Taškas, vaizduojantis kūno būklę, juda šia linija iš kairės į dešinę.

Paveiksle pavaizduotos dvi tokios linijos, viena iš jų kaitinama esant normaliam slėgiui. Linija yra virš trigubo taško. Todėl pirmiausia ji susikirs su lydymosi kreive, o tada, už brėžinio ribų, išgaravimo kreivę. Įprasto slėgio ledas ištirps 0°C temperatūroje, o susidaręs vanduo užvirs 100°C temperatūroje.

Padėtis bus kitokia su ledu, kaitinamas labai žemu slėgiu, tarkime, kiek žemiau 5 mmHg. Art. Šildymo procesas pavaizduotas linija, einanti žemiau trigubo taško. Lydymosi ir virimo kreivės su šia linija nesikerta. Esant tokiam žemam slėgiui, kaitinant ledas tiesiogiai virsta garais.

Fig. 4.12, ta pati diagrama rodo, koks įdomus reiškinys atsiras, kai vandens garai bus suspausti tokioje būsenoje, kuri paveiksle pažymėta kryželiu. Garai pirmiausia virs ledu, o paskui ištirps. Piešinys leidžia iš karto pasakyti, kokiu slėgiu kristalas pradės augti ir kada įvyks tirpimas.

Visų medžiagų fazių diagramos yra panašios viena į kitą. Dideli, kasdieniu požiūriu, skirtumai atsiranda dėl to, kad trigubo taško vieta diagramoje skirtingoms medžiagoms gali būti labai skirtinga.

Galų gale, mes egzistuojame šalia „normalių sąlygų“, tai yra, visų pirma esant slėgiui, artimam vienai atmosferai. Mums labai svarbu, kaip yra trigubas medžiagos taškas normalaus slėgio linijos atžvilgiu.

Jei slėgis trigubame taške yra mažesnis nei atmosferos, tada mums, gyvenantiems „įprastomis“ sąlygomis, medžiaga priskiriama tirpstanti. Kylant temperatūrai, jis iš pradžių virsta skysčiu, o paskui užverda.

Priešingu atveju – kai slėgis trigubame taške didesnis nei atmosferinis – kaitinant skysčio nematysime, kieta medžiaga tiesiogiai virs garais. Taip elgiasi „sausas ledas“, o tai labai patogu ledų pardavėjams. Ledų briketus galima perpilti su „sauso ledo“ gabalėliais ir nebijoti, kad ledai sušlaps. „Sausasis ledas“ – tai kietas anglies dioksidas C02. Šios medžiagos trigubas taškas yra ties 73 atm. Todėl kaitinant kietą CO 2, jo būseną rodantis taškas juda horizontaliai, kerta tik kietosios medžiagos garavimo kreivę (tas pats, kaip ir paprastam ledui, kurio slėgis yra apie 5 mm Hg).

Jau pasakojome skaitytojui, kaip pagal Kelvino skalę nustatomas vienas temperatūros laipsnis arba, kaip dabar reikalauja SI sistema, vienas kelvinas. Tačiau mes kalbėjome apie temperatūros nustatymo principą. Ne visi metrologijos institutai turi idealius dujų termometrus. Todėl temperatūros skalė sudaroma naudojant pusiausvyros taškus, kuriuos gamta nustato tarp skirtingų materijos būsenų.

Ypatingą vaidmenį čia atlieka trigubas vandens taškas. Kelvino laipsnis dabar apibrėžiamas kaip 273,16-oji vandens trigubo taško termodinaminės temperatūros dalis. Trigubas deguonies taškas yra 54,361 K. Aukso kietėjimo temperatūra nustatyta kaip 1337,58 K. Naudojant šiuos atskaitos taškus, bet kurį termometrą galima tiksliai sukalibruoti.

Judėjimas. Šiluma Kitaygorodsky Aleksandras Isaakovičius

Trigubas taškas

Trigubas taškas

Taigi, yra sąlygų, kuriomis garai, skystis ir kristalas gali egzistuoti poromis pusiausvyroje.

Ar visos būsenos gali būti pusiausvyroje? Toks slėgio ir temperatūros diagramos taškas yra vadinamas trigubu. kur jis yra?

Jei į uždarą indą įdėsite vandenį su plūduriuojančiu ledu nulio laipsnių temperatūroje, vandens (ir „ledo“) garai pradės tekėti į laisvą erdvę. Esant 4,6 mm Hg slėgiui, garavimas sustos ir prasidės prisotinimas. Dabar trys fazės – ledas, vanduo ir garai – bus pusiausvyros būsenoje. Tai yra trigubas taškas.

Ryšys tarp skirtingų būsenų yra aiškiai ir aiškiai parodytas vandens diagramoje, parodytoje fig. 103.

Tokia schema gali būti sukurta bet kuriam kūnui.

Paveikslėlyje pateiktos kreivės mums žinomos – tai pusiausvyros kreivės tarp ledo ir garo, ledo ir vandens, vandens ir garų. Slėgis vaizduojamas vertikaliai, kaip įprasta, temperatūra – horizontaliai.

Trys kreivės susikerta trigubame taške ir padalija diagramą į tris sritis – ledo, vandens ir vandens garų gyvenamąsias erdves.

Būsenos diagrama yra sutrumpinta nuoroda. Jo tikslas – atsakyti į klausimą, kokia organizmo būsena yra stabili esant tokiam ir tokiam slėgiui, tokiai ir tokiai temperatūrai.

Jei vanduo ar garai bus patalpinti „kairiojo regiono“ sąlygomis, jie taps ledu. Jei į „apatinį regioną“ įpilsite skysčio arba kietos medžiagos, gausite garų. „Teisingoje srityje“ garai kondensuosis ir ledas ištirps.

Fazių egzistavimo diagrama leidžia iš karto atsakyti, kas atsitiks su medžiaga kaitinant ar suspaudžiant. Šildymas esant pastoviam slėgiui diagramoje pavaizduotas horizontalia linija. Taškas, vaizduojantis kūno būklę, juda šia linija iš kairės į dešinę.

Paveiksle pavaizduotos dvi tokios linijos, viena iš jų kaitinama esant normaliam slėgiui. Linija yra virš trigubo taško. Todėl pirmiausia ji susikirs su lydymosi kreive, o tada, už brėžinio ribų, išgaravimo kreivę. Įprasto slėgio ledas ištirps 0 °C temperatūroje, o susidaręs vanduo užvirs 100 °C temperatūroje.

Padėtis bus kitokia su ledu, įkaitintu labai žemu slėgiu, tarkime, kiek žemiau 5 mm Hg.

Šildymo procesas pavaizduotas linija, einanti žemiau trigubo taško. Lydymosi ir virimo kreivės su šia linija nesikerta. Esant tokiam žemam slėgiui, kaitinant ledas tiesiogiai virsta garais.

Fig. 104, ta pati diagrama rodo, koks įdomus reiškinys atsiras, kai vandens garai bus suspausti tokioje būsenoje, kuri paveiksle pažymėta kryželiu. Garai pirmiausia virs ledu, o paskui ištirps. Piešinys leidžia iš karto pasakyti, kokiu slėgiu kristalas pradės augti ir kada įvyks tirpimas.

Visų medžiagų fazių diagramos yra panašios viena į kitą. Dideli, kasdieniu požiūriu, skirtumai atsiranda dėl to, kad trigubo taško vieta diagramoje skirtingoms medžiagoms gali būti labai skirtinga.

Juk egzistuojame arti „normalių sąlygų“, t.y. pirmiausia esant slėgiui, artimam vienai atmosferai. Mums labai svarbu, kaip yra trigubas medžiagos taškas normalaus slėgio linijos atžvilgiu.

Jei slėgis trigubame taške yra mažesnis nei atmosferos, tada mums, gyvenantiems „įprastomis“ sąlygomis, medžiaga priskiriama tirpstanti. Kylant temperatūrai, jis iš pradžių virsta skysčiu, o paskui užverda. Priešingu atveju – kai slėgis trigubame taške didesnis nei atmosferinis – kaitinant skysčio nematysime, kieta medžiaga tiesiogiai virs garais. Taip elgiasi „sausas ledas“, o tai labai patogu ledų pardavėjams. Ledų briketus galima perpilti su „sauso ledo“ gabalėliais ir nebijoti, kad ledai sušlaps. „Sausasis ledas“ yra kietas anglies dioksidas CO 2 . Šios medžiagos trigubas taškas yra ties 73 atm. Todėl kaitinant kietą CO 2, jo būseną rodantis taškas juda horizontaliai, kerta tik kietosios medžiagos garavimo kreivę (tas pats, kaip ir paprasto ledo, kurio slėgis yra apie 5 mm Hg).