V.Фазовые переходы.Диаграмма состояния.
Большинство реальных тел могут находиться в трех фазовых состояниях.
Пример: лед – вода – водяной пар
Фазовые состояния, как в данном примере, совпадают с агрегатными состояниями.
Процессы фазовых переходов, сопровождающиеся поглощением или выделением скрытой теплоты и изменением удельного объема называется фазовыми переходами первого рода.
|
|
Пример:плавление, кристаллизация, испарение, конденсация и т.д. Как уже отмечалось ранее, изменение агрегатного состояния вещества может происходить в ходе теплового процесса Последовательность процессов роста температуры и изменения агрегатного состояния вещества при нагревании и обратных переходов при охлаждении можно рассмотреть на диаграмме Q-T. |
Фазовые переходы (прямые и обратные) можно рассмотреть также при помощи других диаграмм (Р-Т), которые могут дать иную, интересующую нас, информацию.
|
|
Диаграмма Р-Т называется диаграмма равновесия.Она служит для описания состояния вещества и происходящих в нем фазовых переходов Кривые 01, 02, 03 – называются кривыми равновесия: 01 – равновесие твердое тело–жидкость(кривая соответствует зависимости температуры плавления от давления); 02 – равновесие жидкость–пар(кривая соответствует зависимости температуры парообразования от давления); |
03 – равновесие твердое тело–пар(характеризует переход твердого тела в газообразное – возгонка или сублимация).
Точка О, характеризующая условия одновременного совместного существования трех фаз вещества называется тройной точкой.
Например: для Н2О – τр= +0,007480С, Рр= 5 мм рт. ст.
Существуют и другие фазовые переходы (без наличия теплоты перехода).
Фазовые переходы, происходящие без выделения или поглощения скрытой теплоты перехода называется фазовыми переходами второго рода.
При фазовых переходах второго рода происходят скачкообразные изменения физических свойств веществ:
а) скачок теплоемкости
б) возникновение сверхпроводимости и др.
При соприкосновении двух фаз в условиях, отличающихся от условий равновесного состояния, происходит переход вещества из одной фазы в другую. Направление такого процесса определяется условием, что свободная энергия Fили термодинамический потенциал Ф (см. лекцию 11) должны уменьшаться.
Действительно из основного уравнения термодинамики для необратимых процессов:
мы получим:
dU – TdS + ρdV < 0; (9)
при изотермическом фазовом переходе Т = constи
d(U – TS) + ρdV = dF + ρdV < 0 (10)
Если фазовое превращение идёт при постоянном давлении, то ρ =constи можно записать:
d(U – TS + ρV) = dФ < 0 (11)
При некоторых фазовых переходах изменение объёма незначительно и им можно в первом приближении пренебречь, тогда:
d(U – TS) = dF < 0 (12)
Из этих неравенств следует, что направление фазовых переходов будет определяться условиями приближения к минимуму свободной энергии и термодинамического потенциала.
Как видно из формулы (12), уменьшение свободной энергии U(что связано с уменьшением энтропии), либо при увеличении связной энергииTS(что связано с увеличением энтропии). Следовательно, здесь могут идти два конкурирующих процесса и должно быть преобладание одного из них