Тема: Фазові переходи. Діаграма станів. Особливості рідкого стану речовини. Поверхневий натяг. Тиск під скривленою поверхнею рідини. Капілярні явища.

Лекція № 18.

Фазою називається фізично однорідна частина речовини, яка відділена від інших частин системи межею розділу. Розрізняють фазові переходи 1–го і 2–го роду. Перші супроводжуються теплотою переходу. Це та кількість теплоти, яку необхідно передати речовині, щоб ізотермічно–ізобарично перевести її з однієї фази в іншу. Цей процес характеризують питомою теплотою випаровування (конденсації) , Дж/кг і питомою теплотою плавлення (кристалізації) , Дж/кг. Теплоту випаровування твердого тіла називають теплотою сублімації. Фазові переходи 2–го роду відбуваються без теплообміну.

Відомо, що дві будь–які фази речовини можуть знаходитися в рівновазі лише при визначеному тиску, що залежить від температури. Для випаровування (конденсації) крива залежності р(Т) показана на малюнку, де К – критична точка, ліворуч від цієї кривої – рідка фаза, праворуч – газоподібна. Зображену криву називають кривою рівноваги рідини і її насиченої пари або кривою випаровування. Визначимо нахил кривої . Для цього розглянемо цикл Карно в області фазового переходу. і - питомі об’єми фази 1 і фази 2, тобто об’єми одиниці маси. При ізобаричному розширенні газ виконав роботу:

.

Робота ізобаричного стиску здійснується при більш низькій температурі і визначається за формулою:

.

Роботою при адіабатичному розширенні і стиску будемо зневажати через малість ділянок. Повна робота за цикл дорівнює:

.

C іншої сторони роботу газу за цикл можна знайти як , де – питома теплота пароутворення на ділянці 1–2, – питома теплота пароутворення на ділянці 3–4. Оскільки , а , то після підстановки одержуємо: . Таким чином:

і .

Враховуючи, що , остаточно маємо:

.

Отримане рівняння називається рівнянням Клапейрона–Клаузіуса. Із отриманого рівняння свідчить, що знак похідної, що характеризує нахил кривої р(Т), залежить від того, як змінюються питомі об’єми при поглинанні тепла – зростають або зменшуються. При випаровуванні рідини або твердого тіла питомий об’єм завжди зростає, тому похідна dp/dТ відповідних кривих може бути тільки позитивною. Варто помітити, що крива випаровування твердого тіла називається кривою сублімації. При плавленні питомий об’єм більшої кількості речовин зростає, тому dp/dТ > 0. Однак у деяких речовин, до числа яких належить вода, об’єм рідкої фази менше об’єму твердої фази, і dp/dТ < 0.

Діаграмою станів називають площину р, Т, розділену на три галузі: тверду фазу (т), рідку (р) і газоподібну (г). Границями цих дотичних фаз є криві сублімації, випаровування і плавлення, що характеризують двохфазні рівноважні стани. У точці Т_Р, яка називається потрійною, у рівновазі знаходяться три фази. Користь діаграми станів полягає в тім, що вона дозволяють пророкувати фазові перетворення в тих або інших процесах.