2 2
2

Фазовые переходы

1. Молекулярное строение вещества определяет физические свойства вещества- его агрегатное состояние. Существуют три агрегатных состояния:

  • газообразное (расстояние между молекулами большое, межмолекулярные силы малы, хаотическое движение молекул, поэтому низкая плотность, нет формы, занимает весь предоставленный объем,
  • жидкое (расстояние между молекулами мало, межмолекулярные силы большие, ближний порядок расположения молекул, поэтому нет формы, текучесть, поверхностное натяжение, нет формы, высокая плотность),
  • твердое кристаллическое ( расстояние между молекул мало, межмолекулярные силы велики, дальний порядок расположения молекул-кристаллическая решетка, значит, высокая плотность, упругость, удержание формы).

2. С помощью следующей компьютерной модели вы можете подробно рассмотреть микроструктуру воды в различных агрегатных состояниях.

1

В твердой форме (лед) для молекул воды доступны лишь вращательные и колебательные движения, поступательные движения на заметные расстояния невозможны. Обратите внимание на четкую кристаллическую структуру льда, а также на ориентацию молекул (атомы водорода одних молекул направлены в сторону атомов кислорода других). При этом каждая молекула воды соединена с четырьмя ближайшими к ней другими молекулами. Образуемые при этом пустоты в структуре льда приводят к уменьшению его плотности по сравнению с жидкой водой.

В жидкой форме вода все еще существует как единое целое (сохраняет объем), расстояния между молекулами по порядку величины совпадают с размерами самих молекул. Однако возможны далекие по сравнению с этими размерами смещения молекул от своих начальных положений, из-за этого не сохраняются ни взаимные ориентации молекул, ни форма жидкости как целого.

Наконец, в газе молекулы максимально обособлены друг от друга, и длина свободного пробега молекулы гораздо больше ее размеров.

3. Для того, чтобы перевести вещество из твердого состояния в жидкое, а, затем, в газообразное необходимо любым способом увеличить его внутреннюю энергию. Чтобы расплавить твердое кристаллическое тело необходимо его нагреть до температуры плавления и повести теплоту плавления, которая расходуется на расрушение кристаллической решетки.

Чтобы жидкость превратить в газ необходимо нагреть жидкость до температуры кипения и подвести теплоту парообразования, которая идет на увеличение межмолекулярного расстояния и потенциальной энергии молекул. При фазовых переходах температура вещества не изменяется.

На следующей модели показаны процессы перехода из одного состояния в другое.

4. На следующей интерактивной модели дана возможность изучить процессы нагревания, охлаждения и фазовых переходов для воды, парафина, анилина и олова.

 

5. Диаграмма перехода веществ из одного агрегатного состояния в другое.



На рис. 29.2.1 показана зависимость давления насыщенного пара над поверхностью твердой фазы. Точка А  соответствует плавлению кристалла. После точки плавления давление насыщенного пара, теперь уже над поверхностью жидкости, будет еще больше и будет расти с повышением температуры жидкости вплоть до критической.
В верхней левой части диаграммы находится кристалл, а справа – жидкость. Где граница между этими фазами?
Чтобы ответить на этот вопрос, вернемся к рис. 29.2.1 и попробуем объяснить ход экспериментально полученных кривых перехода кристалла в жидкость, изображенных в левой части рис. 29.2.1.

Известные всем снежинки – это один из видов рыхлых кристаллов воды (см. рис. 29.2.2). Такой кристалл может перейти в жидкое состояние даже при температуре ниже , если его сильно сжать, то есть разрушить дальний порядок.
 Пример. Всем известно, что смазка трущихся поверхностей может улучшить скольжение. Что может служить смазкой при скольжении стальных коньков по льду? Жидкой смазкой в этом случае может быть только вода. Откуда она может появиться на льду, если температура его и воздуха ниже ? Конькобежец создает дополнительное давление на лед,  и лед под коньком плавится, даже, если  температура льда ниже . Отсюда делаем вывод, что на графике рис. 29.2.4  граница между жидкой и кристаллической фазами проходит так, как показано, а описанный процесс таяния льда показан прямой ВС. Участок прямой DВ  соответствует превращению водяного пара в лед при температуре ниже  (то есть выпадению инея на деревьях).

  • Такую же, как рассмотренная выше, диаграмму состояния  вещества имеет не только вода, но и некоторые металлы и сплавы. Но чаще встречаются кристаллы, упакованные более плотно, и для этих веществ диаграммы состояния имеют вид, показанный на рис. 29.2.5.
    Что можно узнать из диаграммы состояния вещества?
    Точка А на диаграмме состояния (рис. 29.2.4 и 29.2.5), в которой сходятся все три кривые, называется тройной точкой вещества. При давлении и температуре, соответствующих тройной точке вещества, все три фазы вещества (кристаллическая, жидкая и газообразная) находятся в равновесии. То есть, например, если в некотором закрытом и теплоизолированном объеме (сосуде) находится  лед в воде и над ними водяной пар, то ни лед не будет таять, ни вода замерзать, и количество пара тоже будет оставаться постоянным. Все фазы будут находиться в равновесии, их массы будут оставаться постоянными. Тройная точка воды равна  или 273,16 К (точно).

    Рассмотрим еще раз в качестве примера на диаграмме состояний воды (рис. 29.2.4) фазовые переходы из состояния  Dв состояние В и дальше всостояние С. Если температура воды ниже тройной точки, то точка D соответствует газообразному состоянию, точка В –твердому, а точка С – жидкому. Непривычно, но это так: сначала при повышении давления водяного пара образуются кристаллы льда, а если их еще сдавить, то лед растает.
    Теперь рассмотрим фазовые переходы на рис. 29.2.5 из состояния  Dв состояниеE . Если давление ниже значения, соответствующего тройной точке, то кристалл не расплавится, а сразу перейдет в газообразное состояние при повышении его температуры, то есть произойдет возгонка вещества. Легко можно наблюдать возгонку темно-фиолетовых кристаллов иода, положенных на дно колбы. При нагревании колбы в ней сначала появляются фиолетовые пары, а затем происходит обратный процесс конденсации этих паров на холодном горлышке колбы: на нем появляются мелкие блестящие кристаллики иода.   
    В равновесии могут находиться только три фазы вещества. Если вещество может при разных условиях иметь разные кристаллические решетки (разные кристаллические модификации), то диаграммы состояния будут иметь более сложный вид, например такую, какая представлена на рис. 29.2.6.
    Диаграммы состояния веществ, или фазовые диаграммы, широко используются в металлургии, химии, в геологии, в материаловедении, в том числе в материаловедении полупроводниковых и магнитных материалов.

     

     

     

    6. В данной модели демонстрируется классический опыт Эндрюса, то есть фазовый переход испарение-конденсация. При уменьшении объема газа его давление сначала растет, но, начиная с некоторого момента, оно остается постоянным. Это означает, что пар под поршнем стал насыщенным. При дальнейшем сжатии в цилиндре появляется жидкость, заполняющая постепенно весь объем, а давление насыщенного пара над жидкостью остается постоянным. Однако такой фазовый переход происходит при достаточно низких температурах, начиная с некоторой температуры газ можно сжать до любого давления без превращения в жидкость. Перемещение поршня в модели осуществляется с помощью мыши, а следить за состоянием системы можно при помощи графического изображения барометра или приводимых расчетных параметров в нижней части окна.

    .

    .

    .

    .