Фазовые превращения. Испарение и конденсация. Плавление и кристаллизация

Фа́ зовыйперехо́ д ( фазовое превращение) в термодинамике — переход вещества из одной термодинамической фазыв другую при изменении внешних условий. С точки зрения движения системы по фазовой диаграмме при изменении её интенсивных параметров (температуры, давления и т. п.), фазовый переход происходит, когда система пересекает линию, разделяющую две фазы. Поскольку разные термодинамические фазы описываются различными уравнениями состояния, всегда можно найти величину, которая скачкообразно меняется при фазовом переходе.

Поскольку разделение на термодинамические фазы — более мелкая классификация состояний, чем разделение поагрегатным состояниям вещества, то далеко не каждый фазовый переход сопровождается сменой агрегатного состояния. Однако любая смена агрегатного состояния есть фазовый переход.

Наиболее часто рассматриваются фазовые переходы при изменении температуры, но при постоянном давлении (как правило равном 1 атмосфере). Именно поэтому часто употребляют термины «точка» (а не линия) фазового перехода, температура плавления и т. д. Разумеется, фазовый переход может происходить и при изменении давления, и припостоянных температуре и давлении, но при изменении концентрации компонентов (например, появление кристалликовсоли в растворе, который достиг насыщения).

Наиболее распространённые примеры фазовых переходов первого рода:

§ плавление и кристаллизация

§ испарение и конденсация

§ сублимация и десублимация

Испарение. Неравномерное распределение кинетической энергии теплового движения молекул приводит к тому, что при любой температуре кинетическая энергия некоторых молекул жидкости или твердого тела может превышать потенциальную энергию их связи с остальными молекулами. Испарение — это процесс, при котором с поверхности жидкости или твердого тела вылетают молекулы, кинетическая энергия которых превышает потенциальную энергию взаимодействия молекул. Испарение сопровождается охлаждением жидкости.Насыщенный и ненасыщенный пар. Испарение жидкости в закрытом сосуде при неизменной температуре приводит к постепенному увеличению концентрации молекул испаряющегося вещества в газообразном состоянии. Через некоторое время после начала процесса испарения концентрация вещества в газообразном состоянии достигает такого значения, при котором число молекул, возвращающихся в жидкость в единицу времени, становится равным числу молекул, покидающих поверхность жидкости за то же время. Устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации вещества.

Конденсация – это процесс, обратный процессу испарения. При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость. В закрытом сосуде жидкость и ее пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара, то есть когда скорости процессов испарения и конденсации одинаковы. Такую систему называют двухфазной. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным. Число молекул, вылетающих с единицы площади поверхности жидкости за одну секунду, зависит от температуры жидкости. Число молекул, возвращающихся из пара в жидкость, зависит от концентрации молекул пара и от средней скорости их теплового движения, которая определяется температурой пара.

Плавление - переход вещества из твердого состояния в жидкое.

При нагревании увеличивается температура вещества, и возрастает скорость теплового движения частиц, при этом увеличивается внутренняя энергия тела.
Когда температура твердого тело достигает температуры плавления, кристаллическая решетка твердого вещества начинает разрушаться.
Таким образом, основная часть энергия нагревателя, подводимая к твердому телу, идет на уменьшение связей между частицами вещества, т. е. на разрушение кристаллической решетки.
При этом возрастает энергия взаимодействия между частицами.
Расплавленное вещество обладает большим запасом внутренней энергии, чем в твердом состоянии.
Оставшаяся часть теплоты плавления расходуется на совершение работы по изменению объема тела при его плавлении.
При плавлении объем большинства кристаллических тел увеличивается (на 3-6%), а при отвердевании уменьшается.
Но, существуют вещества, у которых при плавлении объем уменьшается, а при отвердевании - увеличивается.
К ним относятся, например, вода и чугун, кремний и некоторые другие.. Именно поэтому лёд плавает на поверхности воды, а твердый чугун - в собственном расплаве.

Твердые тела, называемые аморфными ( янтарь, смола, стекло) не имеют определенной температуры плавления.

Количество теплоты, необходимой для плавления вещества, равно произведению удельной теплоты плавления на массу данного вещества.

Удельная теплота плавления показывает, какое кол теплоты необходимо для полного превращения 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое, взятого при темп плавления.
Единицей удельной теплоты плавления в СИ служит 1Дж/кг.

В процессе плавления температура кристалла остается постоянной. Эта температура называетсятемпературой плавления. У каждого вещества своя температура плавления.
Температура плавления для данного вещества зависит от атмосферного давления.

Плавлением называют процесс перехода вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое. Плавление происходит при постоянной температуре с поглощением тепла. Постоянство температуры объясняется тем, что при плавлении вся подводимая теплота идет на разупорядочение регулярного пространственного расположения атомов (молекул) в кристаллической решетке. При этом среднее расстояние между атомами и, следовательно, силы взаимодействия изменяется незначительно. Температура плавления для данного кристалла? его важная характеристика, но она не является величиной постоянной, а существенным образом зависит от внешнего давления, при котором происходит плавление. Для большинства кристаллов (кроме воды, и некоторых сплавов) температура плавления растет с увеличением внешнего давления, так как для отдаления атомов друг от друга при большем давлении требуется большая энергия тепловых движений, т. е. Более высокая температура.На рис. 1 представлена зависимость температуры нагреваемого кристалла от времени.   рис. 1   На участке 12 происходит нагревание кристалла. При достижении температуры tпл вся поступающая теплота идет на плавление кристалла (участок 23), нагревания его не происходит.Количество теплоты qпл, необходимое для превращения одного моля кристалла в жидкое состояние при постоянной температуре плавления, называют молярной скрытой теплотой плавления. Каждому кристаллу присуща своя величина теплоты плавления.Отметим, что усиление или ослабление подвода тепла на участке 23 вызывает только ускорение или замедление процесса плавления, не изменяя величины tпл. Если прекратить подвод тепла, то останавливается и процесс плавления, т. е. Двухфазной системе жидкость? кристалл устанавливается равновесное состояние, когда числа молекул, переходящих в единицу времени из твердой фазы в жидкую и обратно, равны.На участке 34 происходит процесс нагревания жидкости. Если в момент времени t0 остановить нагревание жидкости, то возникнет обратный процесс охлаждения жидкости (участок 45). Когда температура достигнет температуры плавления, начнется кристаллизация жидкости (участок 56). Как только процесс кристаллизации заканчивается (точка 6), дальнейший отвод тепла сопровождается понижением температура (участок 67).В кристалле, как мы знаем, каждая молекула совершает только колебательное движение, тогда как в жидкости она совершает еще и поступательное движение. Поэтому при кристаллизации от вещества необходимо отводить тепловую энергию, соответствующую поступательному движению молекул. Молекулы, утратившие этот излишек энергии, присоединяются к кристаллам.У аморфных тел изменение температуры со временем (пунктирная кривая на рис. 5.3.1) не имеет участка с постоянной температурой, а только точку перегиба (8 или 9). Увеличение температуры твердого аморфного тела сопровождается непрерывным уменьшением его вязкости. У аморфных тел нельзя указать такую определенную температуру, выше которой можно было бы констатировать жидкое состояние, а ниже? твердое состояние. Выделяется только температура, соответствующая точке перегиба. Эту температуру условно называют температурой размягчения аморфных тел. ⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒ Поделиться:

Последнее изменение этой страницы: 2017-03-14; Просмотров: 1298; Нарушение авторского права страницы