Презентация по физике: Фазовые состояния. Тройная точка (10 класс)

Фазовые состояния. Тройная точка

Диаграмма состояния. Тройная точка.

Фазовые превращения определяются изменениями температуры и давления. Для наглядного изображения фазовых превращений используется диаграмма состояния, на которой задаются зависимости вида p = f(T)


кривые испарения (КИ)
кривые плавления (КП)
кривые сублимации (КС)

Эти кривые разделяют поле диаграммы на три области, соответствующие условиям существования твердой (ТТ), жидкой (Ж) и газообразной (Г) фаз.
Кривые на диаграмме называются кривыми фазового равновесия.
Каждая точка на этих кривых соответствует условиям равновесия двух сосуществующих фаз :
КП – твердого тела и жидкости,
КИ – жидкости и газа,
КС – твердого тела и газа

Точка на диаграмме (Ттр, Ртр), в которой пересекаются три кривые и которая определяет условия одновременного сосуществования трех фаз вещества, называется тройной точкой.

Каждое вещество имеет только одну тройную точку.

Тройная точка воды отвечает температуре
Ттр = 273,16º К (или температуре 0,01º С по шкале Цельсия) и давлению Ртр = 610 Па.
Она является основной реперной точкой для построения термодинамической шкалы температур.

Уравнение Клапейрона—Клаузиуса

Две любые фазы вещества могут находиться в равновесии лишь при определенном давлении, зависящем от температуры р(Т).
Применение второго начала термодинамики позволяет получить наклон кривой, то есть производную dp/dТ .
Для этого рассмотрим цикл Карно в области фазового перехода 1-го рода между двумя фазами вещества.

Все участки фазового перехода отвечают двухфазным состояниям, отличающимся друг от друга распределением массы вещества между первой и второй фазами.
На изотерме 1-2 происходит фазовое превращение некоторой массы вещества m за счет теплоты Q1 = mq12, полученной от нагревателя,
q12 - удельная теплота
фазового перехода при Т.
На изотерме 3-4
вещество отдает
холодильнику теплоту

- удельная теплота
фазового перехода при Т-dT.

Масса m´ может отличаться от m, так как часть вещества претерпевает фазовые превращения при адиабатических процессах.
На участке 1-2 энтропия вещества увеличивается на величину


На участке 3-4 энтропия вещества уменьшается на величину



На адиабатических участках 2-3 и 4-1 энтропия не меняется.

Поскольку цикл замкнутый, то на нем энтропия, как функция состояния, меняться не должна, поэтому




Откуда

Внутренняя энергия U на замкнутом цикле тоже не меняется, поэтому из первого начала термодинамики следует, что полное количество теплоты преданное веществу равно работе, совершенной веществом за цикл.

Эта работа равна площади участка, ограниченного замкнутым циклом. Считая, участки 1-2 и 4-1 бесконечно близкими: dp  0, m´  m ,

площадь (работу) можем приближенно записать как


Значит



получаем

Отсюда получаем




Наконец, заменим Q1 = mq12 , получим




Введем удельные объемы

В результате получаем уравнение Клапейрона-Клаузиуса





Это уравнение позволяет определить наклоны кривых равновесия. Как видим, знак производной dp/dT зависит от того, как меняются удельные объемы при поглощении теплоты.

При испарении жидкости или твердого тела объем всегда возрастает, поэтому dp/dT > 0 для кривой испарения (для твердого тела кривую испарения называют кривой сублимации).
При плавлении объем обычно возрастает, поэтому dp/dT > 0 – то есть увеличение температуры приводит к увеличению равновесного давления.
Однако, у некоторых веществ, в частности у воды, объем жидкой фазы меньше объема твердой фазы, для них dp/dT < 0, поэтому увеличение давления приводит к понижению температуры плавления. Сжимая лед его можно расплавить не повышая Т выше 0º С.

Используя эти данные, проведем более детальный анализ диаграммы состояния.
Рассмотрим сначала кривую плавления, разделяющую жидкую (ж) и твердую (т) фазы. На самой линии две фазы находятся в равновесии. Для большинства веществ кривая
плавления - растущая с
увеличением Т функция
(сплошная кривая).
Но для Н2О, Ge, чугуна
и ряда других веществ
давление, отвечающее
равновесию двух фаз,
уменьшается с ростом Т
(пунктирная кривая).

Кривая плавления может встретить на своем пути другую тройную точку Тр´, которая является началом новой вилки – при этом левая кривая этой вилки будет границей между двумя твердыми (но разными) кристаллическими фазами, а правая кривая вилки – будет кривой плавления новой твердой фазы.

Кривая испарения заканчивается в критической точке К. Поэтому возможен переход из области жидких состояний, совершаемый в обход критической точки К, без пересечения кривой испарения.
В этом случае переход из жидкого состояния в газообразное (и обратно) совершается непрерывно, через последовательность однофазных состояний.
Существование точки К связано с тем, что между жидкостью и газом нет качественного различия - обе среды являются изотропными.

Однако, подобной точки нет на кривых плавления и сублимации, а также на кривой, разделяющей две кристаллические фазы.
Причина в том, что в этих случаях одна или обе фазы обладают анизотропией и переход от одной фазы к другой может совершаться только скачком.
Поэтому кривая сублимации идет в точку
р = 0 и Т = 0, а кривая плавления, также как и кривая равновесия двух твердых фаз, уходят на бесконечность.

Диаграмма состояния позволяет определить состояние вещества при заданных р и Т. Примеры :
а) в точке 1 вещество находится в твердом состоянии, в точке 2 – в газообразном, в точке 3 – одновременно в жидком и газообразном состоянии.
б) при изобарном нагревании твердого тела из состояния 4 оно в точке 5 будет плавиться, а в точке 6 начнет превращаться в газ (4-5-6).
Из состояния 7 кристалл,
минуя жидкую фазу,
превращается в газ (7-8).
в) при изотермическом сжатии
газа из состояния 9 он сначала
превратиться в жидкость, а
затем в твердое тело (10).