Физика для поступающих в вузы - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Наличие неосуществимого участка на изотермах Ван-дер-Ваальса при температурах ниже критической означает, что при постепенном изменении объема вещество не может все время оставаться однородным: в некоторый
момент должно произойти расслоение вещества на две фазы — жидкую и газообразную.
В связи с этим интересно отметить, что эмпирическое уравнение Ван-дер-Ваальса, полученное с целью введения малых поправок к уравнению состояния идеального газа, фактически оказалось эффективным в гораздо более широкой области. В самом деле, оно указало на существование критической температуры и на необходимость расслоения вещества на фазы при температурах ниже критической. Оно также отразило возможность существования состояний пересыщенного пара и перегретой жидкости, качественно описало малую сжимаемость жидкостей и т. п.
Проследим, как изменяется по мере повышения температуры область сосуществования двух фаз на р—У-диа-грамме. Прямолинейный участок экспериментальной изотермы уменьшается с ростом температуры и при критической температуре стягивается в одну точку — точку К иа рис. 9.2. Если соединить между собой точки начала горизонтальных участков на всех изотермах, а также точки концов этих участков, то получим некоторую кривую MKN (рис. 9.4). Эта кривая представляет собой границу, отделяющую состояния, в которых вещество существует в- двух находящихся в равновесии фазах, от однофазных состояний. Соответствующие точке К давление и объем получили
Рис. 9.4. Границы равновесия различных фаз вещества на р — К-диаграмме.
§ 10. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
191
название критических. Состояние вещества в точке К называется критическим состоянием. .
В критической точке сливаются в одну три точки, в которых горизонтальный участок экспериментальной изотермы пересекает изотерму Ван-дер-Ваальса.
В критическом состоянии исчезает различие между жидкостью и газом, нет и никакой границы раздела между ними.
Сжимаемость вещества ¦ в критическом состоянии неограниченно возрастает: график изотермы в окрестности этой точки идет горизонтально и, следовательно, малое изменение объема вещества не сопровождается изменением давления. Это приводит к существованию больших флуктуаций плотности в критическом состоянии, которые проявляются, например, в явлении критической опалесценции — сильном рассеянии света на случайных неоднородностях.
Границы равновесия разных фаз вещества между собой показаны на диаграмме состояний (рис. 9.4). Граница KS является чисто условной и соответствует историческому делению газообразного состояния на пар и «истинный газ» в зависимости от того, находится ли вещество при температуре ниже или выше критической. В отличие от границы MK.N на этой диаграмме, при переходе через границу LKS никаких физических изменений в веществе не происходит.
§ 10. Фазовые переходы
Такие процессы, как, например, плавление твердого тела или конденсация насыщенного пара в жидкость, обычно называют фазовыми переходами.
Переход вещества из одной фазы в другую при заданном давлении происходит всегда при строго определенной температуре. Например, если нагревать лед при нормальном атмосферном давлении, то он начнет плавиться при достижении температуры 0 °С, и эта температура, несмотря на подвод тепла, будет оставаться неизменной до тех пор, пока весь лед не растает и не превратится в воду. В процессе плавления лед и вода существуют одновременно, находясь в тепловом равновесии друг с другом. Если прекратить подвод тепла, то лед и вода будут сосуществовать при этой темпе-( ратуре неограниченно долго.
192 ГАЗЫ, .ЖИДКОСТИ, ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
Если изменить давление, то изменится и температура фазового перехода. Другими словами, сосуществование двух фаз в равновесии возможно лишь при строго определенном соотношении между, давлением и температурой. Если изобразить эту зависимость в виде кривой в системе координат р—Т, то получится так называемая диаграмма состояний.
Рассмотрим диаграмму состояний для фазового перехода между жидкостью и ее паром. Вспомним, что на р—У-диа-грамме (рис. 9.2) равновесию между жидкостью и паром
соответствуют горизонтальные участки экспериментальных изотерм. Горизонтальный ход изотермы на этих участках соответствует тому, что при данной температуре независимо от объема равновесие между жидкостью и паром возможно только при определенном "давлении. Поэтому для получения кривой равновесия жидкости и пара .на р — Т-диаграмме нужно на оси абсцисс отложить значения температуры для каждой изотермы', а на оси ординат — давление, соответствующее ее горизонтальному участку.В результате полупится кривая, изображенная на рис. 10.1: давление, при котором жидкость и пар могут находиться в равновесии, возрастает с увеличением температуры. Кривая сосуществования заканчивается в критической точке, так как из р—У-диаграмм видно, что по мере повышения температуры горизонтальный участок изотерм становится все меньше и исчезает' при критической температуре — при температурах выше критической жидкость существовать не может. По мере приближения к критической температуре плотность насыщенного пара возрастает, при Т=ТК она становится равной плотности жидкости и пар вообще становится неотличимым от жидкости.
