Справочник по физике для инженеров и студентов - Яворский Б.М.
ISBN 5-488-00330-4
Скачать (прямая ссылка):
5°. В области низких температур (Т Tc)
Il 9.5. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
313
Первый член в правой части выражения для U представляет энергию кристалла при T —1• 0. Теплоемкость кристалла при низких температурах пропорциональна Ts (закон Дебая):
с,-(g) -!!!5^ т..
Vdi Jy 5T
6°. В промежуточной области (T ~ Tc) энергия и теплоемкость кристалла являются сложными функциями температуры, зависящими от результата интегрирования In Z (п. 3°). Общий ход зависимости атомной теплоемкости от температуры представлен на рис. II.9.1.
5. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
1°. При нагревании твердого тела подводимая к нему теплота расходуется в основном на увеличение внутренней энергии кристалла (кинетической энергии тепловых колебаний и потенциальной энергии взаимодействия частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки). Сильное нагревание может привести к переходу вещества из кристаллической фазы в жидкую (плавление) или газообразную (сублимация, возгонка). Это происходит при такой температуре, когда смещения частиц из положений равновесия соизмеримы с равновесными расстояниями между частицами в решетке.
2°. Плавление твердого тела начинается при определенной температуре ТПЛ, называемой температурой плавления. Процесс плавления однокомпонентного кристалла происходит при постоянной для данного давления температуре T1njl-
3°. Количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы твердого тела при постоянной
314
11.9. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА
температуре Tnj] для осуществления плавления, называют удельной теплотой, плавления гпл:
гпл = “ж - llTTi + Р(”ж " О-
где иж и ыгв — внутренние энергии единицы массы вещества в жидкой и твердой фазах, иж и Utb — удельные объемы жидкости и твердого тела, р — постоянное давление фазового перехода первого рода.
4°. Зависимость температуры плавления от давления описывается уравнением Клапейрона — Клаузиуса:
Ap гпл
d T
Как правило, иж > v.rB, и поскольку /-пл > 0, то > 0.
При увеличении давления для большинства веществ температура плавления повышается. Для некоторых веществ (вода, галлий, висмут) плотность жидкой фазы
dr
больше, чем твердой, Vx — Vtb < 0 и ^-5Л < 0; температура плавления таких веществ понижается при увеличении давления. На рис. II.9.2 представлены кривые равновесия двухфазной системы твердое тело — жидкость (рис. П.9.2, а — для случая Vik > Vtb, рис. П.9.2,6 — для случая 1>ж < Ijtb). Процесс плавления связан с возрастанием энтропии системы, как переход из более упорядоченного, кристаллического состояния в менее упорядоченное, жидкое.
Рис. 11.9.2
11.9.5. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
315
5°. При охлаждении жидкостей до некоторой температуры Ткр, называемой температурой кристаллизации (затвердевания) жидкой фазы, начинается переход вещества из жидкого в твердое кристаллическое состояние (кристаллизация). Кристаллизация связана с выделением количества теплоты, равного теплоте плавления, и для химически чистых жидкостей протекает при постоянной температуре, причем Ткр совпадает с температурой плавления ТПЛ.
6°. В процессе кристаллизации упорядочивается движение частиц жидкости, увеличивается время их «оседлого» существования (время релаксации). Постепенно движения частиц превращаются в связанные тепловые колебания около некоторых средних положений — узлов кристаллической решетки.
7°. Для начала кристаллизации необходимо, чтобы в жидкости имелись центры кристаллизации (посторонние примеси, пылинки, пузырьки газа, местные сгущения жидкости). В этих местах в первую очередь возникает правильное взаимное расположение частиц и начинается образование твердой фазы.
8°. Если в жидкости отсутствуют центры кристаллизации и от нее достаточно медленно и равномерно отводится теплота, то жидкость может быть охлаждена до более низкой температуры, чем температура кристаллизации (переохлажденная жидкость). Это состояние жидкости является метастабильным (см. пересыщенный пар) и легко нарушается (например, кристаллизация переохлажденной жидкости начинается при ее встряхивании).
. 9°. Температура кристаллизации раствора зависит от его состава. Точки А и В на рис. II.9.3 определяют температуры кристаллизации (плавления) чистых веществ А и В. Добавление одного из веществ к другому вызывает понижение температуры кристаллизации раствора (или температуры плавления образующегося при этом сплава). При некоторой концентрации Ca вещества В (точка Э) достигается минимальное значение температуры кристаллизации (плавления). Раствор (сплав) такого Рис. 11.9.3
316
11.9. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА
состава называется эвтектикой, а температура плавления эвтектики называется эвтектической точкой.
10°. Испарение твердых тел (сублимация), происходящее при любой температуре, сопровождается поглощением теплоты испарения, затрачиваемой на преодоление сил связи между частицами твердого тела и на «отрыв» частиц с поверхности кристалла. Разность между удельными теплотами испарения твердых тел и жидкостей при температуре плавления равна удельной теплоте плавления.
