Главная Обратная связь

Дисциплины:






Діаграма стану речовини. Потрійна точка



При описанні стану речовини і її фазових переходів звичайно використовуються змінні р і Т, у яких зображуються криві рівноваги при фазових переходах даної речовини. Діаграма, побудована в цих перемінних, називається діаграмою стану. Кожній точці на цій діаграмі відповідає визначений рівноважний стан. Вона дозволяє визначити, які фазові переходи відбуваються при тих або інших процесах.

Співвідношення (8), що визначає умову рівноваги 2-х фаз, відноситься до будь-яких двох фаз і описує криві фазових перетворень: випаровування - конденсація, плавлення - кристалізація, сублімація — кристалізація з пари. Це фазові переходи 1-го роду.

Існують різні кристалічні модифікації речовини - явище поліморфізму. Виникає питання - чи можуть бути в рівновазі більш 2-х фаз одночасно? Наприклад, 3 фази. Тоді необхідно розглянути рівність питомих термодинамічних потенціалів для трьох фаз, наприклад 1- газ (або пара), 2 - рідина, 3 - тверде тіло:

(23)

(24)

(25)

Ці три рівняння не незалежні. Кожне з них є наслідком двох інших. Рівняння (23) визначає криву випаровування (кипіння) (1) - рівновагу між рідкою і газовою фазами. Рівняння (24) визначає криву плавлення (2) - рівновагу між рідкою і твердою фазами речовини. І, нарешті, рівняння (25) дає криву сублімації (3) - рівновагу між газовою фазою і твердим станом. Крива (1) перетинається з кривою (2) в одній точці (наприклад, нехай у точці С), яку назвемо потрійною точкою. Потрійною точкою її називають, оскільки крива сублімації (3) також повинна проходити через цю точку відповідно до рівнянь (23) - (25).

Таким чином, три фази можуть знаходитися в рівновазі лише в одній потрійній точці, а саме при цілком визначених значеннях температури і тиску. Ці криві (1) - (3) розбивають простір на 3 області - газ, рідина, тверде тіло. Кожна точка на кривих зображає рівновагу двох фаз, а точка С – рівновагу трьох фаз.

Взагалі для ряду сполук може існувати 3, 4 і більш різних фаз (так 2-3 фази у твердому стані, декілька в рідкому стані). Для всіх цих фаз мається більша кількість кривих рівноваги між двома фазами. Виникає питання про можливості одночасного існування 4-х фаз у рівновазі. Однак подібного варіанта практично не буває, тому що для цього необхідно, щоб більше 3 кривих перетиналися в одній точці. Імовірність такого перетинання практично дорівнює нулеві, тому з такими можливостями можна не вважатися.

Отже, максимальне число фаз, що знаходяться в рівновазі, не може перевищувати 3-х ні при яких тисках і температурах. Іноді називають це правило правилом фаз Гіббса.

З іншої сторони при наявності 4-х фаз і більше може існувати 2 і більша кількість потрійних точок.



Речовина в трьох різних агрегатних станах може спостерігатися і при значеннях температури і тиску, що не відповідають потрійній точці. Наприклад, у природі при різних погодних умовах спостерігаються одночасно лід, вода і водяна пара (остання, як правило, непрямим образом). Однак, на відміну від стану в потрійній точці, зазначені стани не є рівноважними, і для них характерний постійний перехід речовини з однієї фази в іншу

Параметри стану, які відповідають потрійним точкам деяких речовин, приведені в таблиці.

 

Таблиця потрійних точок:

Речовина tпотр, ºС Рпотр., ат.
Вода Вуглекислота Тяжка вода Ртуть 0,0072 -56,4 3,82 38,76 0,006 5,11 0,00688

 

Порівняємо діаграми станів води і вуглекислоти. Перед усім звернемо увагу на різний хід кривої плавлення, яка складає для СО2 з віссю абсцис гострий кут, а для Н2О – тупий кут (аномалія).

 

 


Н2О СО2

Рисунок 4 Рисунок 5

Із діаграм станів можна одержати цінні відомості.

Так, якщо нагрівати лід при постійному тиску, близькому до атмосферного (рис. 4), то він при визначеній температурі почне плавитися, а потім вода – кипіти (лінія Р1Р1').

Якщо нагрівати тверду вуглекислоту при тиску, близькому до атмосферного (рис.5), от вона плавитись не буде, а внаслідок сублімації, перетвориться в газ. Тому тверду вуглекислоту називають “сухий лід”. Для того, щоб “сухий лід” перетворити в рідку вуглекислоту, необхідно нагрівати його при підвищенному тиску – більшому, ніж 5,11 ат.

Другий приклад. Якщо взяти воду в стані, зображеному точкою Р на рис. 4 і зменшувати тиск при постійній температурі (лінія РР'), то вода спочатку замерзне, а потім перетворити в пару.

З діаграм станів витікає також, що при тисках, менших, ніж тиск потрійної точки, речовини не може існувати в рідкій фазі при будь-яких температурах.

Для фазових переходів з одного агрегатного стану в інший поблизу потрійної точки характерне існування метастабільних станів, тобто таких станів, при яких одна фаза існує в області температур і тисків іншої фази.

На рис. 6 схематично зображені області метастабільних станів при фазовому переході рідина-газ. Вище лінії 2 знаходиться область, що відповідає переохолодженій парі, а нижче – перегрітої рідині.

Якщо зобразити ізотерми двохфазної системи рідина-газ (рис. 7), то горизонтальна частина ізотерм буде відповідати фазовому переходові речовини, праворуч від горизонтальної частини лежать ізотерми газової фази, а ліворуч - рідкої. Пунктирні лінії відповідають метастабільним станам. Праворуч - переохолоджена пара, ліворуч - перегріта рідина. Ці стани будуть виникати в тому випадку, якщо зародки іншої фази (краплі і бульбашки відповідно) відсутні або в них мається тенденція до зникнення. Тому що утворенню зародків сприяють усякого роду домішки і неоднорідності, то метастабільні стани властиві добре очищеним речовинам.

Тому що тиск переохолодженої пари перевищує тиск насиченої пари при тій же температурі, те така пара називається пересиченою. Утворення і ріст зародків рідкої фази в такій парі буде залежати від багатьох факторів і в першу чергу від розмірів зародків, температури і ступеня пересичення Sr. Ступінь пересичення визначається як відношення густини пересиченої пари до густини насиченої пари

Досліди показали, що якщо в парі утримуються частки пилу, то навіть при невеликому пересиченні утвориться туман і відбувається перехід з точки А в точку В (рис. 7). Такий процес відбувається в атмосфері, коли потоки, викликані конвекцією, піднімають нагору повітря, що містить водяну пару, де відбувається його розширення, що супроводжується зменшенням температури. Це приводить до виникнення тумана і росту дощових крапель за рахунок надлишкової концентрації пари в порівнянні з насиченим станом.





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...