Фазові переходи речовини з погляду молекулярно-кінетичної теорії.

Як ми вже показали раніше, агрегатний стан речовини з точки зору молекулярно-кінетичної теорії речовини визначається співвідношенням між складовими повної (внутрішньої) енергії: середньою потенціальною енергією взаємодії молекул та їхньою середньою кінетичною енергією.

Нагрівання речовини супроводжується не просто зміною її внутрішньої енергії, а змінює співвідношення між її складовими. Допоки кількісне співвідношення між середньою кінетичною енергією руху молекул і середньою потенціальною енергією їх взаємодії залишається у визначених межах, підведення тепла до речовини не змінює її фазового стану. З подальшим нагріванням збільшується середня кінетична енергія руху молекул і відповідно відстані між ними, що приводить до зменшення потенціальної енергії взаємодії. З досягненням певної температури створюються умови, коли кількісні співвідношення між складовими внутрішньої енергії вже не задовольняють умовам рівноважного стану, і речовина переходить у нову фазу. Для цієї фази кількісні співвідношення між складовими внутрішньої енергії вже будуть іншими. При цьому рівновага між фазами є динамічною: у результаті безперервного хаотичного руху молекул відбувається їх обмін.

Фазові переходи в термодинаміці.

Кожний з однорідних станів речовини — твердий, рідкий та газоподібний — у термодинаміці повністю описується макро-параметрами: тиском, температурою та об’ємом за відповідної маси. Як свідчать експериментальні дослідження, ці параметри не можуть змінюватись довільно.

Зміна одного з них спричинює відповідну зміну інших параметрів. В аналітичному вигляді залежність між макропа-раметрами встановлено лише для газів.

Проте в термодинаміці доведено, що рівновага між двома фазами описується функціональною залежністю між тиском і температурою. Кожному фазовому переходу (рідина ^ пара, тверде тіло ^ рідина, тверде тіло ^ пара) відповідає своя функціональна залежність, яка для кожної речовини визначається експериментальним шляхом. Якщо ці залежності графічно зобразити в координатах Т, р, отримаємо відповідні три криві: випаровування, плавлення та сублімації (мал. 181).

Лінії фазової рівноваги між твердою, рідкою та газоподібною фазами називають лініями фазових переходів, а отриману діаграму — діаграмою стану речовини (або фазовою діаграмою).

На діаграмі крива СK — це вже відома вам залежність тиску насиченої пари від температури, де K — критична точка, вище якої крива не може підніматися. Крива СK називається кривою випаровування. Крива ВС — це крива плавлення, а крива АС — крива сублімації. Ці криві розбивають координатну площину на відповідні області: твердої, рідкої та газоподібної фази.

Будь-яка точка на кривих СK, ВС, АС визначає динамічну рівновагу двох фаз, за якої з однієї фази в іншу переходить однакова кількість молекул.

Будь-яка точка області відповідає однофазному стану речовини. Точці С відповідають єдині для певної речовини пара значень р і Т, за яких усі три фази речовини можуть перебувати в рівновазі. Цю точку називають потрійною.

Діаграма стану дає змогу визначити, які переходи буде зазнавати речовина в певних процесах. Наприклад, якщо взяти речовину в стані, що відповідає точці 1, та ізобарно нагрівати цю речовину, то вона буде зазнавати таких переходів: тверде тіло — рідина — пара (штрихова лінія 1-2 на діаграмі). Якщо ж узяти ту саму речовину, але у стані, що відповідає точці 3, і знову ізобарно нагрівати речовину, то вона зазнає іншого переходу: з твердого стану в газоподібний, без рідкої фази (штрихова лінія 3-4 на діаграмі).

Для прикладу розглянемо діаграми стану води (мал. 182, а) та вуглекислоти (мал. 182, б). Для води у потрійній точці тиск р = 610 Па, а температура Т = 0 °С. Тому за нормального атмосферного тиску (близько 10⁵ Па) перехід із твердої фази в газоподібну відбувається через рідку.

Для вуглекислоти значення тиску в потрійній точці р = 5,1 · 10⁵ Па, тому за атмосферного тиску для неї можливий перехід тверде тіло — газ. Вуглекислоту у твердому стані називають «сухим льодом» (за схожість її зовнішнього вигляду із звичайним льодом (мал. 183)).

ЗНАЮ, вмію, розумію

1. У якій точці закінчується крива випаровування на діаграмір, Т?

2. У якій точці закінчується крива сублімації?

3. Чому «сухий лід» не плавиться за нормальних умов?

ВПРАВА 33

1. Сталеву деталь, розігріту до температури 800 °С, загартовують, опускаючи в моторну оливу за температури 10 °С. Олива при цьому нагрівається до температури 40 °С. Визначте масу сталевої деталі, якщо після занурення її в моторну оливу вона

охолола на 20 °С. Маса оливи — 2 кг, її питома теплоємність —

2. У скляну посудину, масою 120 г і температурою 20 °С, налили гарячу воду, маса якої 200 г і температура 100 °С. Через 5 хв температура посудини з водою стала дорівнювати 40 °С. Яка кількість теплоти втрачається за одиницю часу? Процес втрати

тепла вважайте сталим. Питома теплоємність посудини

3. У залізному калориметрі масою 0,1 кг є 0,5 кг води за температури 15 °С. У калориметр кладуть свинець й алюміній загальною масою 0,15 кг за температури 100 °С. Унаслідок цього температура води піднімається до 17 °С. Визначте маси свинцю й алюмінію.

4. Крізь воду, що має температуру 10 °C, пропускають водяну пару температурою 100 °C. Скільки відсотків становить маса води, яка утворилася з пари, від маси усієї води в посудині в момент, коли її температура дорівнює 50 °C?

5. Водяну стоградусну пару впустили в калориметр, де міститься шматок льоду, маса якого 5 кг, а температура -50 °С. Визначте масу впущеної пари, якщо шматок льоду розплавився.

6. У суміш, що складається з 20 л води і 10 кг льоду за температури 0 °С, вливають свинець за температури плавлення. Уся суміш набуває температури 100 °С і 200 г води при цьому перетворюється в пару. Визначте, скільки було влито свинцю.

7. У теплоізольованій посудині міститься 500 г води і 54,4 г льоду за температури 0 °С. У посудину подають суху насичену пару масою 6,6 г за температури 100 °С. Якою буде температура після встановлення теплової рівноваги?

8. У посудину з водою за температури 20 °С вмістили 100 г льоду за температури -8 °С. Яка температура встановиться в посудині? Теплоємність посудини з водою

9. Розжарений алюмінієвий куб кладуть на лід, температура якого -20 °С, при цьому куб повністю заглиблюється в лід. Визначте початкову температуру куба. Зміною об’єму куба внаслідок його охолодження знехтуйте.

Перевірте себе (§ 31-38)

1. Який графік залежності тиску від температури всередині герметичної посудини, у якій міститься краплина води та насичена пара, відповідає процесу її нагрівання? Після випаровування краплини нагрівання продовжують.

2. На яку висоту піднімається спирт за 20 °С у скляній капілярній трубці, внутрішній діаметр якої 0,55 мм? Змочування вважайте повним.

А 0,25 см Б 0,5 см В 1 см Г 2 см

3. На графіку залежності механічної напруги від відносного видовження вкажіть точку, що відповідає межі пропорційності.

А 1 Б 2 В 3 Г 4

4. Скільки води за 0 °С було в калориметрі, якщо після того, як туди впустили 10 г водяної пари за 100 °С, температура піднялася до 40 °С?

А 15 г Б 72 г В 137 г Г 152 г

5. За температури 0 °С довжина алюмінієвого дроту становила 2000 м. Визначте довжину дроту за температури 200 °С.

А 2004,8 м Б 1990,4 м В 2009,6 м Г 2008,5 м

6. Відносна вологість повітря ввечері за температури 16 °С дорівнює 69 %. Визначте температуру (у градусах Цельсія), за якої вночі почне випадати роса.

7. Звичайна швацька голка має довжину 3,5 см і масу 0,1 г. Чи достатньо поверхневого натягу води для того, щоб утримувати голку на поверхні?

8. На скільки кельвінів потрібно нагріти алюмінієвий дріт площею поперечного перерізу 2 ■ 10^-5 м, щоб він видовжився на стільки ж, на скільки він видовжується під дією сили 1610 Н?

9. У посудині лежить шматок льоду. Температура льоду t₁ = 0 °С. Якщо надати йому кількість теплоти

льоду розтане. Яку кількість теплоти q потрібно

після цього надати вмісту посудини додатково, щоб увесь лід розтанув й утворена вода нагрілася до температури t₂ = 20 °С? Тепловими втратами на нагрівання посудини знехтуйте.

Астрономія — найдавніша і в той же час найпрогресивніша наука. Саме так. Наука про будову, властивості, походження та розвиток небесних тіл і їх систем допомагає нам вирішувати суто земні завдання. За допомогою небесних світил наші предки знаходили шлях в океані, вимірювали час, складали календарі, визначали терміни сільськогосподарських робіт. У наш час астрономія вивчає Всесвіт, який є «лабораторією» сучасного природознавства. Саме у Всесвіті можна дослідити надвисокі температури, темну матерію, тиск у сотні мільйонів атмосфер, колосальні енергії, густини речовини до мільярдів тон у кубічних сантиметрах, космічний вакуум. Шукати відповіді на питання, достеменно не вирішені до цього часу: як зародився Всесвіт і яке його майбутнє, чи є життя на екзопла-нетах, і чи стане розклад космічних польотів буденною реальністю пересічних громадян і громадянок?

 

Це матеріал з підручника Фізика і астрономія за 10 клас Засєкіна (профільний рівень)