Общие представления о фазовых переходах
Фаза вещества. Три агрегатных состояния. Плазма.
Условия устойчивости фаз при заданных внешних условиях. Термодинамический потенциал.
Фазовые переходы первого и второго рода.
Динамическое равновесие фаз. Кривые равновесия фаз. Фазовые диаграммы.
Тройная точка. Критическое состояние вещества.
Влияние давления на фазовые переходы первого рода. Уравнение Клапейрона–Клаузиуса. Экстремальные состояния вещества при больших давлениях.
В модели идеального газа не учитывается потенциальная энергия взаимодействия между частицами, роль которой растет с уменьшением температуры и повышением давления. Это взаимодействие приводит к тому, что в зависимости от условий одно и то же вещество может находиться в разных фазах.
Фазы вещества характеризуются следующими общими признаками:
макроскопичность (достаточно большое число частиц);
однородность (свойства всех макроскопических элементов системы одинаковые);
наличие поверхности, отделяющей данную фазу от окружающей среды или другой фазы.
Агрегатные состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное) являются фазами, отличающимися друг от друга пространственным распределением и тепловым движением частиц.
Твердые тела в равновесном стабильном состоянии имеют кристаллическое строение. Частицы кристалла распределены в пространстве строго периодически, образуя кристаллическую решетку с минимумом потенциальной энергии взаимодействия частиц. Твердое состояние одного и того же вещества может существовать в разных кристаллических модификациях, каждая из которых представляет собой отдельную фазу. Это явление называется полиморфизмом. Твердый углерод существует в виде графита и алмаза, железо имеет α-, β-, γ- и δ-модификации, а лед обладает семью модификациями. Лед №6, впервые полученный П. Бриджменом при давлении , плавится при температуре и называется «горячим льдом».
В случае жидкости определенная структура в расположении частиц наблюдается только на достаточно малых расстояниях (существует лишь так называемый ближний порядок). В течение времени оседлой жизни, зависящей от температуры, частицы жидкости совершают колебания около своих положений равновесия. Если частица за счет взаимодействия со своими соседями приобретает достаточную энергию, то она может перейти в новое положение равновесия.
Пространственное распределение частиц газа имеет такую же симметрию, что и пространственное распределение частиц жидкости, если пренебречь ближним порядком и рассматривать достаточно большие объемы жидкости. Тогда различие между этими двумя пространственными распределениями становится чисто количественным в отношении среднего расстояния между частицами.
Тепловое движение в твердых телах представляет собой колебания частиц в узлах кристаллической решетки. Амплитуда этих колебаний определяется температурой тела. В жидкостях большая часть энергии теплового движения частиц связана с их колебаниями около положений равновесия и лишь очень малая часть тепловой энергии приходится на поступательное движение. Частицы газа совершают только поступательное тепловое движение, если пренебречь их размерами и внутренней структурой.
При достаточно низкой температуре все вещества за исключением жидкого гелия существуют в твердом состоянии. С ростом температуры вещество переходит из твердого состояния в жидкое, затем в газообразное и, наконец, если температура превысит температуру ионизации , где – энергия ионизации атомов, k – постоянная Больцмана, вещество ионизируется и возникает плазма, состоящая из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов. Энергия ионизации атомов , поэтому . В зависимости от температуры кинетическая энергия частиц плазмы 1–106эВ, тогда как энергия теплового движения частиц твердых тел, жидкостей и газов не превышает 1эВ.
Большая тепловая энергия частиц плазмы делает ее перспективным рабочим телом для создания тепловых машин и установок управляемого термоядерного синтеза. Устойчивое протекание в плазме термоядерных реакций требует выполнения критерия Лоусона  ,где n – концентрация частиц и τ – время удержания этой концентрации, а также высокой температуры Т . Создание опытной установки управляемого термоядерного синтеза планируется завершить в 20-е годы этого столетия. Отметим, что на плазму, из которой состоят звезды, приходится около 99% всего обычного видимого вещества нашей Вселенной.
В дальнейшем вещество считается однокомпонентным, в нем не протекают химические реакции и на него не действуют внешние силовые поля (гравитационное и электромагнитное поля). Фазовый переход есть скачкообразное изменение физических свойств вещества при непрерывном изменении внешних параметров вследствие потери устойчивости исходной фазы и перехода вещества в новую фазу.
|