Электроника Физика Электротехника Полупроводниковые материалы Теория конструктивных материалов Курс черчения Контольная работа

Конспект курса лекций по физике. Термодинамика

Полученные знания о свойствах реальных газов дали возможность получить все существующие в природе вещества в газообразном, жидком и твердом состояниях

.

Тройная точка. Диаграмма состояния

Возьмем вещество в виде жидкости и находящегося с ней в равновесии насыщенного пара и, не изменяя объема, станем отнимать от него тепло. Этот процесс будет сопровождаться понижением температуры вещества и соответствующим уменьшением давления. Поэтому точка К, изображающая состояние вещества на диаграмме (р,Т), перемещается вниз по кривой испарения (рис.9.7). Это продолжается до тех пор, пока не будет достигнута температура кристаллизации вещества, отвечающая равновесному значению давления.

Рис.9.7. Тройная точка диаграммы состояния вещества.

Обозначим эту температуру Ттр. Все время, пока идет процесс кристаллизации, температура и давление остаются неизменными. Отводимое при этом тепло представляет собой тепло, выделяющееся при кристаллизации.

Температура Ттр и соответствующее ей равновесное давление ртр - единственные значения температуры и давления, при которых могут находиться в равновесии три фазы вещества: твердая, жидкая и газообразная. Соответствующая точка на диаграмме (р,Т) называется тройной точкой. Таким образом, тройная точка определяет условия, при которых могут находиться в равновесии одновременно три фазы вещества.

По окончании процесса кристаллизации в равновесии будут находиться твердая и газообразная фазы. Если продолжать отнимать от вещества тепло, то температура снова начнет понижаться. Соответственно уменьшается давление паров, находящихся в равнове­сии с кристаллической фазой. Точка, изображающая состояние вещества, перемещается вниз по кривой сублимации.

Температура тройной точки есть температура, при которой плавится вещество, находясь под давлением, равным ртр. При других давлениях температура плавления будет иной. Связь между давлением и температурой плавления изобразится кривой плавления, начи­нающейся в тройной точке. Таким образом, тройная точка оказывается лежащей на пересечении трех кривых, определяющих условия равновесия двух фаз: твердой и жидкой, жидкой и газообразной и, наконец, твердой и газообразной.

Рис.9.8. Диаграмма состояния.

В зависимости от соотношения между удельными объемами твердой и жидкой фаз кривая плавления идет либо так, как на рис.9.7 , либо так, как на рис.9.8

Кривые плавления, испарения и сублимации разбивают координатную плоскость на три области. Слева от кривых сублимации и плавления лежит область твердой фазы, между кривыми плавления и испарения заключена область жидких состояний и, наконец, справа от кривых испарения и сублимации простирается область газообразных состояний вещества. Любая точка в одной из этих областей изображает соответствующее однофазное состояние вещества (все время имеются в виду только равновесные состояния, т. е. такие состояния, в которых вещество при неизменных внешних условиях пребывает сколь угодно долго). Всякая точка, лежащая на одной из разграничивающих области кривых, изображает состояние равновесия двух соответствующих фаз вещества. Тройная точка изображает состояние равновесия всех трех фаз.

Таким образом, каждая точка на диаграмме изображает определенное равновесное состояние вещества. Поэтому ее называют диаграммой состояния.

Для вещества с несколькими кристаллическими модификациями диаграмма состояния имеет более сложный характер.

Рис.9.9. Диаграмма состояния вещества с двухфазным твердым состоянием.

На рис.9.9 изображена диаграмма для случая, когда число различных кристаллических модификаций равно двум.

В этом случае имеются две тройные точки. В точке Тр в равновесии находятся жидкость, газ и первая кристаллическая модификация вещества, в точке Тр’ находятся в равновесии жидкость и обе кристаллические модификации.

Диаграмма состояния для каждого конкретного вещества строится на основе экспериментальных данных. Зная диаграмму состояния, можно предсказать, в каком состоянии будет находиться вещество при различных условиях (при различных значениях р и Т), а также какие превращения будет претерпевать вещество при различных процессах.

Поясним это следующими примерами.

Если взять вещество в состоянии, соответствующем точке 1 (см. рис.9.7), и подвергнуть его изобарическому нагреванию, то вещество будет проходить изображенную пунктирной прямой 1 - 2 последовательность состояний: кристаллы – жидкость - газ. Если то же вещество взять в состоянии, изображенном точкой 3, и также подвергнуть изобарическому нагреванию, то последовательность состояний (пунктирная прямая 3 – 4) будет иной: кристаллы превращаются непосредственно в газ, минуя жидкую фазу.

Из диаграммы состояния следует, что жидкая фаза может существовать в равновесном состоянии только при давлениях не меньших, чем давление тройной точки (то же самое относится и к твердой фазе II на рис.9.9). При давлениях, меньших ртр, наблюдаются только переохлажденные жидкости.

У большинства обычных веществ тройная точка лежит значительно ниже атмосферного давления, вследствие чего переход этих веществ из твердого состояния в газообразное осуществляется через жидкую промежуточную фазу. Так, например, тройной точке воды соответствует давление 4,58 мм рт. ст. и температура 0,0075° С.

Истоки современного учения о колебаниях мы можем заметить в классической механике времен Галилея, Гюйгенса, Ньютона в задачах о движении маятника. В трудах Лагранжа имеется уже сформировавшаяся теория малых колебаний. При дальнейшем развитии она получила название теории линейных колебаний, т.е. колебаний, характеризуемых линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами как однородных, так и со свободными членами, являющимися известными функциями времени. В трудах ряда ученых линейные дифференциальные уравнения стали мощным орудием исследования. Так А.М. Крылов и его ученики, развивавшие теорию линейных колебаний, с успехом применяли ее к проблемам о качке корабля, к теории гироскопа, к задачам артиллерии.

На главную сайта: Курс физики