фазовые диаграммы

Знакомство с фазовыми диаграммами. Начнем изучение фазовых превращений с самой привычной для нас системы, состоящей только из одного компонента — чистой воды. Для этого заключим воду в герметичный сосуд с поршнем где ее состоянием легко управлять, меняя внешнее давление на поршень и нагревая или охлаждая сосуд. Важно понять, что никаких других способов воздействовать на фазовое состояние воды в сосуде (разумеется, не разбивая при этом сосуда), у нас нет). Поэтому все «события», связанные с фазовыми превращениями в замкнутом сосуде, должны быть функцией только давления Р и температуры Т. В принципе, еще можно накладывать на систему в сосуде внешние магнитное или электрическое поля, но эти случаи в дальнейшем рассматриваться не будут. Здесь надо обратить внимание на одно обстоятельство.

Если во внешней среде поддерживается постоянная температура Т, то через некоторое время такая температура установится во всех фазах замкнутой системы. Это положение подтверждается нашим каждодневным опытом — при наличии контакта температура разных тел выравнивается. То же самое справедливо и в отношении давления, но с одной оговоркой: давление в разных фазах одинаково и равно внешнему, если все поверхности раздела между фазами в изучаемой нами системе плоские. Тогда равенство давлений сразу следует из механического равновесия поверхности раздела, Если же поверхности раздела имеют конечный радиус кривизны, приходится считаться и с силами поверхностного натяжения. В дальнейшем, если это не будет отмечено особо, влиянием сил поверхностного натяжения при рассмотрении условий совместного существования фаз мы будем пренебрегать. С учетом этих замечаний будем характеризовать фазовое состояние системы лишь одним, общим для всех фаз, значением давления и температуры. Прежде всего желательно выяснить, при каких внешних условиях происходит фазовое превращение. Для определенности будем исследовать таяние льда. Если зафиксировать нормальное атмосферное давление (760 мм рт. ст.), лед начнет таять при 0°С. Изменив давление, мы изменим и температуру начала таяния. Можно свести все данные о фазовом переходе в таблицу из двух колонок в одной указывать давление, а в другой -температуру начала таяния. Но еще удобнее изобразить данные таблицы графически в виде зависимости давления от температуры. Линия отделяет друг от друга области устойчивого существования льда и воды.

Это отнюдь не означает, будто лед не может существовать в «водной» области. Разумеется, может. Мы регулярно это наблюдаем весной, когда при положительной температуре реки еще полны льдин. Но такое состояние не является устойчивым — лед в реке тает. Этот процесс происходит не мгновенно, а с какой-то конечной скоростью. Через несколько дней (если вновь не ударят морозы) лед обязательно растает весь до конца. А вот вода при тех же условиях уже никогда снова не станет льдом… Если состояние системы перестает меняться во времени, говорят, что в ней установилось равновесие. Это слово нам хорошо знакомо еще из механики. Им характеризовалось неподвижное состояние тел. Но часто достижению механического равновесия предшествует некоторый период его установления. Так, брошенный на землю мяч несколько раз подпрыгнет, пока не замрет в равновесном положении. Аналогичное положение вещей существует и в термодинамике. Повышая температуру, мы инициируем таяние льда. Но должен пройти определенный промежуток времени, прежде чем система придет к равновесию — весь лед превратится в жидкую воду. График на рисунке предсказывает только равновесное состояние системы. Если таким же образом изобразить графически область существования третьей фазы — водяного пара, получим часто приводимую в учебниках диаграмму. Эту и ей подобные диаграммы называют фазовыми. Ими очень удобно пользоваться: зная температуру и давление, можно сразу определить, из каких фаз система будет состоять в равновесии. Определенным давлению и температуре на диаграмме соответствует точка. Если она попадает в области устойчивого существования пара, льда или жидкости, то в равновесии система будет состоять из одной фазы, соответственно пара, льда или жидкости. Если точка оказывается на линии диаграммы, система в равновесии будет состоять из смеси двух фаз. Из каких именно? Совершенно очевидно: если, например, это линия раздела водной и ледяной областей, то изо льда и жидкой воды. И наконец, при единственном сочетании давления и температуры, которому соответствует точка пересечения трех линий, в равновесии будут находиться все три фазы.

Комментарии закрыты.