Що називається фазою стану речовини

Фаза (у термодинаміці)

Термодинамічна фаза — термодинамічно однорідна за складом та властивостями частина термодинамічної системи, відокремлена від інших фаз поверхнями розділу, на яких стрибком змінюються деякі властивості системи. Інше випередження: Фаза – гомогенна частина гетерогенної системи. В однокомпонентній системі різні фази можуть бути різними агрегатними станами або різними поліморфними модифікаціями речовини. У багатокомпонентній системі фази можуть мати різний склад та структуру.

Основні поняття

Газ завжди складається з однієї фази, рідина може складатися з кількох рідких фаз різного складу (Ліквація, рідинна незмішуваність), але двох різних рідин одного складу в рівновазі співіснувати не може. Речовина у твердому стані може складатися з кількох фаз, причому деякі з них можуть мати однаковий склад, але різну структуру (поліморфні модифікації, алотропія).

Різні фази мають різні варіанти упаковки молекул (для кристалічних фаз, різними кристалічними гратами), і, отже, своїми характерними значеннями коефіцієнта стисливості, коефіцієнта теплового розширення та іншими характеристиками. Крім того, різні фази можуть мати різні електричні (сегнетоелектрики), магнітні (феромагнетики), і оптичні властивості (наприклад, твердий кисень).

Термодинамічні фази на фазовій діаграмі

Фазова діаграма типової речовини, що має тверду, рідку та газоподібну фазу.

На фазовій діаграмі речовини різні термодинамічні фази займають певні сфери.Лінії, що розділяють різні термодинамічні фази, називаються лініями фазового переходуЯкщо речовина знаходиться в умовах, що відповідають точці всередині будь-якої області, то вона повністю знаходиться в цій термодинамічній фазі. в іншій фазі. Пропорція двох фаз визначається, як правило, повною енергією, запасеною системою.

При повільній (адіабатичній) зміні тиску або температури речовина описується точкою, що рухається, на фазовій діаграмі.

Не всі фази повністю відокремлені одна від одної лінією фазового переходу. У деяких випадках ця лінія може обриватися, закінчуючись критичною точкою.

Крапка на фазовій діаграмі, де сходяться три лінії фазових переходів, називається потрійною точкою. у стані термодинамічної рівноваги може частково перебувати у всіх трьох фазах. На багатовимірних фазових діаграмах (тобто якщо крім температури та тиску присутні інші інтенсивні величини) можуть існувати четверні і т.д.

Термодинамічні фази та агрегатні стани речовини

Набір термодинамічних фаз речовини зазвичай значно багатший за набор агрегатних станів, тобто один і той же агрегатний стан речовини може знаходитися в різних термодинамічних фазах Саме тому опис речовини в термінах агрегатних станів досить огрублене, і воно не може розрізнити деякі фізичні ситуації.

Багатий набір термодинамічних фаз пов'язаний, як правило, з різними варіантами порядку, які допускаються у тому чи іншому агрегатному стані.

У газоподібному стані речовина не має жодного порядку.
Рідина володіє трансляційним порядком, але, як правило, не має орієнтаційного порядку. , специфічний, приклад: надплинний стан у рідкому гелії
Кристалічне тверде тіло має як трансляційний, так і орієнтаційний порядок. складною фазовою діаграмою.Наприклад, фазова діаграма такої, здавалося б, простої речовини, як лід, налічує принаймні 12 термодинамічних фаз, що реалізуються за різних температур і тисків.

Виділення фаз

Виділення фаз - Перетворення гомогенної системи на двофазну (або з числом фаз більше двох) широко використовується в науці та техніці.

Кристалізація дозволяє отримувати чисті речовини.

При високих тисках може спостерігатися таке явище, як розшарування в системі газ — газ. явища було вперше отримано на прикладі системи аміак - азот у 1941 г. На початку передбачалося, що обмежена взаємна розчинність спостерігається лише в газових сумішах, що містять полярний компонент (аміак, сірководень). поверхні розділу фаз при обмеженій взаємній розчинності газів було підтверджено візуальними спостереженнями та фотографуванням меніска між двома газовими фазами. При розшаруванні суміші газів іноді спостерігається так зване баротропне явище - Зміна місцями двох співіснуючих фаз при збільшенні тиску.₃(Ж.) - N₂(г.) фаза, більш багата на аміак має велику щільність.

Зовнішні посилання

Джерела

↑ Гонікберг М. Г.Хімічна рівновага та швидкість реакцій при високих тисках.// М.: Изд. АН СРСР, 1960 р., c. 19 - 24

Інфофіз

Лекція 07. Пояснення агрегатних станів речовини та фазових переходів між ними

Будь-яка речовина за певних умов може перебувати в різних агрегатних станах – твердому, рідкому та газоподібному.

Область, в якій речовина однорідна за всіма фізичними та хімічними властивостями, називається фазою стану цієї речовини.

Перехід з одного стану до іншого називається фазовим переходом.

Фазовий перехід відбувається за зміни температури тіла, тобто. при фазовому переході змінюється внутрішня енергія речовини.

Одним із найважливіших понять термодинаміки є внутрішня енергія тіла. Всі макроскопічні тіла мають енергію, укладену всередині самих тіл. З погляду молекулярно-кінетичної теорії внутрішня енергія речовини складається з кінетичної енергії всіх атомів і молекул і потенційної енергії їхньої взаємодії один з одним.

Внутрішня енергія – це сума енергій молекулярних взаємодій та енергії теплового руху молекул.

Зокрема, внутрішня енергія ідеального газу дорівнює сумі кінетичних енергій усіх частинок газу, що перебувають у безперервному та безладному тепловому русі. Внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від його температури та не залежить від обсягу (Закон Джоуля).

Внутрішню енергію тіла можна змінити різними способами:

Кількість теплоти Q, отриманої тілом називають зміну внутрішньої енергії тіла в результаті теплообміну.

Кількість теплоти Q є енергетичною величиною. У СІ кількість теплоти вимірюється в одиницях механічної роботи – джоулях (Дж).

Якщо в результаті теплообміну тілу передається деяка кількість теплоти, то внутрішня енергія тіла та її температура змінюються.

Щоб нагріти тіло масою m від температури t₁ до температури t₂ йому необхідно повідомити кількість теплоти

Q = cm(t₂ – t₁)

Кількість теплоти Q, необхідне для нагрівання 1 кг речовини на 1 К називають питомою теплоємністю речовини c.

Випаровування і конденсація є прикладами фазових переходів.

Усі реальні гази (кисень, азот, водень і т. д.) за певних умов здатні перетворюватися на рідину.

Перехід речовини з рідкого стану в газоподібний називається пароутворенням.

Пароутворення, що відбувається з вільної поверхні рідини називається випаровуванням.

З погляду молекулярно-кінетичної теорії, випаровування – це процес, у якому з поверхні рідини вилітають найшвидші молекули, кінетична енергія яких перевищує енергію зв'язку з іншими молекулами рідини. Це призводить до зменшення середньої кінетичної енергії молекул, що залишилися, тобто до охолодження рідини (якщо немає підведення енергії від навколишніх тіл). Рідина при випаровуванні охолоджується (Відчуття холоду при виході з води).

Молекули, що залишили рідину, складають пар над її поверхнею. Деякі молекули пари при хаотичному русі над поверхнею рідини залітають назад у рідину. Це означає, що поряд з випаровуванням рідини завжди відбувається і конденсація її парів. При конденсації молекули пари повертаються у рідину.

Конденсація – це процес перетворення пари на рідину.

Швидкість випаровування залежить:

від роду рідини (ефір та вода);
від площі її вільної поверхні (що більше площа, то швидше випаровується рідина – блюдце і склянка);
від температури (що вище температура, то швидше випаровується рідина – калюжі взимку і влітку);
від наявності руху повітря над поверхнею (у вітряну погоду та в безвітряну).

На практиці для перетворення рідини на пару в процесі теплообміну до неї підводиться теплота.

Кількість теплоти Qп, необхідне для перетворення рідини в пару при незмінній температурі називається теплотою пароутворення.

Для того, щоб перетворити на пару при незмінній температурі рідина масою m, їй необхідно повідомити кількість теплоти, що дорівнює Q_п = r·m

r – питома теплота пароутворення – кількість теплоти, необхідне для перетворення на пару 1 кг рідини при незмінній температурі [Дж/кг]

При конденсації виділяється кількість теплоти, що дорівнює Q_до = - r·m

Випаровування може відбуватися не тільки з поверхні, але і в обсязі рідини.

У рідини завжди є дрібні пляшечки газу. кипінням.

Кипінням називають пароутворення, яке відбувається в обсязі всієї рідини за постійної температури.

Кипіння рідини починається за такої температури, при якій тиск її насиченої пари стає рівним зовнішньому тиску..

Кожна рідина за нормальних умов кипить за певної температури, яка називається температура кипіння. Вона залишається постійною при тому самому тиску.

Речовина існує у твердому кристалічному стані при певних значеннях тиску та температури. У цьому стані речовина знаходиться доти, доки кінетичної енергії атомів недостатньо, щоб подолати сили взаємного тяжіння. Ці сили утримують атоми на певній відстані одна щодо одної, не дозволяючи їм переміщатися. При цьому атом коливається біля свого рівноваги. При нагріванні твердого тіла кінетична енергія атомів чи молекул зростає. При цьому амплітуди коливань можуть стати настільки більшими, що вже будуть порівняні з періодом решітки, станеться порушення далекого порядку, кристалічні грати почнуть руйнуватися. При подальшому збільшенні температури відбувається плавлення твердих тіл.

Плавлення – перехід речовини із твердого стану в рідкий.

При плавленні температура тіла залишається постійною. Все передане тілу тепло йде на руйнування кристала. При плавленні кристалічне тіло знаходиться одночасно у твердому та рідкому станах.

Після руйнування кристала і утворення рідини теплота, що підводиться, йде на нагрівання рідини.

Температура плавлення залежить від роду кристалічного тіла.

При плавленні змінюється щільність та об'єм речовини. У більшості речовин об'єм при плавленні збільшується, а при затвердінні зменшується. При цьому змінюється і густина: при плавленні густина зменшується, а при затвердінні збільшується. Наприклад, кристали твердого нафталіну або парафіну тонуть у розплавленому нафталіні (парафіні).

Але крига плаває у воді. Також поводяться вісмут, галій, германій, кремній, чавун, тобто. при плавленні їх густина збільшується, а при затвердінні зменшується.При плавленні вони стискаються (об'єм зменшується), а затвердінні розширюються (обсяг збільшується).

Температура плавлення залежить від атмосферного тиску.

У тих випадках, коли обсяг речовини при плавленні зростає, збільшення зовнішнього тиску призводить до збільшення температури плавлення (бо збільшення тиску ускладнює процес плавлення). Якщо обсяг речовини при плавленні зменшується, то збільшення зовнішнього тиску веде до зниження температури плавлення цієї речовини (т.к. підвищений тиск допомагає процесу плавлення в даному випадку).

Щоб перевести в рідину тверде тіло масою m при температурі плавлення, йому треба повідомити кількість теплоти

Q = λ m

де λ – питома теплота плавлення – кількість теплоти, необхідне, щоб перевести в рідину тверде тіло масою 1 кг за температури плавлення.

λ = Q / m [Дж/кг]

Під час плавлення збільшується внутрішня енергія тіла.

Якщо рідину, що вийшла при плавленні, охолодити до температури плавлення, то почнеться зворотний процес.

Кристалізація (затвердіння) - процес переходу рідини у твердий стан.

Відбувається зближення частинок рідини та впорядкування їх руху, в результаті якого вони починають коливатися біля вузлів кристалічних ґрат. Потенційна енергія молекул у своїй зменшується, т.к. температура кристалізації стала (рівна температурі плавлення для даної речовини), процес кристалізації повинен супроводжуватися виділенням тепла.

Процес кристалізації супроводжується виділенням теплоти кристалізації, яка дорівнює теплоті плавлення Q = λ m

Процес кристалізації відбувається у двофазній системі поблизу центрів кристалізації.такими центрами можуть бути порошинки, дрібні домішки.

Процеси плавлення та кристалізації можна представити на графіку:

За графіком можна визначити:

ділянка АВ - нагрівання льоду від -40 0 С до температури плавлення 0 0 С
ділянка ВС - плавлення льоду при температурі плавлення
ділянку СD - нагрівання води від 0 0 С до температури 50 0 С
ділянка DE - охолодження води від 50 0 С до температури кристалізації (затвердіння) 0 0 С
ділянка EF - кристалізація (затвердіння) води при температурі плавлення (кристалізації)
ділянка FK - охолодження льоду від 0 0 С до температури -40 0 С

Багато твердих речовин мають запах - камфара, нафталін. Значить пари цих речовин є у повітрі. Це доводить, що за певних умов тверді речовини можуть переходити з твердого стану газоподібне, минаючи рідке.

Перехід твердого стану речовини в газоподібний називається сублімацією або сублімацією («сублімарі» - підносити)

Легко виявити сублімацію (сублімацію) льоду та снігу: зменшення інею на деревах з часом, висихання замерзлої білизни взимку.

Часто можна спостерігати і зворотний перехід із газоподібного стану безпосередньо в твердий, минаючи рідкий стан – десублімація. На вікнах взимку іноді можна бачити швидке зростання кристаликів льоду у вигляді візерунків на шибках, які утворюються безпосередньо з водяної пари, що знаходяться в повітрі.

Випаровування твердих тіл аналогічне випаровуванню рідин. Всі тверді тіла випаровуються, але їхньої пари зазвичай так мало, що їх неможливо виявити. Процес сублімації відбувається при нагріванні твердого тіла, і без підведення теплоти ззовні. Під час сублімації відбувається охолодження тіла, т.к.його залишають найбільш швидкі молекули (мають кінетичну енергію, достатню для подолання молекулярного тяжіння і відриву молекул від поверхні тіла).

Процес сублімації або сублімації спостерігається у Всесвіті. При зближенні з сонцем відбувається сублімація поверхневого шару ядер комет. Майже вся маса комети зосереджена в ядрі, яке є єдиною твердою частиною комети. Ядро комети складається з суміші порошинок, твердих шматочків речовини та замерзлих газів (вуглекислий газ, аміак, метан). У далеких від Сонця областях комети немає хвостів. При наближенні комети до Сонця ядро прогрівається і з нього виділяються гази та пил. Вони утворюють навколо ядра газову оболонку, яка разом із ядром становить голову комети. Гази та пил, що викидаються в голову комети, відштовхуються під дії тиску сонячного світла та створюють хвіст комети, завжди спрямований у бік, протилежний Сонцю. Чим ближче до Сонця підходить комета, тим вона яскравіша і тим довша її хвіст внаслідок більшого її опромінення та інтенсивного виділення газів.

Інфофіз

Лекція 07. Пояснення агрегатних станів речовини та фазових переходів між ними

Перехід з одного стану в інший називається фазовим переходом.

Фазовий перехід відбувається за зміни температури тіла, тобто. при фазовому переході змінюється внутрішня енергія речовини

Одним із найважливіших понять термодинаміки є внутрішня енергія тіла.Всі макроскопічні тіла мають енергію, укладену всередині самих тіл. З погляду молекулярно-кінетичної теорії внутрішня енергія речовини складається з кінетичної енергії всіх атомів і молекул і потенційної енергії їхньої взаємодії один з одним.

Внутрішня енергія – це сума енергій молекулярних взаємодій та енергії теплового руху молекул.

Внутрішню енергію тіла можна змінити різними способами:

Кількість теплоти Q, отриманої тілом називають зміну внутрішньої енергії тіла в результаті теплообміну.

Q = cm(t₂ – t₁)

Випаровування і конденсація є прикладами фазових переходів.

Усі реальні гази (кисень, азот, водень і т. д.) за певних умов здатні перетворюватися на рідину.

Перехід речовини з рідкого стану в газоподібний називається пароутворенням.

Пароутворення, що відбувається з вільної поверхні рідини називається випаровуванням.

З точки зору молекулярно-кінетичної теорії, випаровування - це процес, при якому з поверхні рідини вилітають найбільш швидкі молекули, кінетична енергія яких перевищує енергію їхнього зв'язку з іншими молекулами рідини. Це призводить до зменшення середньої кінетичної енергії молекул, що залишилися, тобто до охолодження рідини (якщо немає підведення енергії від навколишніх тіл). Рідина при випаровуванні охолоджується (Відчуття холоду при виході з води).

Конденсація – це процес перетворення пари на рідину.

Швидкість випаровування залежить:

від роду рідини (ефір та вода);
від площі її вільної поверхні (що більше площа, то швидше випаровується рідина – блюдце і склянка);
від температури (що вище температура, то швидше випаровується рідина – калюжі взимку і влітку);
від наявності руху повітря над поверхнею (у вітряну погоду та в безвітряну).

На практиці для перетворення рідини на пару в процесі теплообміну до неї підводиться теплота.

r – питома теплота пароутворення – кількість теплоти, необхідне перетворення на пару 1 кг рідини при незмінній температурі [Дж/кг]

При конденсації виділяється кількість теплоти, що дорівнює Q_до = - r·m

Випаровування може відбуватися не тільки з поверхні, але і в обсязі рідини.

У рідині завжди є дрібні бульбашки газу. Якщо тиск насиченої пари рідини дорівнює зовнішньому тиску (тобто тиску газу в бульбашках) або перевищує його, рідина випаровуватиметься всередину бульбашок. Пухирці, наповнені парою, розширюються і спливають на поверхню. Цей процес називається кипінням.

Кипінням називають пароутворення, яке відбувається в обсязі всієї рідини за постійної температури.

Плавлення – перехід речовини із твердого стану в рідкий.

Після руйнування кристала і утворення рідини теплота, що підводиться, йде на нагрівання рідини.

Температура плавлення залежить від роду кристалічного тіла.

Але крига плаває у воді. Також поводяться вісмут, галій, германій, кремній, чавун, тобто. при плавленні їх густина збільшується, а при затвердінні зменшується. При плавленні вони стискаються (об'єм зменшується), а затвердінні розширюються (обсяг збільшується).

Температура плавлення залежить від атмосферного тиску.

Q = λ m

λ = Q / m [Дж/кг]

Під час плавлення збільшується внутрішня енергія тіла.

Якщо рідину, що вийшла при плавленні, охолодити до температури плавлення, то почнеться зворотний процес.

Кристалізація (затвердіння) - процес переходу рідини у твердий стан.

Відбувається зближення частинок рідини та впорядкування їх руху, в результаті якого вони починають коливатися біля вузлів кристалічної решітки. Потенційна енергія молекул при цьому зменшується, а т.к. .

Процес кристалізації відбувається у двофазній системі поблизу центрів кристалізації.

Процеси плавлення та кристалізації можна представити на графіку:

За графіком можна визначити:

ділянка АВ - нагрівання льоду від -40 0 С до температури плавлення 0 0 С
ділянка ВС - плавлення льоду при температурі плавлення
ділянку СD - нагрівання води від 0 0 С до температури 50 0 С
ділянка DE - охолодження води від 50 0 С до температури кристалізації (затвердіння) 0 0 С
ділянка EF - кристалізація (затвердіння) води при температурі плавлення (кристалізації)
ділянка FK - охолодження льоду від 0 0 С до температури -40 0 С

Багато твердих речовин мають запах - камфара, нафталін. Значить пари цих речовин є в повітрі.

Випаровування твердих тіл аналогічне випаровуванню рідин. Всі тверді тіла випаровуються, але їхньої пари зазвичай так мало, що їх неможливо виявити. Процес сублімації відбувається при нагріванні твердого тіла, і без підведення теплоти ззовні. Під час сублімації відбувається охолодження тіла, т.к. його залишають найбільш швидкі молекули (мають кінетичну енергію, достатню для подолання молекулярного тяжіння і відриву молекул від поверхні тіла).