Семинар 6. Фазовые переходы первого рода. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса

Все вещества могут существовать в различных агрегатных состояниях или в различных модификациях одного агрегатного состояния в зависимости от условий (Т, р и т.д.). Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое, или изменение модификации агрегатного состояния вещества называется фазовым переходом первого рода. Фазовые переходы 1-го рода сопровождаются выделением или поглощением теплоты.

Система может содержать одновременно несколько фаз. Чтобы такая система находилась в равновесии, необходимо выполнение нескольких условий, одно из них: термодинамический потенциал Гиббса G должен принимать минимальное значение.

. (25)

При динамическом равновесии выполняется уравнение:

, (26)

где g₁ и g₂ – удельные (относящиеся к единице массы вещества) термодинамические потенциалы 1-й и 2-й фаз.

Уравнение, связывающее между собой давление и температуру, при которых осуществляется фазовый переход первого рода, имеет вид

- уравнение Клапейрона-Клаузиуса (27)

где - удельный объем. Две любые фазы вещества могут находиться в равновесии лишь при определенном давлении, зависящем от температуры.

Максимально возможное число фаз вещества, находящихся в равновесии друг с другом равно трем, если это изобразить на плоскости p, T, то она получится разделена на три области: твердую фазу (т), жидкую (ж) и газообразную (г), рис.20.

Границами соприкасающихся фаз являются кривые сублимации (испарение твердого тела), испарения и плавления, характеризующие двухфазные равновесные состояния.

Рис.20

Подобные диаграммы строят экспериментально для разных веществ, они позволяют предсказывать в каких равновесных состояниях может находиться вещество при тех или иных значениях давления и температуры, а также когда и какие оно будет испытывать фазовые превращения при том или ином процессе. Например, кривая испарения заканчивается в критической точке К, поэтому возможен непрерывный переход вещества из жидкого состояния в газообразное и обратно путем обхода точки К «сверху», в этом случае такой переход не сопровождается двухфазным состоянием.

 

Задачи

6.1. Получить уравнение Клапейрона-Клаузиуса методом циклов.

6.2. Вывести уравнение Клапейрона-Клаузиуса методом термодинамического потенциала.

6.3. Ромбическая сера превращается в моноклинную при . При атмосферном давлении удельная теплота превращения . Скачок удельного объема серы при фазовом превращении . Найти смещение точки фазового перехода серы при изменении давления на .

6.4. Кусочек льда массы непрерывно нагревают при атмосферном давлении от температуры до , пока все вещество не перейдет в пар. Построить график зависимости энтропии воды от абсолютной температуры на всем вышеуказанном интервале температур.

6.5. При стремлении температуры фазового перехода «жидкость – пар» к критической температуре Т_к удельная теплота испарения (конденсации) стремится к нулю. Объяснить это свойство с помощью уравнения Клапейрона-Клаузиуса.

6.6. В закрытом сосуде с объемом находится 1 кг воды при температуре . Пространство над водой занято насыщенным водяным паром (воздух выкачан). Найти увеличение массы насыщенного пара при повышении температуры системы на . Удельная теплота парообразования . При расчетах пар считать идеальным газом. Удельным объемом воды пренебречь по сравнению с удельным объемом пара.

6.7 Найти зависимость давления насыщенного пара от температуры в следующих упрощающих предположениях: удельную теплоту парообразования q считать не зависящей от температуры; удельный объем жидкости пренебрежимо мал по сравнению с удельным объемом пара; к жидкости применимо уравнение состояния Клапейрона. (Эти упрощения допустимы вдали от критической температуры, если интервал изменения температур не слишком широк.)

6.8. Кусок льда помещен в адиабатическую оболочку при температуре 0˚С и атмосферном давлении. Как изменится температура льда, если его адиабатически сжать до давления ? Какая доля льда при этом расплавится? Удельные объемы воды , льда . Теплоемкости воды и льда связаны соотношением .

 

Ответы

6.3.

6.6. , где -объем пара;

6.7. , где р₀ – давление насыщенного пара при Т₀;

6.8.

Список литературы

1. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. – СПб.: Лань, 2001.

2. Иродов И.Е. Физика макросистем. Основные законы. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001.

3. Кассандрова О.Н., Матвеев А.Н., Попов В.В. Методика решения задач по молекулярной физике./ Под общей ред. А.Н. Матвеева. - М.: Изд-во МГУ, 1982.

4. Кубо Риого. Термодинамика. Современный курс с задачами и решениями. – М.: Наука, 1970.

5. Матвеев А.Н. Молекулярная физика. - М.: Высш. шк., 1987.

6. Общая физика. Молекулярная физика. Определение основных характеристик фазовых переходов 1-го рода при кипении воды: Метод. указания к лабораторной работе. –Красноярск, КрасГУ, 2000.

7. Орир Дж. Физика. Т.1. – М.: Мир, 1981.

8. Сборник задач по общему курсу физики. Термодинамика и молекулярная физика. /Под ред. Д.В. Сивухина. – М.: Наука, 1976.

9. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.2. – М.: Наука, 1979.