Диаграмма состояния. Тройная точка

Как уже указывалось, одно и то же вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний в зависимости от внешних условий температуры и давления.

Зависимость агрегатного состояния вещества от давления и температуры может быть наглядно представлена диаграммой состояния.

Для каждого вещества на основе экспериментальных данных можно составить диаграмму состояний в координатах и , по которой легко определить, в каком состоянии будет находиться это вещество и что с ним будет происходить при изменении внешних условий. Для ее построения, откладывая по оси ординат давление , а по оси абсцисс температуру , отмечают точками такие сочетания давления и температуры , при которых находятся в динамическом равновесии жидкость – газ, газ – твердое тело, жидкость – твердое тело. Каждая точка на диаграмме соответствует равновесному состоянию вещества, т. е. такому, в котором оно может находиться неопределенно долгое время.

Из правила фаз Гиббса [63] следует, что химически однородное вещество (однокомпонентная система) в равновесии не может иметь больше трёх фаз.

Если для одного и того же вещества построить на диаграмме кривые равновесия жидкость – пар и твёрдое тело – жидкость, то они пересекутся в некоторой точке Тр., характеризующейся некоторыми определёнными значениями температуры и давления (рис. 188). Точка Тр. – тройная точка.

Рис. 188.

Тройная точка – точка пересечения кривых фазового равновесия на плоской диаграмме состояния вещества, соответствующая устойчивому равновесию трёх фаз.

В этой точке сходятся линии плавления, кипения и возгонки (сублимации).Температура , соответствующее ей давление – единственные значения температуры и давления, при которых могут находиться в равновесии три фазы вещества: твёрдая, жидкая и газообразная.

Часть диаграммы слева от линии соответствует твердому состоянию вещества; область, ограниченная линией – жидкому, а область справа от линии – газообразному состоянию. Линия соответствует равновесию жидкой и газообразной фаз, линия – равновесию жидкой и твердой фаз и – равновесию твердой и газообразной фаз.

В однокомпонентном веществе только кривая испарения имеет конец – критическую точку К. Кривая плавления – кристаллизации, сублимации уходят в бесконечность, либо заканчиваются на тройных точках. Отсутствие конца типа критической точки у кривой плавления говорит о том, что жидкая и твёрдая фазы принципиально отличаются друг от друга. Главное в этом отличии заключается в том, что жидкости изотропны, а кристаллы – анизотропны.

При давлениях вещество не может существовать в жидкой фазе ни при каких температурах.

Пример.

Вещество
Вода
Углекислота

 

 

При давлениях, близких к атмосферному, углекислота может существовать только в твёрдом («сухой лёд») и газообразном состояниях (сублимирует). У большинства твёрдых тел давление насыщенных паров так мало, что испарение не играет существенной роли. У них тройная точка лежит значительно ниже атмосферного давления, поэтому переход из твёрдого состояния в газообразное осуществляется через промежуточную жидкую фазу.

Тройная точка существует у всех веществ, кроме гелия. Поведение гелия при низких температурах квантовым эффектом.

[1] Система ортов (или базисная система векторов) - это система единичных векторов осей координат. Орт координатной оси обозначается через , оси - через , оси - через (рис. 3).

Если вектор расположен в пространстве, то разложение по ортам координатных осей имеет вид: .

 

 

[2] Метр (русское обозначение: м; международное: m; от др.-греч.Μέτρον – мера, измеритель) – единица измерения длины и расстояния в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. Метр равен расстоянию, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный секунды.

 

[3]Секу́нда (русское обозначение: с; международное: s) – единица измерения времени, одна из основных единиц Международной системы единиц (СИ); представляет собой интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного (квантового) состояния атомацезия-133 в покое при при отсутствии возмущения внешними полями.

[4]Релятивистские эффекты (лат. relativus – относительный) – эффекты, проявляющиеся при движении тел со скоростью близкой к скорости света в вакууме

[5]Угловая скорость - аксиальный вектор. Аксиальные векторы не связаны с определенной линией действия. Их можно перемещать в пространстве параллельно самим себе (свободные векторы).

[6]Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма (прототип (эталон) килограмма, хранится в Международном бюро мер и весов (расположено в Севре близ Парижа) и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39,17мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия)).

[7] Ньютон (русское обозначение: Н; международное: N) — единица измерениясилы в Международной системе единиц (СИ). Ньютон — производная единица. Исходя из второго закона Ньютона она определяется как сила, изменяющая за 1 с скорость тела массой 1 кг на 1 м/с в направлении действия силы. Таким образом, .

[8] Диссипа́ция (лат. dissipatio) — рассеивание. Диссипация энергии — переход части энергии упорядоченных процессов (кинетической энергии движущегося тела, энергии электрического тока и т. д.) в энергию неупорядоченных процессов, в конечном итоге – в тепло.

 

[9] Ньютон И. (1643-1727) – выдающийся английский учёный, основоположник механической картины мира.

[10]Однор́одность пространства означает, что нет такой точки в пространстве, относительно которой существует некоторая «выделенная» симметрия, все точки равноправны, поэтому рассматриваемый эксперимент не зависит от нашего выбора точки отсчета, т.е. пространство называется однородным, если параллельный перенос системы отсчета не влияет на результат измерений. Однородность пространства и времени означает, что наблюдаемые физические свойства и явления должны быть одинаковы в любой точке пространства и в любой момент времени.

[11] Абсолютное пространство – в классической механике–трёхмерное евклидово пространство, в котором выполняется принцип относительности и преобразования Галилея. Термин введён Ньютоном (вместе с концепцией абсолютного времени). Пространство и время у него выступают в качестве универсального вместилища, обладающего отношениями порядка и существующие независимо как друг от друга, так и материальных тел.

 

[12]В общем случае сила , действующая на материальную частицу, изменяется вместе с изменением координат частицы, т.е. , поэтому элементарная работа не является полным дифференциалом и её нельзя обозначать .

[13] Джоуль - это работа, совершаемая силой 1 Н на перемещении 1 м, если направления силы и перемещения совпадают: .

 

[14]Potentia(лат.) – сила.

[15]Гамильтон У.Р. (1805-1865) – ирландский математик.

[16] Однородность времени – это тожественность всех временных точек (моментов времени) на временной оси; означает, что любые явления, которые происходят в одних и тех же условиях, но в разные периоды времени, протекают одинаково. Согласно теореме Э.Нетер следствием однородности времени является закон сохранения энергии.

[17] Изотропи́я, изотро́пность (из др.-греч.ίσος «равный, одинаковый, подобный» + τρόπος «оборот, поворот; характер») – одинаковость физических свойств во всех направлениях, инвариантность, симметрия по отношению к выбору направления. Пространство называется изотропным, если поворот системы отсчета на произвольный угол не приведет к изменению результатов измерений.

[18] Паскаль Б. (1623 – 1662) – французский учёный.

[19]Архимед (3 в. до н.э.) – древнегреческий учёный.

[20] Градие́нт (от лат. gradiens, род. падеж gradientis – шагающий, растущий)–вектор, своим направлением указывающий направление наибольшего возрастания некоторой величины , значение которой меняется от одной точки пространства к другой (скалярного поля), а по величине (модулю) равный быстроте роста этой величины в этом направлении.

[21]Капица С.П. (1894 – 1984) – советский физик, лауреат Нобелевской премии.

[22]Рейнольдс О. (1842-1912) – английский физик.

[23]Бернулли Д. (1700-1782) – швейцарский физик, член Петербургской Академии наук.

[24] Дальтон Д. (1766-1844) – английский физик и химик, создатель химического атомизма.

[25]Авогадро А. (1776-1856) – итальянский физик и химик. В 1811 г. выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества, установил один из газовых законов, названных его именем.

[26]Больцман Л. (1844-1906) – австрийский физик, один из основателей статистической физики.

[27] Для колебатеьных степеней свободы она равна kT, т.о. общее число степеней свободы I = i_п + i_вр. + 2 i_кол.. Колебательная степень свободы «обладает» вдвое большей энергией потому, что на нее приходится не только кинетическая энергия (как в случае поступательного и вращательного движения), но и потенциальная энергия, причем Е_кин. = Е _пот.

[28] Максвелл Д.К. (1831-1879) – английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, организатор Кавендишской лаборатории.

[29]Клаузиус Р.Ю. (1882-1888) – немецкий физик один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории, иностранный член Петербургской АН.

[30] Менделеев Д.И. (1834-1907) – выдающийся русский химик и физик.

[31]Клапейрон Б.П.Э. (1799-1864) – французский физик и инженер, член-корр. Петербургской АН.

[32]Бойль Р. (1627-1691) – английский физик и химик, один из учредителей Лондонского королевского общества.

[33] Мариотт Э. (1620-1684) - французский физик.

[34] Гей-Люссак Ж.Л. (1778-1850) – французский физик и химик.

[35] Шарль Ж. – французский учёный.

[36] Дальтон Д. (1766-18440 – английский химик и физик, создатель химического атомизма..

[37]Майер Ю.Р. (1814-1878) – английский естествоиспытатель, врач.

[38] Гельмгольц Г.Л. Ф. (1821-1894) – немецкий учёный, иностранный член Петербургской АН.

[39]Вечный двигатель первого рода – периодически действующий двигатель, который совершал бы большую работу, чем сообщённая ему извне энергия.

[40] Вырожденный газ - это такой, к которому неприменима классическая статистика (обычная газовая термодинамика).

[41]Карно С. (1796 – 1832) – французский физик и инженер, один из создателей термодинамики.

[42]Оствальд В.Ф. (1853 – 1932) – немецкий физико-химик и философ-идеалист; иностранный член-корреспондент Петербургской АН.

[43]Полный дифференциал функции двух независимых переменных равен сумме произведений частных производных функции на дифференциалы соответствующих независимых переменных:

.

 

[44]Нернст В. (1864-1941) – немецкий физико - химик, иностранный почётный член АН СССР.

[45]Гельмгольц Г.Л.Ф. (1821-1894) – немецкий учёный, иностранный член Петербургской АН.

[46]Гиббс Д.У. (1839-1903) – американский физик – теоретик, один из основателей термодинамики и статистической механики.

[47]Вероятностью события называется отношение числа случаев, благоприятных для данного события, к общему числу всех равновозможных случаев.

[48]Ландау Л.Д. (1908-1968) – советский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии.

[49] Фридман А.А. (1888-1925) – советский математик и геофизик; автор теории «нестационарной Вселенной».

[50] Ван – дер – Ваальс Я.Д. (1ё37 – 1923) – нидерландский физик.

[51]Метастабильными называются равновесные состояния с ограниченной устойчивостью. При отклонении от этого состояния вещество не стремится к нему обратно, а легко переходит в другое устойчивое состояние. Метастабильные состояния существуют ограниченное время.

[52] Ближний порядок – упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул в веществе, которая (в отличие от дальнего порядка) повторяется лишь на расстояниях, соизмеримых с расстояниями между атомами, то есть ближний порядок – это наличие закономерности в расположении соседних атомов или молекул.

 

[53]Средняя кривизна определяется через кривизну нормальных сечений. Нормальным сечением поверхности в некоторой точке называется линия пересечения этой поверхности с плоскостью, проходящей через нормаль к поверхности в рассматриваемой точке. Для сферы любое нормальное сечение представляет собой окружность радиуса .

 

[54]Узкие цилиндрические трубки малого диаметра называются капиллярами.

[55] О́смос (от греч. ὄσμος– толчок, давление) – процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону бо́льшей концентрации растворённого вещества (меньшей концентрации растворителя).

[56] Дальний порядок – упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул в веществе (в жидком или твёрдом состоянии), которая (в отличие от ближнего порядка) повторяется на неограниченно больших расстояниях.

[57] Примитивной ячейкой называется минимальный воображаемый объём кристалла, параллельные переносы (трансляции) которого в трёх измерениях позволяют построить трёхмерную кристаллическую решётку в целом.

[58]Браве О. (1811 – 1863) - французский кристаллограф.

[59]Дюлонг П.Л. (1785-1838) – французский физик и химик.

[60]Пти А.Т. (1791-1820) – французский физик.

[61]Более частным понятием является понятие агрегатного состояния вещества (лат. aggrego 'присоединяю') – состояние одного и того же вещества в определённом интервале температур и давлений, характеризующееся определёнными, неизменными в пределах указанных интервалов, качественными свойствами. Традиционно выделяют три агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. К агрегатным состояниям принято причислять также плазму.

[62]Самая низкая температура плавления у гелия: ; самая высокая температура плавления из химически чистых элементов – у вольфрама: .

[63] Правило фаз Гиббса - закон термодинамики многофазных многокомпонентных систем, согласно которому число фаз , сосуществующих в равновесии, не превосходит числа независимых компонентов более чем на два: .В случае однокомпонентной системы .