Фізика. Профільний рівень. 10 клас. Гельфгат

§ 25. Рівновага фаз та фазові переходи

1. Фази та фазові переходи

Ви знаєте, що речовина може перебувати у твердому, рідкому або газоподібному стані. Фізики називають певні рівноважні стани речовини фазами. Перетворення речовини з одного стану в інший називають фазовими переходами. Прикладами таких переходів є не тільки плавлення або конденсація, а й перетворення феромагнетику на парамагнетик після досягнення точки Кюрі або перехід ртуті внаслідок охолодження в надпровідний стан (ви знаєте про такі перетворення з курсу фізики 9 класу).

Ми знаємо такі макроскопічні параметри, як температура Т, тиск р і об’єм V. У простих випадках цього зазвичай достатньо (а от, наприклад, для сплавів є ще такі параметри, як вміст кожного з компонентів). Давайте обмежимося саме простими випадками (скоро переконаємося, що й вони не такі прості). Урахуємо також, що для кожної «порції» речовини в певному стані існує зв’язок між р, V, Т (цей зв’язок задає рівняння стану). Таким чином, можна вважати, що фазовий стан речовини визначають значення температури та тиску.

Значення цих двох величин зручно задавати положенням точки на площині з декартовою системою координат р, Т. Отже, у цій площині можна накреслити своєрідну «мапу», і різним точкам на ній відповідатимуть різні стани речовини. Таку мапу, що містить багато важливої інформації, називають фазовою діаграмою речовини.

Для наочності посилатимемося на типову фазову діаграму (рис. 25.1). Докладніше про фазові діаграми та фазові перетворення ви можете дізнатися за посиланням

Рис. 25.1. Типова фазова діаграма речовини: жовта ділянка (І) відповідає твердому стану; синя (II) — рідині; голуба (III) — газу. На лініях, що розділяють ділянки, можливе «співіснування» двох фаз, а в точці Т (потрійній точці) — й усіх трьох фаз

2. Перетворення рідина — пар і критична точка

Перш за все зазначимо, що лінія ТК нам уже знайома. Адже вона відповідає рівновазі між рідиною та парою. Отже, ідеться про насичену пару, тобто лінія ТК — це графік залежності тиску насиченої пари від температури (як і ділянка 1-2 графіка на рис. 24.4).

Давайте розберемося. Побудуємо «разом» графіки залежності густини рідини (наприклад, води) та її насиченої пари від температури. За кімнатної температури густина води більша в десятки тисяч разів. Але зі збільшенням температури вона зменшується через теплове розширення, густина ж насиченої пари швидко зростає (рис. 25.2). За якоїсь температури вони мають зрівнятися, а відповідні графіки — зійтися в одну точку. Виявляється, що обидва графіки просто «зростаються» в одну лінію.

Рис. 25.2. Графіки (схематичні, без додержання масштабу) залежності густини рідини та її насиченої пари від температури. Точка К відповідає критичному стану

Що ж це означає? Якщо густина пари за певної температури (її й називають критичною, а відповідну точку К на фазовій діаграмі — критичною точкою) зрівнялася з густиною води, то які відмінності залишилися між цими двома станами речовини? Виявляється — ніяких. От якщо порівнювати пару з твердим тілом, то навіть за однакової густини лишалася б принципова відмінність: наявність кристалічних ґраток у твердого тіла.

• За критичної температури зникають відмінності між рідиною та її насиченою парою.

Якщо температура вища за критичну, то перетворити газ на рідину просто неможливо. Саме тому всі спроби вчених отримати рідкий кисень або рідкий азот, піддаючи атмосферні гази сильному стисканню, були приречені на невдачу через низькі критичні температури цих газів (див. табл. 25.1)*.

* Строго кажучи, парою називають тільки газ, що може перебувати в рівновазі з рідиною або твердим тілом. Тому пара існує тільки за температур, нижчих від критичної.

Таблиця 25.1

Параметри критичних точок деяких речовин

Речовина	Критична температура Ткр, К	Критичний тиск ркр, МПа
Гелій	5,2	0,23
Водень	33	1,3
Азот	126	3,4
Кисень	155	5,0
Карбон(ІV) оксид	304	7,4
Вода	647	22
Ртуть	1750	167

Навколо фізики

Ми познайомилися лише з малою частиною того, що знають фізики про фази та фазові перетворення. Поза нашою увагою лишилося таке цікаве явище, як поліморфізм кристалів — їх здатність існувати в різних кристалічних структурах. Різні модифікації мають, наприклад, кристалічні олово і залізо, значно більшу їх кількість мають вуглець і «звичайний» лід. Фазові діаграми деяких речовин схожі на клаптеві ковдри — так багато там окремих ділянок. Наприклад, лід має щонайменше 14 різних модифікацій (кристалічних і аморфних); однак більшість із них існують за умов, далеких від «звичайних» (наприклад, за високого тиску).

3. Рідкі кристали

Наприклад, у деяких речовин між «твердою» та «рідкою» ділянками фазової діаграми є ще окрема ділянка, що відповідає рідкому кристалу (РК). Така назва (правда, тепер уже звична навіть дітям) попервах дивувала: як може кристал бути рідким? Як можна поєднати порядок із хаосом? Виявляється, це цілком можливо.

Рідкі кристали — це фазовий стан деяких речовин, у якому поєднуються, наприклад, плинність і анізотропія. Зазвичай плинність характерна тільки для рідин, тоді як анізотропія (залежність фізичних властивостей середовища від напряму) — тільки для кристалів (див. § 27).

Матеріал про ізотерми реального газу ви знайдете на електронному освітньому ресурсі за посиланням.

РК дуже різноманітні, тому пояснимо їх властивості на прикладі одного типу — нематичних РК. Їх молекули сильно витягнуті (нагадують за формою сірники або голки, рис. 25.3). У стані РК центри цих молекул розташовані хаотично, але орієнтація всіх молекул є практично однаковою (існує дальній орієнтаційний порядок). Уявіть, що ви поклали сірники в коробок, який дещо довший і ширший, ніж потрібно. Якщо потрясти такий коробок, сірники ковзатимуть один уздовж одного, перемішуватимуться, але жодний із них не зможе повернутися більше ніж на кілька градусів. Така упаковка сірників є непоганою моделлю нематичного РК: вона пояснює, як поєднуються плинність і дальній порядок.

Рис. 25.3. Структура нематичного рідкого кристала

Рідкі кристали — безумовно, дуже цікавий приклад «нестандартної» будови речовини. Чим же вони можуть бути корисні? Найбільш важливою виявилася чутливість оптичних властивостей РК до змін температури та електричного поля. Завдяки цьому деякі РК помітно змінюють колір унаслідок найменших змін температури. Це застосовують, щоб знайти гарячі точки в мікроколі, локалізувати місце пухлини у людини, візуалізувати зображення в інфрачервоних променях.

РК-екрани та табло створюють яскраві зображення з мінімальною витратою електроенергії під впливом слабкого електричного поля електродів (рис. 25.4). Докладніше ви дізнаєтеся про дію таких пристроїв, коли вивчите поляризацію світла. Дослідження з молекулярної біології свідчать і про важливу роль РК у живій клітині.

Рис. 25.4. Застосування РК: а — візуалізація зображення, отриманого в темряві за допомогою інфрачервоних променів; б — екрани численних пристроїв, без яких нині не обходиться майже ніхто

4. Що треба пам'ятати про фазові переходи

Про всяк випадок коротко нагадаємо, що треба знати про фазові перетворення для розв’язування якісних і розрахункових задач (див. табл. 25.2).

Нагадаємо також, що в довідкових таблицях зазвичай наводять значення λ і L, що відповідають фазовим переходам за нормального атмосферного тиску.

Навколо фізики

Рідкі кристали відкрив 1888 року австрійський ботанік Ф. Рейнітцер. Він знайшов органічні речовини, які мали два різних рідких стани — мутний і прозорий. Один із цих станів і відповідав РК. Проте фізики та хіміки тривалий час «не визнавали» РК — адже всі вони добре навчалися в школі та знали, що існують тільки три стани речовини... Навіть коли існування РК було вже надійно доведено, їм не приділяли особливої уваги. Ситуація змінилася тільки після 1960 року, коли з’явилися перспективи широкого застосування РК: їм стали присвячувати міжнародні конференції, розробляти різноманітні рідкокристалічні пристрої.

Таблиця 25.2

Характеристики фазових переходів

Фазові переходи	Умови	Кількість теплоти Q	Фізичний зміст величин
Плавлення, кристалізація	За температури плавлення (що слабо залежить від тиску)	Поглинається (виділяється) Q = λm	Питома теплота плавлення λ чисельно дорівнює кількості теплоти, що необхідна для перетворення 1 кг твердого кристалічного тіла на рідину за температури плавлення
Пароутворення, конденсація	Кипіння — за температури кипіння (що залежить від тиску); випаровування — за будь-якої температури	Поглинається (виділяється) Q = Lm	Питома теплота пароутворення L чисельно дорівнює кількості теплоти, що необхідна для перетворення 1 кг рідини на газ за незмінної температури

Підбиваємо підсумки

Фазовий стан речовини визначають фізичні умови, перш за все значення температури та тиску. Кожному стану відповідає певна ділянка фазової діаграми; точки на межі різних ділянок відповідають можливій рівновазі фаз. Потрійна точка відповідає рівновазі всіх трьох станів речовини; критична точка — відсутності фізичних відмінностей між рідиною та її насиченою парою. Теорія Ван-дер-Ваальса (з певними поправками) дозволяє описати процеси перетворення між рідкою та газоподібною фазами речовини. Чимала кількість речовин, які мають не три можливі стани, а більше. Існують, зокрема, рідкі кристали, що поєднують характерну для рідини плинність і властивий кристалам дальній порядок.

Контрольні запитання

1. Що можна визначити за фазовою діаграмою речовини? 2. Що таке потрійна точка? 3. Яку температуру називають критичною? 4. Чим відрізняються ізотерми ідеального та реального газів? 5. Чи завжди ізотерма реального газу має горизонтальну ділянку? 6. Які властивості РК характерні для рідини? для кристала?

Вправа 25

1. Чи можливо отримати рідину, стискаючи: а) гелій за температури 4 К; б) азот за температури -150 °С; в) кисень за температури -100 °С?

2. Чи утворюватимуться під час холодів крижані візерунки на шибках, якщо парціальний тиск водяної пари в приміщенні становить: а) 0,4 кПа; б) 0,9 кПа; в) 1,2 кПа?

3. Накресліть схематично ізотерми карбон(ІV) оксиду за температур 20 і 40 °С.

4. Точка, що зображає стан 1 моль води, перемістилася від правого до лівого кінця горизонтальної ділянки ізотерми, яка відповідає температурі 100 °С. Визначте кількість теплоти, що виділилася під час цього процесу. Питома теплота пароутворення води за 100 °С дорівнює 2,3 МДж/кг.

5. Порівняйте довжину горизонтальних ділянок ізотерм води в координатах р, V за температур 10 і 30 °С (скористайтеся для цього табл. 24.1).