Фізика. Профільний рівень. 10 клас. Засєкіна

§ 50. Діаграма стану речовини

Фазові переходи речовини з погляду молекулярно-кінетичної теорії. Як ми вже показали раніше, агрегатний стан речовини з точки зору молекулярно-кінетичної теорії речовини визначається співвідношенням між складовими повної (внутрішньої) енергії: середньою потенціальною енергією взаємодії молекул та їхньою середньою кінетичною енергією. Нагрівання речовини супроводжується не просто зміною її внутрішньої енергії, а змінює співвідношення між її складовими. Допоки кількісне співвідношення між середньої кінетичною енергією руху молекул і середньою потенціальною енергією їх взаємодії залишається у визначених межах, підведення тепла до речовини не змінює її фазового стану. З подальшим нагріванням збільшується середня кінетична енергія руху молекул і відповідно відстані між ними, що приводить до зменшення потенціальної енергії взаємодії. З досягненням певної температури створюються умови, коли кількісні співвідношення між складовими внутрішньої енергії вже не задовольняють умовам рівноважного стану, і речовина переходить у нову фазу. Для цієї фази кількісні співвідношення між складовими внутрішньої енергії вже будуть іншими. При цьому рівновага між фазами є динамічною: у результаті безперервного хаотичного руху молекул відбувається їх обмін.

Фазові переходи в термодинаміці. Кожний з однорідних станів речовини — твердий, рідкий та газоподібний — у термодинаміці повністю описується макропараметрами: тиском, температурою та об’ємом за відповідної маси. Як свідчать експериментальні дослідження, ці параметри не можуть змінюватись довільно. Зміна одного з них спричинює відповідну зміну інших параметрів. В аналітичному вигляді залежність між макропараметрами встановлено лише для газів.

Проте в термодинаміці доведено, що рівновага між двома фазами описується функціональною залежністю між тиском і температурою. Кожному фазовому переходу (рідина ↔ пара, тверде тіло ↔ рідина, тверде тіло ↔ пара) відповідає своя функціональна залежність, яка для кожної речовини визначається експериментальним шляхом. Якщо ці залежності графічно зобразити в координатах Т, р, отримаємо відповідні три криві: випаровування, плавлення та сублімації (мал. 237).

Мал. 237 Діаграма стану речовини

Лінії фазової рівноваги між твердою, рідкою та газоподібною фазами називають лініями фазових переходів, а отриману діаграму — діаграмою стану речовини (або фазовою діаграмою).

На діаграмі крива СК — це вже відома вам залежність тиску насиченої пари від температури, де К — критична точка, вище якої крива не може підніматися. Крива СК називається кривою випаровування. Крива ВС — це крива плавлення, а крива АС — крива сублімації. Ці криві розбивають координатну площину на відповідні області: твердої, рідкої та газоподібної фази.

Будь-яка точка на кривих СК, ВС, АС визначає динамічну рівновагу двох фаз, за якої з однієї фази в іншу переходить однакова кількість молекул. Будь-яка точка області відповідає однофазному стану речовини. Точці С відповідають єдині для певної речовини пара значень р і Т, за яких всі три фази речовини можуть перебувати в рівновазі. Цю точку називають потрійною.

Діаграма стану дозволяє визначити, які переходи буде зазнавати речовина в певних процесах (мал. 237). Наприклад, якщо взяти речовину в стані, що відповідає точці 1, та ізобарно нагрівати цю речовину, то вона буде зазнавати таких переходів: тверде тіло — рідина — пара (штрихова лінія 1-2 на діаграмі). Якщо ж взяти ту саму речовину, але у стані, що відповідає точці 3, і знову ізобарно нагрівати речовину, то вона зазнає іншого переходу: з твердого стану в газоподібний, без рідкої фази (штрихова лінія 3-4 на діаграмі).

Для прикладу розглянемо діаграми стану води (мал. 238, а) та вуглекислоти (мал. 238, б). Для води у потрійній точці тиск р = 610 Па, а температура Т = 0 °С. Тому за нормального атмосферного тиску (близько 105 Па) перехід із твердої фази в газоподібну відбувається через рідку.

Мал. 238. Діаграма стану води (а), та вуглекислоти (б)

Для вуглекислоти значення тиску в потрійній точці р = 5,1 • 105 Па, тому за атмосферного тиску для неї можливий перехід тверде тіло — газ. Вуглекислоту у твердому стані називають «сухим льодом» (за схожість її зовнішнього вигляду із звичайним льодом (мал. 239)).

Мал. 239. «Сухий лід»

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

  • 1. У якій точці закінчується крива випаровування на діаграмі р, Т (мал. 237)?
  • 2. Як називається точка, у якій закінчується крива сублімації?
  • 3. Чому «сухий лід» не плавиться за нормальних умов?

ВПРАВА 41

1. Сталеву деталь, розігріту до температури 800 °С, загартовують, опускаючи в моторну оливу за температури 10 °С. Олива при цьому нагрівається до температури 40 °С. Визначте масу сталевої деталі, якщо після занурення в моторну оливу, вона охолола на 20 °С. Маса моторної оливи — 2 кг її питома теплоємність — 1,9 кДж/кг•К.

2. У скляну посудину, масою 120 г і температурою 20 °С, налили гарячу воду, маса якої 200 г і температура 100 °С. Через 5 хв температура посудини з водою стала дорівнювати 40 °С. Яка кількість теплоти втрачається за одиницю часу? Процес втрати тепла вважайте сталим. Питома теплоємність посудини — 840 Дж/кг•К.

3. У залізному калориметрі масою 0,1 кг є 0,5 кг води за температури 15 °С. У калориметр кладуть свинець й алюміній загальною масою 0,15 кг за температури 100 °С. Унаслідок цього температура води піднімається до 17 °С. Визначте маси свинцю й алюмінію.

4. Крізь воду, що має температуру 10 °С, пропускають водяну пару температурою 100 °С. Скільки відсотків становить маса води, яка утворилася з пари, від маси усієї води в посудині в момент, коли її температура дорівнює 50 °С?

5. Водяну стоградусну пару впустили в калориметр, де міститься шматок льоду, маса якого 5 кг, а температура -50 °С. Визначте масу впущеної пари, якщо шматок льоду розплавився.

6. У суміш, що складається з 20 л води і 10 кг льоду за температури 0 °С, вливають свинець за температури плавлення. Уся суміш набуває температури 100 °С і 200 г води при цьому перетворюється в пару. Визначте, скільки було влито свинцю.

7. У теплоізольованій посудині міститься 500 г води і 54,4 г льоду за температури 0 °С. У посудину подають суху насичену пару масою 6,6 г за температури 100 °С. Якою буде температура після встановлення теплової рівноваги?

8. У посудину з водою за температури 20 °С вмістили 100 г льоду за температури -8 °С. Яка температура встановиться в посудині? Теплоємність посудини з водою — 1,67 кДж/К.

9. Розжарений алюмінієвий куб кладуть на лід, температура якого -20 °С, при цьому куб повністю заглиблюється в лід. Визначте початкову температуру куба. Зміною об’єму куба внаслідок його охолодження знехтуйте.