Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

Три таких диаграммы показаны в качестве примера на рис. 280. Слева вверху изображена диаграмма состояния идеального вещества, имеющего только одну твердую фазу. Поле диаграммы разбито на три области: одна из них указывает условия существования кри­ сталла, другая — жидкого состояния и третья — газовой фазы. Естественно, газовая фаза лежит внизу справа, т. е. при меньших

100 ZOO 300 -400 SOOT

10" -—і

давлениях и больших температурах. Твердая фаза занимает область наименьших температур и наибольших давлений. Такая диаграмма весьма удобна: интересуясь, в каком состоянии находится тело при

приведена диаграмма состояния воды. Ее трудно в линейном масш­ табе изобразить на одном чертеже, поэтому мы показываем эту диаграмму с помощью логарифмического масштаба по шкале дав­

точки, попадающие в поля диаграммы, но и линии раздела между фазами. При давлении и температуре, соответствующих точкам линий раздела, две граничные фазы существуют совместно. Для воды это будет соответствовать условию, при котором лед плавает в воде и при этом лед не плавится и вода не замерзает. Линии раз­ дела можно назвать кривыми фазового равновесия.

Подчеркнем, что имеются кривые, а не точки фазового равнове­ сия. Это значит, что равновесие двух фаз может быть осуществлено при разных температурах, если соответственно менять давления. Можно то же самое сказать иными словами: температура фазового равновесия является функцией давления или, с таким же успехом, давление фазового равновесия является функцией температуры.

§ 244. Фазовые превращения

Кривые фазового равновесия можно также назвать кривыми фазо­ вого превращения, так как переход одной фазы в другую происхо­

диаграмме состояния. Большей частью мы имеем дело с превраще­ ниями, которые совершаются при постоянной температуре, либо с превращениями, которые происходят при неизменном давлении. Эти процессы изобразятся вертикальными или горизонтальными линиями на диаграммах.

На приведенных выше диаграммах состояния (рис. 280) показано несколько примеров изменений состояния тела, проходящих через фазовые превращения. Линия 2—/ на диаграмме состояния серы представляет собой процесс охлаждения серного газа, который ве­ дется при нормальном давлении. При температуре 444,5 °С серный газ сгущается в жидкость, при температуре 110,2 °С обращается в одну кристаллическую модификацию серы и, наконец, при темпера­ туре 95,5 °С — в другую модификацию. На той же диаграмме про­ цесс 3—4 представляет собой сжатие серного газа. И здесь, повышая давление, мы последовательно проходим превращение газа в жид-

кость, а затем, выше точки 4, при весьма высоких давлениях, и в твердое тело.

Необходимо обратить внимание на существование единственных условий, при которых могут совместно существовать три фазы. Эти точки называются тройными. У серы три тройные точки: первая, в которой одновременно существует серный газ, жидкость и желтая сера; вторая, в которой одновременно существует газ, жидкость и красная сера, и, наконец, третья тройная точка, в которой жид­ кость существует в равновесии с обеими кристаллическими фазами.

Можно показать чисто термодинамическими рассуждениями, что существование четверной точки невозможно. Таким образом, не существует условий, при которых, например, две модификации кристалла существовали бы в равновесии со своими жидкостью и паром.

Каждое фазовое превращение характеризуется температурой перехода при данном давлении. Говорят о температуре плавления (кристаллизации), кипения, сублимации и т. д. Если не указы­ вается, о каком давлении идет речь, то обычно имеется в виду нор­ мальное атмосферное давление.

Важной характеристикой превращения является теплота пере­ хода. Хорошо известно существование скрытых теплот кипения и плавления. Однако существование теплоты перехода является об­ щим правилом. Любое превращение, идущее при нагреве, требует тепла. В соответствии со вторым началом термодинамики теплота превращения должна быть однозначно связана с изменением энтро­ пии:

AQ = Т AS.

Здесь Т — температура перехода. Отсюда ясно, что любое фазовое превращение, идущее при нагреве, сопровождается возрастанием энтропии.

Температура перехода (плавления, кипения) может быть вычис­ лена по формуле

как частное от деления скрытой теплоты перехода на прирост энтро­ пии. Однако это утверждение носит чисто теоретический характер — скачок энтропии при фазовом превращении практически невозможно предвычислить. Наоборот, зная из опыта температуру перехода и теплоту перехода, можно точно оценить величину прироста энтропии.

Фазовый переход лед I — лед I I I происходит при температуре t=—20°С под давлением р=2ЮЗ атм. Этот переход происходит с выделением тепла; на каждый грамм льда выделяется AQ=5,6 кал. Следовательно, изменение энтропии

Л5 = ^ = - Ц - = 0 , 0 2 2 кал/К.

§ 244а. Диаграмма состояния и свойства гелия

Гелий заслуживает отдельного описания по той причине, что только этот элемент обнаруживает два исключения из общих пра­ вил. Диаграмма состояния гелия (изотоп 4) показана на рис. 280а. Оказывается, что существуют две твердые фазы. Объемно-центриро­

малой массы атомов с очень слабыми силами взаимодействия. До­ статочно сказать, что глубина потенциальной ямы на кривой взаимо­ действия двух атомов гелия в десять раз меньше, чем у аргона. В ре­ зультате оказывается, что нулевая энергия гелия, т. е. кинетическая энергия в наинизшем состоянии настолько велика, что без приложе­ ния внешнего давления атом гелия не может находиться (как дру­ гие атомы) в потенциальной яме, созданной взаимодействием с сосе­ дями, и ограничиться в своем движении одними лишь колебаниями около положения равновесия.

Самое поразительное свойство гелия I I — это открытая П. Л. Ка­ пицей в 1938 г. сверхтекучесть, т. е. полное отсутствие вязкости.

Для наблюдения сверхтекучести изготовляется сосуд, в дне которого имеется очень узкая щель — шириной всего лишь в пол­ микрона. Обычная жидкость почти не просачивается сквозь такую щель; так ведет себя и гелий при температуре выше 2,19 К. Но едва только температура становится ниже 2,19 К, скорость выте­ кания гелия скачком возрастает по крайней мере в тысячи раз. Через тончайший зазор гелий I I вытекает почти мгновенно, т. е. полностью теряет вязкость. Сверхтекучесть гелия приводит к еще более странному явлению. Гелий I I способен сам «вылезать» из стакана или пробирки, куда он налит.

На рис. 2806 показана схема проведения этого опыта. Пробирку с гелием I I помещают в дьюар над гелиевой ванной. Гелий подни-