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

без кипения. Можно также получить пар при несвойственных ему условиях, а именно переохладить,— такой пар называется пересы­ щенным. Всегда возникают задержки превращений в твердой фазе, т. е. кристалл одной модификации задерживается превращением в кристалл второй модификации, хотя находится в условиях стабиль­ ности второй модификации.

Выделяется одно превращение — плавление. Ни при каких условиях не удается задержать плавление; таким образом, не суще­ ствует кристалла в условиях, при которых стабильна жидкость.

Особенно часто приходится иметь дело с переохлажденными жидкостями. Некоторые жидкости (глицерин) значительно увели­ чивают свою вязкость при переохлаждении и могут пребывать в аморфном состоянии месяцами и годами. Примером переохлажден­ ной жидкости является и стекло.

Для того чтобы убедиться в наличии метастабильного состояния, надо привести в соприкосновение жидкость и кристалл. Если жид­ кость переохлаждена, то немедленно начнется кристаллизация. При сильном переохлаждении эффект будет исключительно бурным. Если переохладить воду и бросить в нее снежинку, то с огромной быстротой с разных сторон по воде пробегут ледяные иглы и через несколько мгновений превращение закончится по всему объему.

Особенно интересны задержки превращений кристалл — кри­ сталл. Здесь задержка может быть осуществлена, так сказать, в обе стороны. Желтая сера должна при 95,5 °С превращаться в красную. При быстром нагревании эту точку превращения можно «проско­ чить» и довести серу до температуры плавления 113 °С. Теперь нач­ нем охлаждать расплав. При 113 °С вырастут кристаллики красной серы. Охлаждение не приводит к превращению не только при 95,5 °С, но и при комнатной температуре мы можем порядочное время рас­ полагать красными кристалликами. Однако, хотя и медленно, превращение идет и за сутки закончится — мы обнаружим желтый порошок.

И здесь метастабильность состояния проще всего обнаружить, приводя в соприкосновение кристаллики.

В некоторых случаях мы имеем дело с такими фазами вещества, которым полагалось бы жить совсем при других температурах. Пример — белое олово, которое превращается в серое при пониже­ нии температуры при 13 °С. Мы обычно имеем дело с белым оловом и знаем, что зимой с ним ничего не делается. Переохлаждения в 20— 30 градусов превосходно выдерживаются белым оловом, лишь в условиях суровой зимы белое олово начинает превращаться в серое. (Незнание этого факта погубило экспедицию Скотта на южный по­ люс. Жидкое топливо, взятое экспедицией, находилось в сосудах,

Чтобы понять причины задержки превращений, надо подумать над различием превращений жидкость — кристалл и кристалл —

кристалл, с одной стороны, и кристалл — жидкость,— с другой. В последнем случае дальний порядок в расположении атомов исче­ зает, в первых двух создается наново. Исчезновение дальнего по­ рядка не требует больших усилий. Плавление начинается с поверх­ ности; атом за атомом отрывается от своих соседей, выходит из строгого строя.

При кристаллизации ближний порядок переходит в дальний. Процесс начнется с поверхности и должен идти внутрь вещества. Атомы (молекулы) «вынуждены» установить строгий порядок при условии крайней тесноты. Необходимы согласованные движения, чтобы порядок установился. Тем более трудна задача перестройки атомного порядка, требующая, как мы видели, от атомов «органи­ зованных» смещений от одних положений к другим.

Превращение в твердом состоянии начинается всегда на границах зерен, блоков, на дислокациях, в пустотах, короче, там, где посво­ боднее. Если только несколько десятков атомов заняли положение, соответствующее новому порядку, то дальше происходит ориентиро­ ванный рост зародыша, к которому один за другим начинают пере­ ходить атомы от старого, менее удобного порядка или (при кристал­ лизации) от беспорядка. В этом же направляющем влиянии заклю­ чается и действие кристаллика — затравки, который всегда ликви­ дирует переохлаждение.

§ 247. Превращения газ z ± жидкость

Испарение состоит в отрыве от поверхности жидкости быстрей­ ших молекул. Отсюда сразу очевидны две закономерности: испаре­ ние растет с возрастанием температуры и испарение требует под­ вода тепла. Если испаряющиеся молекулы все время отводятся от поверхности, то процесс испарения будет продолжаться до полного превращения жидкости в пар.

Рассмотрим испарение, происходящее внутри закрытого сосуда. В этом случае наряду с явлением отрыва молекул от поверхности жидкости возникает и обратный процесс — возвращение молекул пара в жидкость. Процесс испарения будет продолжаться до тех пор, пока не установится подвижное равновесие, характерное для данной температуры. Разумеется, жидкость может испариться пол­ ностью, так и не дойдя до равновесия с паром.

Если равновесие достигнуто, то говорят о насыщенном паре. Давление насыщенного пара в соответствии с кривой фазового рав­ новесия будет функцией температуры. Изменяя температуру, мы будем испарять дополнительное количество жидкости в сосуд или, наоборот, конденсировать некоторое количество пара. При этом будет меняться давление пара.

Вполне понятно, почему плотность и давление насыщенного пара растут с увеличением температуры. При увеличении кине­ тической энергии движения молекул резко возрастает число моле­ кул, выходящих из жидкости. В то же время число молекул,