Лабораторные работы Взаимодействие между молекулами Диффузия Молекулярная физика Структура твердых тел Кинетическая теория газа Измерение вакуума Разработка.

Молекулярная физика и основы термодинамики Лабораторные работы

Агрегатные состояния вещества. Фазовая диаграмма. Радиальная функция распределения.

Известно что, любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Под агрегатным состоянием понимают такое состояние вещества, когда оно однородно по своим физическим и химическим свойствам. Агрегатное состояние также называют фазой вещества.

Основные отличия свойств агрегатных состояний обусловлены различными числовыми плотностями молекул n или молярными объемами V0 (объем одного моля данного вещества), которые связаны между собой соотношениями

 n =N/V, V0=V/n , V0= NA /n , (4)

где N-число молекул в объеме V, n-число молей вещества, NA-число Авагадро. Например для кислорода: в газовой фазе при t=0 0C n@5.3 1025м-3,  в жидкой фазе при t= -182 0C n@4.1 1028м-3 и в твердой фазе при t= -253 0C n@5.3 1028м-3. Кроме плотностей значительно могут меняться также мольный объем, теплоемкость, вязкость, теплопроводность, коэффициент диффузии, механические, электрические  и многие другие характеристики.

 Состояние вещества в любой фазе характеризуется рядом термодинамических параметров, основными из них являются давление Р, температура Т, числовая плотность n или молярный объем V0. Под влиянием внешнего воздействия эти параметры могут принимать достаточно произвольный набор значений, но если внешнее воздействие на вещество убрать, то, вследствие межмолекулярного взаимодействия и теплового движения, вещество через некотрое время перейдет в стационарное (не меняющееся со временем) состояние, называемое равновесным состоянием. Т.е. равновесное состояние - это такое стационарное состояние вещества, для поддержания которого не требуется внешнее воздействие. Для равновесного состояния характерно наличие определенной функциональной связи между основными термодинамическими параметрами, уравнение описывающее эту связь называют уравнением состояния вещества. Для различных фаз и веществ уравнения состояния имеют различный вид, обычно его представляют в виде зависимости Р=Р(Т, V0 ) или Р=Р(Т, n ), такие графические изображения уравнения состояния называют фазовыми диаграммами состояний вещества.

Для чистого нормального вещества типичный вид зависимости Р=Р(Т, V0 ) представлен на Рис.2., на Рис.3показаны различные проекции этой зависимости.


Рис.2. Фазовая диаграмма чистого нормального вещества в координатах Р, V0 ,Т.


Рис.3. Фазовые диаграммы чистого нормального вещества в координатах (Р, V0), (Р,Т), (Т, V0).

Это наиболее простые диаграммы, для аномальных веществ (например, для воды, где молярный объем при затвердивании увеличивается) или для смесей фазовые диаграммы могут иметь очень сложный вид. Соответственно, для разных классов чистых веществ (щелочи, кислоты, полимеры и т.д.) или их смесей имеется множество конкретных уравнений состояний для разных фаз. Тем не менее характерные особенности у всех веществ в основном общие и их можно объяснить на примере диаграмм для чистого нормального вещества.

На Рис.2 нештрихованная поверхность показывает значения давления в равновесном состоянии в зависимости от молярного объема и абсолютной температуры. Сплошные линии разделяют на диаграмме различные области фазовых состояний: Г- газ, Ж-жидкость, Т-твердое тело. Кроме однофазных состояний у всех веществ имеются двухфазные состояния, когда вещество присутствует в двух агрегатных состояниях: Ж + Г- жидкость-газ, Т +Г- твердое тело-газ, Т + Ж - твердое тело–жидкость. Также имеется область значений Р, V0, Т в виде линии, проходящей через тройную точку Тр.т., в которых вещество находится сразу в трех агрегатных состояниях. Символом Пл.г.показана область плотного газа, это не отдельное агрегатное состояние, но она имеет свое название т.к. по характеристикам вещество в этом состоянии ближе к жидкому состоянию. На Рис.3 эти области также указаны, причем на диаграмме (Т,V0) двухфазные области изображаются линиями, а трехфазная - одной точкой.

При медленном изменении каких либо двух термодинамических параметров вещества третий параметр будет меняться вдоль кривой расположенной на поверхности фазовой диаграммы. Такие изменения состояния вещества называют равновесными термодинамическими процессами, на Рис.2 и Рис.3 они изображены пунктирными линиями. Если при проведении процесса меняют молярный объем (за счет сжатия или расширения сосуда с веществом), а температуру поддерживают неизменной, то такой процесс называют изотермическим; если при проведении процесса не меняют молярный объем, а меняют температуру, то такой процесс называют изохорическим; и если при изменении температуры молярный объем меняют так, что давление не меняется, то такой процесс называют изобарическим.

На Рис.2 и Рис.3 пунктирными линиями изображены четыре изотермы, две изохоры и две изобары.Чтобы разобраться, какие изменения могут происходить с веществом, рассмотрим изотермы т.е. кривые процессов при постоянной температуре.

Самая нижняя изотерма показывает, что при сжатии вещества в газовой области Г, при температурах, меньших температуры тройной точки, в сосуде возникает твердая фаза (происходит частичная кристаллизация вещества), это состояние соответствует двухфазной области Т+Г- твердое тело–газ. При дальнейшем сжатии количество твердой фазы увеличивается пока все вещество не станет твердым телом в области Т, дальнейшее сжатие сопровождается значительным ростом давления. В обратном процессе происходит процесс превращения твердого вещества в газообразное  состояние (сублимация).

 Следующая изотерма для температур больших чем температура тройной точки и меньших чем температура критической точки (Кр.т.) показывает, что при сжатии газа, в сосуде сначала возникает частично жидкая фаза (конденсация), это состояние соответствует двухфазной области Ж+Г - жидкость–газ, при дальнейшем сжатии газ весь конденсируется и вещество переходит в жидкое состояние - область Ж. Дальнейшее сжатие жидкости переводит вещество в двухфазную область Т+Ж - твердое тело–жидкость, где происходит возникновение в сосуде твердой фазы (кристаллизация), далее полученное твердое вещество сжимается в области Т. Обратный процесс сопровождается сначала переходом твердого тела в жидкость (плавление ) в области Т+Ж и далее переходом жидкости в газ (испарение) в области Ж+Г.

  Третья изотерма проходит через критическую точку и называется критической изотермой. Критическая точка соответствует такому состоянию вещества, когда пропадает различие между газом и жидкостью, при этом молярные объемы газа и жидкости становятся одинаковыми, коэффициент поверхностного натяжения и теплота испарения-конденсации приближаются по величине к нулю. В двухфазной области Ж+Г при температуре меньшей критической в сосуде четко наблюдается граница раздела между газом и жидкостью, в критической точке такой границы нет. Параметры критической точки Ркр, V0кр, Ткр являются характерными параметрами каждого вещества и используются в уравнениях состояния. Критическая изотерма выделяет на фазовой диаграмме область пара т.е. газа, который может изотермическим сжатием превращен в жидкость, эта область температур меньших Ткр и мольных объемов больших V0кр. Критическая изотерма также условно разделяет область жидкости Ж и область плотного газа Пл.г., который по численным значениям всех характеристик мало отличается от жидкости.

 Четвертая изотерма показывает, что при температуре большей Ткр невозможно изотермическим сжатием перевести газ в жидкое состояние. В то же время из фазовой диаграммы видно, что если газ нагретый выше Ткр сначала сжать изотермически, а затем охладить изохорно, то его можно перевести в жидкое состояние в обход крититеской точки. При этом произойдет переход без прохождения двухфазной области Ж+Г и все характеристики будут меняться непрерывным образом.


Определение коэффициента внутреннего трения жидкости