Фазовые переходы I и II рода. Диаграммы состояния. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса

Фаза вещества - это физически и химически однородная часть неоднородной системы, отделенная от других частей поверхностью раздела.

Причем различные агрегатные состояния одного и того же вещества - его разные фазы (но понятие “фаза” - шире, чем понятие “агрегатное состояние”).

В пределах одного агрегатного состояния вещество может находиться в разных фазах.

В системе может быть одновременно несколько агрегатных состояний и, следовательно, несколько фаз.

Пример: лед, вода, пар - 3 фазы.

Переход вещества из одной фазы в другую называется фазовым переходом.

Пример: лед вода пар.

Основное свойство фазового перехода: он всегда связан с качественными изменениями свойств вещества.

Примеры:

- переходы, связанные с изменением агрегатного состояния вещества;

- переходы, связанные с изменениями состава, строения и свойств вещества;

- переход кристаллического вещества из одной модификации в другую.

Различают фазовые переходы двух родов.

Фазовый переход I рода- сопровождается поглощением или выделением определенного количества тепла, которое называется теплотой фазового перехода.

Пример : плавление, кристаллизация.

Эти переходы характеризуются изменением энтропии S и объема V, но постоянством температуры Т.

Фазовый переход II рода –это процесс, не связанный с поглощением или выделением теплоты и изменением объема.

Фазовые переходы II рода характеризуются: постоянством объема и энтропии. При этих переходах скачком меняется теплоемкость.

Общая трактовка фазового перехода II рода дана Ландау.

Фазовые переходы II рода связаны с изменением симметрии. Выше точки перехода система, как правило, обладает более высокой симметрией.

Примеры: 1)с достижением приблизительно t=700⁰C железо (Fe) переходит из ферромагнитной фазы в парамагнитную.

2) при металл становится сверхпроводником.

3) He - I при Т = 2,9 К переходит в He - II и становится сверхтекучим.

Если система однокомпонентна, т.е. состоит из химически однородного вещества, то понятие фазы совпадает с понятием агрегатного состояния. В зависимости от соотношения между средней кинетической энергией и средней потенциальной энергией оно может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком, газообразном. Это определяется внешними условиями Т и р => фазовые превращения также определяются Т и р.

Для геометрического изображения фазовых превращений используют диаграмму состояний, на которой в координатах р и Т (рис.7.10) задается зависимость между температурой фазового перехода и давлением в виде кривых:

испарения - КИ,

плавления - КП

сублимации - КС ,

делящих поле на три части, соответствующие условиям существования :

твердой ТТ,

жидкой Ж и

газообразной Г фаз.

Рис.7.10.

Кривые называются кривыми фазового равновесия: любая точка на них – равновесие двух фаз.

Точка, в которой пересекаются три кривые КП, КИ, КС и которая определяет условия сосуществования трех фаз, называется тройной точкой.

Любое вещество имеет только одну тройную точку.

Пример: Вода: Т_тр = 273,16 К.

Термодинамика дает метод расчета кривой равновесия двух фаз одного и того же вещества.

Уравнение Клапейрона -Клаузиуса - термодинамическое уравнение, описывающее процесс перехода вещества из одной фазы в другую. Согласно этому уравнению теплота фазового перехода L ( например, теплота испарения или теплота плавления) при равновесно протекающем процессе равна :

где Т - температура перехода (процесс изотермический) - при переходе из одной фазы в другую, изменение давления с температурой по кривой фазового равновесия , V₂ - V₁ - изменение объема при переходе из фазы в фазу.