Фазовые переходы I и II рода

Испарение, сублимация, плавление и кристаллизация

Как в жидкостях, так и в твёрдых телах всегда имеется некоторое число молекул, энергия которых достаточна для преодоления сил притяжения их другими молекулами, и которые способны оторваться от поверхности жидкости или твёрдого тела и перейти в окружающее их пространство.

Для жидкостей такой переход молекул называется испарением (или парообразованием), а для твёрдых тел (без перехода в жидкую фазу) - сублимацией (или возгонкой).

Испарение жидкостей (как, впрочем, и сублимация твёрдых тел) идёт при любой температуре, но интенсивность процесса испарения с повышением температуры возрастает. Наряду с процессом испарения происходит и компенсирующий его процесс конденсации пара в жидкость. Если число молекул, покидающих жидкость за единицу времени через единицу свободной поверхности, равно числу молекул, переходящих из пара в жидкость, то наступает динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации.

Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.

Для большинства твёрдых тел процесс сублимации (переход в парообразное состояние, минуя процесс плавления и испарения) при обычных температурах незначителен и давление пара над поверхностью твёрдого тела мало – оно повышается с повышением температуры. Особенно интенсивно сублимация твёрдых тел происходит в вакууме, когда мало внешнее давление. Наиболее известные примеры сублимации твёрдых веществ – " испарение " нафталина, сушка мокрого белья на морозе, " алюминирование " (тонировка) автомобильных стёкол.

Если твёрдое тело нагревать, то его внутренняя энергия, которая складывается из энергии частиц в узлах решётки и энергии взаимодействия этих частиц друг с другом, будет возрастать. С повышением температуры амплитуда колебаний частиц в узлах решётки будет увеличиваться до тех пор, пока кристаллическая решётка не разрушится – в этот момент твёрдое тело начнёт плавиться (не путать с сублимацией!) – переходить в жидкое состояние (жидкую фазу).

Если при нагреве твёрдого тела его температура непрерывно возрастает за счёт получения тепла Q, то при достижении температуры плавления Т_пл. начинается переход тела из твёрдого состояния в жидкое и температура Т_пл. остаётся постоянной до тех пор, пока всё твёрдое тело не расплавится и только после этого температура жидкости (расплава) начнёт повышаться (см. рис. 17.10 а).

Количество теплоты, необходимое для расплавления 1 кг твёрдого вещества при Т = Т_{пл .}, называется удельной теплотой плавления.

Рис. 17.10. Зависимости температуры и фазового состояния твёрдого тела пли плавлении а) и кристаллизации б). (Трофимова, рис.114, стр.143).

Если жидкость (расплав), полученную при плавлении твёрдого тела охлаждать, (см. рис. 17.10 б), то процесс будет протекать в обратном направлении – сначала температура расплава по мере отдачи теплоты Q^! понизится до Т = Т_{пл .}, и начнётся процесс кристаллизации при Т = Т_{пл .} = Т_{кр .},=const, который будет продолжаться до тех пор, пока весь расплав не превратится в твёрдое тело. После завершения процесса кристаллизации твёрдое тело (кристалл) будет охлаждаться.

Необходимо отметить, что для начала процесса кристаллизации расплава твёрдого вещества необходимо наличие так называемых " центров " кристаллизации – различного рода " зародышей " будущих микрокристаллов твёрдого вещества, при чём вовсе не обязательно, чтобы такими " зародышами " были микрокристаллы, образующиеся из исходного расплава – ими могут быть и посторонние частицы – пыль, сажа и т. п.

Отсутствие центров кристаллизации в особо чистых расплавах затрудняет образование микроскопических кристалликов, м вещество, оставаясь в жидком состоянии, может охладиться до температуры, меньшей температуры кристаллизации, так что при этом образуется переохлаждённая жидкость (на рис. 17.10 б) ей соответствует штриховая линия). При сильном переохлаждении начинается спонтанное (самопроизвольное) образование центров кристаллизации и вещество кристаллизуется довольно быстро (в течение нескольких секунд).

Обычно переохлаждение расплава происходит в диапазоне от долей до десятков градусов, но для ряда веществ этот интервал может достигать сотен градусов. Из – за большой вязкости сильно переохлаждённые жидкости теряют текучесть, сохраняя подобно твёрдым телам свою форму.

Такие сильно переохлаждённые жидкости получили название аморфных твёрдых тел; к ним относятся смолы, асфальты, сургуч, стекло. Аморфные тела, являясь переохлаждёнными жидкостями, в отличие от истинных кристаллических тел, изотропны, т.е. их свойства во всех направлениях одинаковы, поскольку для них, как и для жидкостей характерен ближний порядок в расположении частиц, подвижность которых, однако, в отличие от истинных жидкостей довольно мала.

Особенностью аморфных тел является отсутствие у них определённой точки плавления, поскольку невозможно точно указать определённую температуру, выше которой можно было бы говорить о жидком состоянии, а ниже – о твёрдом. Ещё одной особенностью аморфных тел является наблюдающийся со временем процесс кристаллизации (мёд, стекло).

Дата добавления: 2014-01-20