Метастабильные состояния

Кипение жидкостей

Если жидкость в сосуде нагревать при постоянном внешнем давлении, то сначала образование пара носит спокойный характер. Оно идет лишь со свободной поверхности жидкости. Такой процесс называется испарением. Для выхода с поверхности жидкости молекулы должны преодолеть силы притяжения со стороны молекул поверхностного слоя, то есть совершить работу против этих сил. Кроме того должна быть совершена работа против внешнего давления (молекулы в паре занимают больший объем). Поэтому испарение жидкости сопровождается ее охлаждением. В состоянии динамического равновесия между паром и жидкостью количество молекул испаряющихся с поверхности жидкости равно числу молекул конденсирующихся обратно в жидкость. Процесс охлаждения компенсируется нагреванием.

При достижении температуры кипения, образование пара начинает происходить не только со свободной поверхности, но и изнутри жидкости. Внутри жидкости растут и поднимаются вверх пузырьки пара, увлекая за собой и саму жидкость. Такой бурный процесс парообразования называется кипением жидкости.

Жидкость никогда не бывает абсолютно однородной. В ней всегда находятся пузырьки воздуха. На поверхности любого пузырька идет испарение и конденсация пара. В состоянии динамического равновесия скорость этих процессов одинакова. Давление пара и воздуха равно внешнему давлению (с учетом кривизны поверхности пузырька). При нагревании пузырька увеличивается давление насыщенного пара, что приводит к росту пузырька. Под действием архимедовой силы он начинает подниматься вверх. Начинается процесс кипения.

Если мы будем сжимать газ, то он будет сжиматься по изотерме GBAF. Все эти точки соответствуют устойчивому состоянию, однако возможны другие менее устойчивые состояния: перегретая жидкость AE и перенасыщенный пар CB. Это метастабилные состояния. Метастабильными состояниями называются состояния неустойчивого равновесия в котором система может находиться длительное время, не переходя в более устойчивое состояние.

Существование перегретой жидкости возможно, если внутри жидкости нет пузырьков воздуха. Перегретую воду можно получить в кварцевой колбе с гладкими стенками. Коба сперва тщательно промывается сначала серной или азотной кислотой, а затем тщательно промывается дистиллированной водой. Затем заливается дистиллированная вода, в которой длительным кипячением удаляются все пузырьки воздуха. После этого воду можно нагреть до температуры, значительно превышающей температуры кипения. Лишь изредка на дне колбы образуется пузырек воздуха, который быстро растет, отделяется от дна и поднимается на поверхность жидкости.

На самом деле, сколько бы воду не очищали, в ней всегда остается раствореный воздух, в виде мельчайших пузырьков. Если размеры пузырька воздуха очень малы, то он не может увеличиваться в объеме за счет испарения жидкости. Поскольку давление насыщенного пара в нем значительно ниже давления насыщенного пара в нем. Когда в воде находятся пылинки или поверхность колбы не гладкая, то эти пылинки и шероховатости притягивают к себе пузырьки, радиус которых в разных местах получается разным. То есть пылинки, ионы, шероховатости поверхности являются эффективными центрами парообразования, а пузырьки воздуха, растворенного в жидкости являются зародышами газообразной фазы.

Аналогично обстоит дело и с перенасыщенным паром. Пусть в пересыщенном паре образовалась капелька жидкости. Давление пара, находящегося в равновесии с жидкой каплей, тем больше, чем меньше ее радиус. Если ее размер меньше определенного значения, то они будут испаряться, если больше, то – будут расти – пар будет конденсироваться. Как и вслучае с перегретой жидкостью, пылинки, ионы, шероховатости являются эффективными центрами конденсации, а капельки воды являются зародышами жидкой фазы.

Перенасыщенный пар используется в камере Вильсона для наблюдения треков – траекторий заряженных частиц. Перенасыщенный пар создается при адиабатическом расширении рабочего объема камеры. Вдоль траектории движения заряженных частиц создаются ионы заряженных частиц, на которых конденсируется капельки жидкости. Перегретая жидкость используется в пузырьковой камере. Жидкость в пузырьковой камере вначале находится при высоком давлении. Для приведения камеры в рабочее состояния давление резко понижают. Вдоль траектории движения заряженной частицы образуются пузырьки пара. В качестве жидкостей в пузырьковой камере применяются жидкий водород, жидкий пропан, фреоны, жидкий гелий, CO₂ и так далее.

Другим примером метастабильного состояния являются переохлажденные жидкости. Если взять очищенную воду от посторонних вкраплений и охлаждать ее без сотрясений, то ее можно охладить в жидком состоянии до температуры –10°С. Если в такую воду бросить кристаллики льда, то она быстро затвердевает, причем температура поднимается до 0°С.

Примерами переохлажденных жидкостей являются расплавленный сахар, мед, варенье. Асфальт, сапожный вар, стекло, пластмассы можно рассматривать как сильно переохлажденные жидкости. Истиными твердыми телами являются только кристаллы.

Скорость кристаллизации при понижении температуры сначала растет, а затем падает. При очень больших переохлаждениях скорость крисстализации становиться практически равной нулю. Скорость образования зародышей кристаллизации то же зависит от температуры. Она сперва тоже растет с температурой, достигает максимума и стрекмиться к нулю при дальнешем понижении температуры. Обычно максимум скорости самопроизвольного образования зародышей находится при более низкой температуре, чем максимом скорости кристаллизации.

В стекле переохлаждение настолько сильное, что практически нет ни образования зародышей, ни кристаллизации не существующих зародышах. Однако и здесь со временем стекло становится мутным (расстекловение стекла).

Существуют две модификации твердого олова – белое олово и прошкообразное серое олово.При атмосферном давление их равновесие достигается при 18°С. Выше 18°С устойчиво белое олово, а ниже – серое олово. Однако зародыши серого олова образуются только при очень сильных морозах. Но во время морозов скорость превращения практически равна нулю. Скорость превращения максимальна вблизи 0°С и быстро падает при более низких температурах.

Лекция 24 Симметрия и строение кристаллов.

Дата добавления: 2014-01-04