тэрмадынаміка
Раздзел малекулярнай фізікі, які вывучае перадачу энергіі, заканамернасці ператварэння адных відаў энергіі ў іншыя. У адрозненне ад малекулярна-кінетычнай тэорыі, у тэрмадынаміцы не ўлічваецца ўнутранае будова рэчываў і микропараметры.
тэрмадынамічная сістэма
Гэта сукупнасць тэл, якія абменьваюцца энергіяй (у форме працы ці цеплыні) адзін з адным або з навакольным асяроддзем. Напрыклад, вада ў чайніку астывае, адбываецца абмен цеплынёй вады з чайнікам і чайніка з навакольным асяроддзем. Цыліндр з газам пад поршнем: поршань выконвае працу, у выніку чаго, газ атрымлівае энергію, і змяняюцца яго макропараметры.
гэта энергія, якую атрымлівае або аддае сістэма ў працэсе цеплаабмену. Пазначаецца сімвалам Q, вымяраецца, як любая энергія, у джоўль.
У выніку розных працэсаў цеплаабмену энергія, якая перадаецца, вызначаецца па-свойму.
Награванне і астуджэнне
Гэты працэс характарызуецца зменай тэмпературы сістэмы. Колькасць цеплыні вызначаецца па формуле
Удзельная цеплаёмістасць рэчывы з вымяраецца колькасцю цеплыні, якое неабходна для награвання адзінкі масы дадзенага рэчыва на 1К. Для награвання 1кг шкла або 1кг вады патрабуецца розная колькасць энергіі. Удзельная цеплаёмістасць — вядомая, ужо вылічаная для ўсіх рэчываў велічыня, значэнне глядзець у фізічных табліцах.
Цеплаёмістасць рэчывы З — гэтая колькасць цеплыні, якое неабходна для награвання цела без уліку яго масы на 1К.
Плаўленне і крышталізацыя
Плаўленне — пераход рэчыва з цвёрдага стану ў вадкае. Зваротны пераход называецца крышталізацыяй.
Энергія, якая траціцца на разбурэнне крышталічнай рашоткі рэчывы, вызначаецца па формуле
Удзельная цеплыня плаўлення вядомая для кожнага рэчывы велічыня, значэнне глядзець у фізічных табліцах.
Параўтварэнне (выпарэнне або кіпенне) і кандэнсацыя
Параўтварэнне — гэта пераход рэчыва з вадкага (цвёрдага) стану ў газападобнае. Зваротны працэс называецца кандэнсацыяй.
Удзельная цеплыня параўтварэння вядомая для кожнага рэчывы велічыня, значэнне глядзець у фізічных табліцах.
Колькасць цеплыні, якое вылучаецца пры згаранні рэчывы
Удзельная цеплыня згарання вядомая для кожнага рэчывы велічыня, значэнне глядзець у фізічных табліцах.
Для замкнёнай і адиабатически ізаляванай сістэмы тэл выконваецца раўнанне цеплавога балансу. Алгебраічная сума колькасцяў цеплыні, аддадзеных і атрыманых усімі целамі, якія ўдзельнічаюць у цеплаабмене, роўная нуля:
Тс 4 выпарэнне і кандэнсацыя
3.4. Выпарэнне, кандэнсацыя, кіпенне. Насычаныя і ненасычаныя пары
Любое рэчыва пры пэўных умовах можа знаходзіцца ў розных агрэгатных станах — цвёрдым, вадкім і газападобным. Пераход з аднаго стану ў іншы называецца фазавым пераходам. Выпарэнне і кандэнсацыя з’яўляюцца прыкладамі фазавых пераходаў.
Усе рэальныя газы (кісларод, азот, вадарод і т. Д.) Пры пэўных умовах здольныя ператварацца ў вадкасць. Аднак такое ператварэнне можа адбывацца толькі пры тэмпературах ніжэй вызначанай, так званай крытычнай тэмпературы T кр . Напрыклад, для вады крытычная тэмпература роўная 647,3 Да, для азоту 126 Да, для кіслароду 154,3 К. Пры пакаёвай тэмпературы (≈ 300 К) вада можа знаходзіцца і ў вадкім, і ў газападобным станах, а азот і кісларод існуюць толькі ў выглядзе газаў.
Выпарэннем называецца фазавы пераход з вадкага стану ў газападобнае. З пункту гледжання малекулярна-кінетычнай тэорыі, выпарэнне — гэта працэс, пры якім з паверхні вадкасці вылятаюць найбольш хуткія малекулы, кінэтычная энергія якіх перавышае энергію іх сувязі з астатнімі малекуламі вадкасці. Гэта прыводзіць да памяншэння сярэдняй кінетычнай энергіі малекул, якія засталіся, т. Е. Да астуджэння вадкасці (калі няма подвода энергіі ад навакольных тэл).
Кандэнсацыя — гэта працэс, зваротны працэсу выпарэння. Пры кандэнсацыі малекулы пары вяртаюцца ў вадкасць.
У закрытым сасудзе вадкасць і яе пар могуць знаходзіцца ў стане дынамічнай раўнавагі, калі лік малекул, якія вылятаюць з вадкасці, роўна ліку малекул, якія вяртаюцца ў вадкасць з пара, т. Е. Калі хуткасці працэсаў выпарэння і кандэнсацыі аднолькавыя. Такую сістэму называюць двухфазнай. Пар, які знаходзіцца ў раўнавазе са сваёй вадкасцю, называюць насычаным.
Лік малекул, якія вылятаюць з адзінкі плошчы паверхні вадкасці за адну секунду, залежыць ад тэмпературы вадкасці. Лік малекул, якія вяртаюцца з пара ў вадкасць, залежыць ад канцэнтрацыі малекул пара і ад сярэдняй хуткасці іх цеплавога руху, якая вызначаецца тэмпературай пара. Адсюль вынікае, што для дадзенага рэчыва канцэнтрацыя малекул пара пры раўнавазе вадкасці і яе пара вызначаецца іх раўнаважкай тэмпературай. Ўсталяванне дынамічнай раўнавагі паміж працэсамі выпарэння і кандэнсацыі пры павышэнні тэмпературы адбываецца пры больш высокіх канцэнтрацыях малекул пара. Бо ціск газу (пара) вызначаецца яго канцэнтрацыяй і тэмпературай, то можна зрабіць выснову: ціск насычанай пары p 0 дадзенага рэчыва залежыць толькі ад яго тэмпературы і не залежыць ад аб’ёму. Таму ізатэрм рэальных газаў на плоскасці (p, V) ўтрымліваюць гарызантальныя ўчасткі, адпаведныя двухфазнай сістэме (мал. 3.4.1).
Пры павышэнні тэмпературы ціск насычанай пары і яго шчыльнасць ўзрастаюць, а шчыльнасць вадкасці памяншаецца з-за цеплавога пашырэння. Пры тэмпературы, роўнай крытычнай тэмпературы T кр для дадзенага рэчыва, шчыльнасці пара і вадкасці становяцца аднолькавымі. пры T > T кр знікаюць фізічныя адрозненні паміж вадкасцю і яе насычаным парай.
Калі ізатэрмічнага сціскаць ненасычаны пар пры T < T кр , то яго ціск будзе ўзрастаць, пакуль не стане роўным ціску насычанай пары. Пры далейшым памяншэнні аб’ёму на дне пасудзіны утворыцца вадкасць і усталёўваецца дынамічная раўнавага паміж вадкасцю і яе насычаным парай. З памяншэннем аб’ёму ўсё большая частка пара кандэнсуецца, а яго ціск застаецца нязменным (гарызантальны ўчастак на ізатэрм). Калі ўвесь пар ператвараецца ў вадкасць, ціск рэзка ўзрастае пры далейшым памяншэнні аб’ёму з прычыны малой сціскальнасці вадкасці.
З газападобнага стану ў вадкае можна перайсці, абмінаючы двухфазную вобласць. Для гэтага трэба здзейсніць працэс у абыход крытычнай кропкі K. Адзін з магчымых працэсаў такога роду паказаны на мал. 3.4.1 ломанай лініяй ABC.
У атмасферным паветры заўсёды прысутнічаюць пары вады пры некаторым парцыяльны ціск p, якое, як правіла, менш ціску насычанай пары p 0 . Стаўленне p / p 0 , выяўленае ў адсотках, завецца адноснай вільготнасцю паветра.
Ненасычаны пар можна тэарэтычна апісваць з дапамогай ўраўненні стану ідэальнага газу пры звычайных для рэальных газаў абмежаваннях: ціск пара павінна быць не занадта вяліка (практычна p ≤ (10 6 -10 7) Па), а яго тэмпература вышэй некаторага вызначанага для кожнага рэчывы значэння. Да насычанаму пару таксама можна набліжана прымяняць законы ідэальнага газу пры ўмове, што для кожнай тэмпературы T ціск p 0 насычанай пары вызначаецца па крывой раўнавагі p 0(T) для дадзенага рэчыва.
ціск p 0 насычанай пары вельмі хутка ўзрастае з ростам тэмпературы T. залежнасць p 0 (T) нельга атрымаць з законаў ідэальнага газу. Ціск газу пры пастаяннай канцэнтрацыі малекул расце прама прапарцыйна тэмпературы. У насычаным пары пры павышэнні тэмпературы ўзрастае не толькі сярэдняя кінэтычная энергія руху малекул, але і іх канцэнтрацыя. Таму ціск насычанай пары пры павышэнні тэмпературы ўзрастае хутчэй, чым ціск ідэальнага газу пры пастаяннай канцэнтрацыі малекул.
Выпарэнне можа адбывацца не толькі з паверхні, але і ў аб’ёме вадкасці. У вадкасці заўсёды маюцца драбнюткія бурбалкі газу. Калі ціск насычанай пары вадкасці роўна знешні націск (т. Е. Ціску газу ў бурбалках) або перавышае яго, вадкасць будзе выпарацца ўнутр бурбалак. Бурбалкі, напоўненыя парай, пашыраюцца і усплываюць на паверхню. Гэты працэс называецца кіпеннем. Такім чынам, кіпенне вадкасці пачынаецца пры такой тэмпературы, пры якой ціск яе насычанай пары становіцца роўным знешні націск.
У прыватнасці, пры нармальным атмасферным ціску вада кіпіць пры тэмпературы 100 ° С. Гэта значыць, што пры такой тэмпературы ціск насычаных пароў вады роўна 1 атм. Пры ўздыме у горы атмасферны ціск памяншаецца, і таму тэмпература кіпення вады паніжаецца (прыблізна на 1 ° С на кожныя 300 метраў вышыні). На вышыні 7 км ціск складае прыкладна 0,4 атм, і тэмпература кіпення паніжаецца да 70 ° С.
У герметычна зачыненай пасудзіне вадкасць кіпець не можа, т. К. Пры кожным значэнні тэмпературы ўсталёўваецца раўнавага паміж вадкасцю і яе насычаным парай. Па крывой раўнавагі p 0 (T) можна вызначаць тэмпературу кіпення вадкасці пры розных цісках.
Намаляваная на мал. 3.4.1 карціна ізатэрм рэальнага газу апісвае працэсы выпарэння і кандэнсацыі, т. Е. Фазавы пераход паміж газападобнай і вадкай фазамі рэчывы. На самай справе гэтая карціна з’яўляецца няпоўнай, т. К. З газападобнага і вадкага любое рэчыва можа перайсці ў цвёрдае стан. Пры зададзенай тэмпературы T тэрмадынамічнай раўнавагі паміж двума фазамі аднаго і таго ж рэчывы магчыма толькі пры пэўным значэнні ціску ў сістэме. Залежнасць раўнаважкага ціску ад тэмпературы называецца крывой фазавага раўнавагі. Прыкладам можа служыць крывая раўнавагі p 0 (T) насычанай пары і вадкасці. Калі крывыя раўнавагі паміж рознымі фазамі дадзенага рэчыва пабудаваць на плоскасці (p, T), то яны разбіваюць гэтую плоскасць на асобныя вобласці, у якіх рэчыва існуе ў аднастайным агрэгатным стане — цвёрдым, вадкім або газападобным (мал. 3.4.2). Намаляваныя ў каардынатнай сістэме (p, T) крывыя раўнавагі называюцца фазавай дыяграмай.
Крывая 0 T, адпаведная раўнавагі паміж цвёрдай і газападобнай фазамі, называецца крывой сублімацыі. Крывая TK раўнавагі паміж вадкасцю і парай называецца крывой выпарэння, яна абрываецца ў крытычным пункце K. Крывая TM раўнавагі паміж цвёрдым целам і вадкасцю называецца крывой плаўлення.
Крывыя раўнавагі сыходзяцца ў кропцы T, у якой могуць суіснаваць ў раўнавазе ўсе тры фазы. Гэтая кропка называецца патройны кропкай.
Для многіх рэчываў ціск p тр у патройны кропцы менш 1 атм ≈ 10 5 Па. Такія рэчывы пры награванні пры атмасферным ціску плавяцца. Напрыклад, трайная кропка вады мае каардынаты T тр = 273,16 Да, p тр = 6,02 × 10 2 Па і выкарыстоўваецца ў якасці апорнай для каліброўкі абсалютнай тэмпературнай шкалы Кельвіна (гл. §3.2). Існуюць, аднак, і такія рэчывы, у якіх p тр перавышае 1 атм. Так для вуглекіслаты (CO2) Ціск p тр = 5,11 атм і тэмпература T тр = 216,5 К. Таму пры атмасферным ціску цвёрдая вуглекіслата можа існаваць толькі пры нізкай тэмпературы, а ў вадкім стане пры p = 1 атм яна наогул не існуе. У цвёрдым стане ў раўнавазе са сваім парай пры атмасферным ціску вуглекіслата знаходзіцца пры тэмпературы 173 Да або -80 ° С. Гэта шырока ўжываецца «сухі лёд», які ніколі не плавіцца, а толькі выпараецца (сублімуюць).