Краткая теория и методика выполнения работы

Фазами системы называют ее однородные части, которые находятся в физически различных состояниях и отделены друг от друга границами раздела. Например, в закрытом сосуде заключена некоторая масса воды, в которой плавают кусочки льда и над которой находится смесь воздуха с водяными парами. Эта система является трехфазной. Она состоит из твердой фазы (лед), жидкой (вода) и газообразной (смесь воздуха с водяными парами).

Фазовым превращением, или фазовым переходом, называется переход вещества из одной фазы в другую. Различают два типа фазовых переходов.

Фазовые переходы первого рода – фазовые превращения, при которых скачкообразно изменяются такие характеристики вещества, как плотность, удельный и молярный объем, концентрации компонентов и, что особенно характерно, выделяется или поглощается теплота, называемая скрытой теплотой перехода. Примерами таких переходов являются превращения вещества из одного агрегатного состояния в другое.

Фазовые переходы второго рода – фазовые превращения, при которых нет скрытой теплоты перехода, а скачкообразно изменяются теплоёмкость, удельная электрическая проводимость, вязкость и некоторые другие характеристики вещества. Примерами таких переходов являются переход металлов в сверхпроводящее состояние, переход вещества из ферромагнитного в парамагнитное состояние.

Фазовые переходы первого рода, в отличие от фазовых переходов второго рода, относятся к числу явлений, достаточно хорошо исследованных к настоящему времени и хорошо описываемых законами молекулярной физики.

Рассмотрим основные особенности фазовых переходов первого рода, проанализировав диаграмму нагревания и плавления, а также охлаждения и кристаллизации металла. Качественный вид диаграммы показан на рис. 11.1. Здесь на оси абсцисс отложено время , а на оси ординат – температура образца, – начальная (комнатная) температура. Температура металла повышается сначала быстро, потом медленно (участок ). Чем выше температура, тем больше потери теплоты в окружающее пространство, поэтому происходит замедление нагрева. При некоторой температуре начинается процесс плавления, и, пока он идет, температура не меняется. На графике получается горизонтальная линия – участок . В это время происходит изотермическое плавление, и вся сообщенная телу теплота идет на разрушение его кристаллической решетки. Когда заканчивается процесс плавления, образуется жидкая фаза, и ее температура начинает повышаться (участок ). Если в некоторый момент времени прекратить нагрев жидкости и начать ее охлаждать, то кривая пойдет вниз (участок ). Когда температура понизится до , то начнется процесс кристаллизации. Этот процесс протекает с выделением скрытой теплоты перехода. Пока атомы и молекулы жидкой фазы переходят в твёрдую, образуют кристаллическую решетку, температура металла остается неизменной. На графике возникает второй горизонтальный участок . Когда процесс кристаллизации закончится, прекратится и выделение скрытой теплоты перехода и образец начнет охлаждаться (участок ).

Энтропией называется функция состояния термодинамической системы, дифференциал которой при обратимом процессе равен отношению бесконечно малого количества теплоты , сообщенного системе, к термодинамической температуре системы:

. (11.1)

Энтропия всегда определяется с точностью до постоянной величины, поэтому смысл имеет лишь ее изменение при переходе системы из состояния 1 в состояние 2: .

Найдем изменение энтропии металла при его переходе из состояния в состояние (рис. 11.1). Оно определяется как сумма изменений энтропии при нагревании (участок ) и плавлении (участок ):

. (11.2)

После подстановки выражения (11.1) в формулу (11.2) получим:

, (11.3)

где – температура плавления. Учитывая, что , где – удельная теплоёмкость, – масса образца и , где – удельная теплота плавления, из соотношения (11.3) получим: