Учебное особие по физике

Диаграмма состояния вещества

Как уже указывалось, одно и то же вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний в зависимости от внешних условий температуры и давления.

Зависимость агрегатного состояния вещества от давления и температуры может быть наглядно представлена диаграммой состояния. Для ее построения, откладывая по оси ординат давление р, а по оси абсцисс температуру Т, отмечают точками такие сочетания давления p и температуры Т, при которых находятся в динамическом равновесии жидкость — газ, газ — твердое тело, жидкость — твердое тело.

Кривые, образуемые совокупностью этих точек (рис. 1), называются соответственно: АК — кривая испарения (кривая зависимости температуры кипения жидкости от давления), СА — кривая сублимации (кривая кристаллизации из пара), АВ — кривая плавления (кривая кристаллизации).

Рис. 1

Кривая плавления идет почти вертикально, отклоняясь несколько вправо. Это связано с тем, что температура плавления слабо зависит от давления. Небольшое отклонение вправо говорит о повышении температуры плавления с увеличением давления, наблюдаемого у большинства веществ. Повышение давления как бы препятствует переходу от более плотной к менее плотной упаковке частиц. Для веществ, обладающих в твердом состоянии менее плотной упаковкой частиц, чем в жидком состоянии (лед, висмут, серый чугун), увеличение давления способствует плавлению. Для таких веществ кривая плавления отклонена влево от вертикали (кривая AD).

С уменьшением температуры вещества, находящегося в кристаллическом состоянии, уменьшается и давление его насыщенного пара. Это отражено в ходе кривой сублимации. Кривая АС не случайно не доведена до пересечения с осью абсцисс или ординат. Строго говоря, при сколь угодно низкой температуре, отличной от абсолютного нуля, любое вещество испаряется и с приближением давления к нулю должно перейти в газообразное состояние. Однако у большинства химических элементов и их соединений давление насыщенных паров при низких температурах очень мало, а скорость испарения настолько низка, что вещество находится в твердом или жидком состоянии практически неограниченно долго.

При значениях давления и температуры, соответствующих области, расположенной слева от кривой CAB, вещество находится в твердом состоянии, в области между кривыми ВА и АК вещество находится в жидком состоянии, а в области, расположенной справа от кривой САК, вещество находится в газообразном состоянии.

Особого внимания заслуживают точки А и К на диаграмме состояний. Точка А, которая соответствует таким значениям давления и температуры , при которых находятся в динамическом равновесии три фазы — жидкая, твердая и газообразная, — называется тройной точкой.

Значения и для некоторых веществ приведены в таблице. Существенным отличием для них является расположение тройной точки на диаграмме относительно нормального атмосферного давления. Если давление в тройной точке меньше атмосферного (например, для воды Па), то вещество относится к плавящимся. Оно при нагревании сначала плавится и превращается в жидкость, а потом уже переходит целиком в пар. Если давление в тройной точке больше атмосферного (например, Па), то вещество относится к летучим. При нагревании оно не плавится, а возгоняется (переходит в пар).

Диаграмма состояния для каждого конкретного вещества строится на основании экспериментальных данных. Зная диаграмму состояния, можно предсказать, в каком состоянии будет находиться вещество при различных условиях, а также, какие превращения будет претерпевать вещество при различных процессах.

Например, при условиях, соответствующих точке 1 (см. рис. 1), вещество находится в твердом состоянии. Если его подвергать изобарному нагреванию, изображенному на диаграмме состояния горизонтальной пунктирной 1-2-3-4, то при температуре, соответствующей точке 2, вещество плавится, при более высокой температуре, соответствующей точке 3, — начинает превращаться в газ. Если же вещество находится в твердом состоянии, соответствующем точке 5, то при изобарном нагревании (пунктирная прямая 5-6) кристалл превращается в газ, минуя жидкую фазу. Если же вещество находится в состоянии, соответствующем точке 7, то при изотермическом сжатии (пунктирная прямая 7-8) у оно пройдет следующие три состояния: газ — жидкость — кристаллическое состояние.

Точка К на диаграмме состояний соответствует критическому состоянию вещества и называется критической точкой. При температуре выше критической ни при каких давлениях вещество не переходит из газообразного состояния в жидкое. При температуре выше критической изменение физических свойств вещества с повышением давления происходит непрерывно, без скачков, различие между жидкостью и газом исчезает. Превращение газа в жидкость (или наоборот) без скачкообразного изменения свойств вещества возможно, например, путем, который показан на диаграмме линией 9-10-11-12-13. Переход же кристаллического состояния в жидкое или газообразное может быть только скачкообразным (посредством фазового перехода).