Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
KNIGA2.doc
Скачиваний:
13
Добавлен:
01.04.2025
Размер:
3 Мб
Скачать
☆

59. Равновесие между паром и конденсированной фазой

При исследовании равновесия между конденсированной фазой (жидкостью, кристаллом) и паром можно считать, что молярный объем пара много больше, чем молярный объем конденсированной фазы, и последним пренебречь. Уравнение Клапейрона–Клаузиуса в этом случае примет вид

dp / dT = λ / (TVп).

Если при этом пар является достаточно разреженным, так что его можно считать идеальным газом, то Vп = RT / p и

dp / p = λ dT / (RT2). (59.1)

Зависимость λ от T может быть найдена приемом, аналогичным тому, что применялся при получении уравнения (58.1). Дифференцирование по T выражения (57.1) для λ дает

dλ / dT = ∆S + T(∆S / T)p + T(∆S / p)Tdp / dT =

= ∆S + ∆cp – T(∆V / T)p dp / dT .

С учетом уравнения Клапейрона–Клаузиуса (58.1) и того, что ∆V   Vп, а пар – идеальный газ,

dλ / dT = ∆S + ∆cp – T (R / p) ∆S /Vп = ∆cp.

Таким образом, скрытая теплота перехода при некоторой температуре T равна

λ = λ0 + . (59.2)

Основным членом в выражении для λ (59.2) является первое слагаемое; второе добавляет слабую зависимость λ от T. Если λ приближенно считать постоянной, то интегрирование (59.1) приводит к

ln (p / p0) = λ / R  (T0–1 – T –1)  и   p = A exp(– λ / (RT)).

Несложно проинтегрировать уравнение (59.1) и с учетом второго члена, когда ∆cp  = const, при этом получится

ln (p / p0) = λ / R  (T0–1 – T –1)  + ∆cp / R  ln (T/T0),

или

ln p = A – B / T + C ln T.

Это уравнение было получено Кирхгофом и широко используется для обработки экспериментальных данных.

60. Равновесие трех фаз

Простейшим примером, когда в равновесии находятся одновременно три фазы химически однородного вещества, является система, состоящая из твердой фазы, жидкости и пара (для H2O это лед, вода и водяной пар). Однако большинство веществ имеет не одну, а несколько кристаллических модификаций. В связи с этим возможны такие варианты: в равновесии находятся две кристаллические и одна жидкая фазы, две кристаллические и газообразная фазы, три кристаллические фазы. Ради конкретности ниже рассматривается равновесие твердой, жидкой и газообразной фаз одного вещества.

При равновесном сосуществовании твердой фазы, жидкости и их пара должны выполняться три условия:

μ1(p, T) = μ2(p, T),  μ2(p, T) = μ3(p, T),  μ3(p, T) = μ1(p, T). (60.1)

Пусть первое из них выражает условие равновесия твердой и жидкой фаз, второе – жидкости и ее пара, третье – пара с твердой фазой. Каждому из этих условий на плоскости p, T отвечает кривая равновесия: первому – кривая плавления, второму – испарения и третьему – возгонки.

Одновременному выполнению трех условий (60.1) соответствует общая точка кривых равновесия, называемая тройной точкой (для нахождения ее параметров p и T имеются три уравнения: независимых уравнений два, третье есть следствие их).

Можно показать, что в тройной точке кривая возгонки идет круче кривой испарения. Действительно, из уравнения Клапейрона–Клаузиуса (58.1)

dp13 / dT = λ13 / (T(V3 – V1))  и  dp23 / dT = λ23 / (T(V3 – V2)).

Молярными объемами жидкой и твердой фаз можно пренебречь по сравнению с молярным объемом газообразной фазы, т. е. знаменатели в правых частях практически одинаковы. Из первого же начала термодинамики следует, что в тройной точке

λ13 = λ12 + λ23 > λ23.

Таким образом, dp13 / dT  > dp23 / dT .

p

p0

T0 T

Рис. 26

Диаграмма p, T имеет вид, показанный на рис. 26. Для воды параметры тройной точки следующие: p0 = 4,58 мм рт. ст., T0 = 273,16 К. С помощью диаграммы p, T можно судить о фазовых превращениях, которые будут происходить при том или ином процессе (по этой причине плоскость p, T называют диаграммой состояний). Так, при изобарическом подводе теплоты (ему отвечает прямая, параллельная оси T) твердое вещество будет испаряться, минуя жидкую фазу, если p < p0 (точка A). Если же p > p0 (но p < pк), то твердое вещество будет вначале плавиться (точка B), а затем жидкость испаряться (точка C).

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]