Физика
Оптика
Общая характеристика световых явлений.
Фотометрия и светотехника.
Основные законы геометрической оптики.
Применение отражения и преломления света для получения изображения.
Оптические системы и их погрешности.
Оптические приборы.
Интерференция света.
Дифракция света.
Физические принципы оптической голографии.
Поляризация света и поперечность световых волн.
Шкала электромагнитных волн.
Спектры и спектральные закономерности.
Действия света на вещество.
Википедия
Физика
Физика - это область естествознания, наука. Она изучает самые общие и фундаментальные закономерности, которые определяют структуру и эволюцию материальн... читать далее »
Статьи по Физике
17.10.2009 00:00

Фазовые превращения . Физика.

Если жидкость находится в открытом сосуде, то она постепенно испаряется, то есть переходит в газообразное состояние. Переход из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом. Испарение жидкостей происходит при любой температуре, но при увеличении температуры скорость испарения увеличивается.

Молекулы в жидкости, также как и в газе, обладают разными скоростями, а, следовательно, и разными энергиями, хотя средняя энергия молекул при неизменной температуре имеет вполне определенное значение. Всегда какая-то часть молекул имеет значение энергии больше среднего и какая-то часть меньше среднего. Соответственно и скорости молекул разные. При каждой температуре наиболее быстрые молекулы могут преодолеть притяжение соседних молекул и, прорвавшись сквозь поверхностный слой, вылететь за пределы жидкости. Чем выше температура жидкости, тем больше быстрых молекул и тем быстрее идет испарение. При испарении из жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы. Они тратят часть своей энергии на совершение работы против удерживающих их в поверхностном слое сил молекулярного притяжения. Оставшиеся в жидкости молекулы имеют меньшую энергию. Таким образом, средняя энергия этих молекул убывает, следовательно, жидкость охлаждается.

Для осуществления перехода из жидкой фазы в газообразную к системе необходимо подводить теплоту без изменения температуры системы. Эта теплота идет на изменение фазового состояния вещества и называется скрытой теплотой испарения или просто теплотой испарения. Скрытая теплота затрачивается на совершение работы против сил притяжения, между молекулами.

Удельной теплотой испарения называется количество тепла, которое надо сообщить единице массы жидкости, находящейся при температуре Т, чтобы перевести ее в пар при той же температуре. Удельная теплота зависит от температуры жидкости и с повышением температуры уменьшается.

Если к испаряющейся жидкости не подводить извне тепло, то она охлаждается. На этом факте основан способ понижения температуры: заставляя жидкость, помещенную в сосуд с нетеплопроводными стенками, усиленно испаряться, можно ее значительно охладить.

Обратный испарению процесс конденсации сопровождается выделением тепла. Скрытая теплота конденсации, разумеется, равна скрытой теплоте испарения.

Испарение жидкостей является одним из видов фазовых переходов. Поэтому скрытая теплота испарения называется еще и теплотой перехода. Скрытая теплота испарения является количественной характеристикой сил связи между молекулами жидкости. Чем больше эти силы, тем больше скрытая теплота испарения.

Рассмотрим процесс конденсации газа. Поместим исследуемый газ в сосуд, закрытый подвижным поршнем. Для измерения давления к сосуду присоединен манометр (рис. 13). Опуская поршень вниз, уменьшаем объем, занимаемый газом, и увеличиваем давление газа.

При некотором давлении дальнейшее его увеличение прекращается, хотя поршень продолжает опускаться вниз. В это время на стенках сосуда появляются капельки жидкости. Дальнейшее продвижение поршня сопровождается увеличением количества жидкости и, соответственно, уменьшением количества газа (пара) над жидкостью. При этом манометр показывает неизменное давление. Оно остается неизменным до тех пор, пока весь объем под поршнем не окажется заполненным жидкостью. Дальнейшее опускание поршня соответствует сжиманию жидкости. Сжатие жидкости достигается ценой очень большого увеличения давления. Это означает, что сжимаемость жидкостей очень мала.

Описанный процесс сжатия газа и превращения его в жидкость можно изобразить графически (рис.14). Участок АВ соответствует сжатию газа. В точке В начинается процесс конденсации и до точки СВС часть объема заполнена газом, а другая часть - жидкостью. Газ на участке ВС называется насыщенным паром. Давление, соответствующее участку ВС определяет давление насыщенного пара или упругость насыщенного пара при данной температуре. давление пара не повышается. На участке

ABCD - изотерма. Изотерма , соответствующая более высокой температуре, лежит выше, следовательно, и упругость насыщенного пара выше. Таким образом, каждой температуре соответствует определенное давление насыщенного пара.

Участок короче участка СВ и разница в объемах газообразной и жидкой фаз меньше. Если температуру газа, находящегося под поршнем увеличить настолько, что длина горизонтального участка станет равна нулю, то газ при увеличении давления не переходит в жидкость. Эта температура ТК называется критической. Если газ нагрет до температуры выше критической, то никаким увеличением давления его нельзя перевести в жидкость. Для каждого вещества критическая температура имеет вполне определенное значение.

На рис.15 приведены реальные изотермы для различных температур. Незаштрихованная область относится к газообразному состоянию вещества. Область, отмеченная пунктиром, - к состоянию вещества в двух фазах - газообразной и жидкой. Заштрихованная область - к жидкой фазе. На этом рисунке показана та изотерма, для которой разница в объемах газообразной и жидкой фазах равна нулю. Эта критическая изотерма имеет точку перегиба К. Этой точке соответствуют определенный объем, называемый критическим VK и определенное давление PK, также называемое критическим. Для каждого вещества его TK, VK и PK имеют определенные значения. Для большинства веществ они измерены и указаны в справочниках по физике. Азот, кислород, их смесь - воздух, водород, гелий - имеют низкие критические температуры.

Азот N2 - 147oC
Кислород
O2 - 119oC
Водород
Н2 - 240oC
Гелий Не - 268oC

Эти газы могут быть получены в жидком состоянии только после предварительного сильного охлаждения до указанных температур.

У воды 2О) критическая температура равна +374oС, поэтому она может быть превращена в твердое состояние при нормальном давлении при охлаждении всего до 0oС.

Итак, при температурах ниже критической вещество может существовать в зависимости от давления, либо в газообразном, либо в жидком состоянии, либо одновременно в виде двух фаз: жидкости и насыщенных паров.

Кипение жидкостей

Известно, что каждое вещество при определенных температуре и внешнем давлении кипит. Кипением называется процесс испарения жидкости не только с открытой поверхности, но и в ее толще, где начинаются образовываться пузырьки пара. Обычно в жидкости, или в стенках сосуда, в котором она помещена, имеется растворенный или поглощенный воздух. Образовавшийся небольшой пузырек газа наполняется насыщенным паром окружающей жидкости. Упругость пара в нем определяется температурой жидкости. Если температура жидкости такова, что давление насыщенного пара в пузырьке меньше внешнего давления над жидкостью пузырек не растет. Этому препятствует и гидростатическое давление столба жидкости над ним, и внешнее давление, под которым находится жидкость. Вот внешнее давление и определяет равновесное состояние пузырька. Если внешнее давление увеличивать, то пузырек будет сжиматься. Если уменьшить - то увеличиваться.

Пусть внешнее давление не меняется, но увеличивается температура. Когда температура жидкости достигает значения, при котором упругость ее насыщенного пара станет равна внешнему давлению, то давление пара внутри пузырька также будет равна внешнему. Дальнейшее повышение температуры приведет к тому, что давление пара внутри пузырька превысит внешнее, пузырек начнет расти, всплывать и по достижении поверхности лопнет, выпустив пар.

Жидкость начинает испаряться не только с поверхности, но и с поверхности пузырьков внутри жидкости: жидкость кипит. Таким образом, для того, чтобы жидкость закипела, необходимо довести ее температуру до величины, при которой упругость ее насыщенных паров равна внешнему давлению, точнее несколько больше.

Понятно, что от величины внешнего давления зависит температура кипения жидкости. При увеличении внешнего давления температура кипения увеличивается, при уменьшении - снижается. Вода в обычных условиях, то есть при нормальном атмосферном давлении 760 мм рт. ст. (или 1,05·105 Па) кипит при температуре 100oС. Если снизить давление до 10 мм рт. ст., то вода будет кипеть всего при 12oС. Если увеличить внешнее давление до 15 атм, то вода закипит при 200oС. Пузырьки, образующиеся при кипении жидкости, легче всего возникают на пузырьках воздуха, обычно присутствующих в жидкости и обыкновенно прилипающих к стенкам сосуда.

Пузырьки воздуха являются теми центрами, около которых начинается кипение. Жидкость, лишенную воздуха, можно перегреть, то есть нагреть выше температуры кипения без того, чтобы она вскипела. Если в такую перегретую жидкость ввести какие-либо твердые частицы, к поверхности которых прилип воздух, то она сейчас же закипит, при этом ее температура упадет до температуры кипения. Закипание перегретой жидкости происходит очень бурно с выбросом большого количества жидкости и пара. Чтобы перегревание жидкости не происходило, в сосуд с нагреваемой жидкостью вводят капиллярные трубки, внутри которых легко сохраняются пузырьки воздуха.

Испарение твердых тел

Испарение происходит не только в поверхности жидкости. Твердое тело также испаряется. Процесс испарения твердого тела называется сублимацией или возгонкой. Испаряющиеся молекулы твердого тела образуют над его поверхностью пар так же, как это происходит при испарении жидкости. При определенных давлении и температуре пар и твердое тело могут находиться в равновесии. Это насыщенный пар. Упругость насыщенного пара, как и в случае жидкости, зависит от температуры, увеличиваясь при повышении и уменьшаясь при ее понижении. Давление насыщенного пара твердых тел при обычных температурах очень мало. Хорошо испаряющимся твердым телом является лед. Мокрое белье, вывешенное на морозе, сначала замерзает, то есть замерзает вода, затем лед испаряется, и белье становится сухим.







Источник

© WIKI.RU, 2008–2017 г. Все права защищены.