Фазовые переходы и изменения агрегатных состояний

Изменение состояния вещества

Твёрдое тело сохраняет форму, жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда, газ заполняет доступный объём. Различия связаны с расстояниями, движением и взаимодействием частиц. Фазовый переход — превращение вещества из одной фазы в другую без изменения его химического состава.

Плавление и кристаллизация связывают твёрдую и жидкую фазы, парообразование и конденсация — жидкость и газ, сублимация и десублимация — твёрдое состояние и газ. При постоянном внешнем давлении плавление чистого кристалла и кипение чистой жидкости происходят при определённой температуре: подводимая энергия меняет состояние вещества, а не повышает его температуру. Это не относится к обычному испарению с поверхности, которое возможно при разных температурах.

График нагревания льда и воды содержит горизонтальные участки плавления при нуле градусов и кипения при ста градусах.

Плавление и кристаллизация

Удельная теплота плавления $\lambda$ — энергия, необходимая для превращения $1\text{кг}$ кристаллического вещества при температуре плавления в жидкость той же температуры.

При кристаллизации такое же по модулю количество теплоты выделяется. До температуры плавления и после завершения перехода температуру рассчитывают через $Q=cm\Delta T$, поэтому полный процесс нагревания разбивают на этапы. Аморфные тела не имеют одной строгой температуры плавления и постепенно размягчаются.

Испарение и кипение

Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре: самые быстрые молекулы покидают её, поэтому оставшаяся жидкость охлаждается. Конденсация возвращает молекулы в жидкость. В закрытом сосуде со временем может установиться динамическое равновесие, когда скорости испарения и конденсации равны.

Кипение идёт по всему объёму, когда давление насыщенного пара сравнивается с внешним давлением. При понижении внешнего давления температура кипения уменьшается, в скороварке при повышенном давлении — увеличивается. Для перехода при температуре кипения используют:

Удельная теплота парообразования $L$ обычно значительно больше удельной теплоты плавления, потому что молекулам нужно почти полностью преодолеть взаимное притяжение.

График нагревания и баланс

На графике температуры от сообщённого тепла наклонные участки соответствуют нагреванию одной фазы, горизонтальные — фазовым переходам при постоянной температуре. Длина площадки зависит от массы и удельной теплоты перехода. Если вещество не чистое или давление меняется, площадка может стать наклонной.

При нормальном атмосферном давлении, полном превращении вещества и отсутствии потерь для льда с начальной температурой $T_0$, указанной в градусах Цельсия, полный путь до водяного пара при $100{}^{\circ }\text{C}$ включает нагрев льда, плавление, нагрев воды и парообразование:

Каждое слагаемое относится к своему этапу и использует идеи теплоёмкости и теплового баланса. Нельзя применять $Q=cm\Delta T$ через участок фазового перехода, потому что температура там не отражает всё изменение внутренней энергии.

Кристаллы и современные материалы

В кристалле порядок расположения частиц повторяется на больших расстояниях. Свойства монокристалла могут зависеть от направления: это анизотропия, проявляющаяся, например, в теплопроводности или прочности. У поликристалла множество мелких зёрен ориентировано по-разному, поэтому свойства целого образца могут быть почти одинаковыми во всех направлениях. У аморфного вещества, например стекла, дальнего периодического порядка нет.

Жидкие кристаллы текут, но сохраняют упорядоченность ориентаций молекул. Электрическое поле меняет эту ориентацию и прохождение света через систему с поляризаторами — так работают жидкокристаллические экраны. В наноматериалах хотя бы один характерный размер структуры составляет несколько или десятки нанометров; большая доля поверхностных частиц и квантовые эффекты могут менять свойства. Название «нано» само по себе не обещает прочность или безопасность: свойства зависят от состава и строения.