Равновесие между фазами

Вещество находится в том или ином агрегатном состоянии в зависимости от значений его температуры и давления. При определенных условиях разные фазы одного и того же вещества могут сосуществовать сколь угодно долго, соприкасаясь друг с другом, или переходить одна в другую. Совместное существование разных фаз вещества называется равновесием фаз, а переход вещества из одного агрегатного состояния в другое — фазовым переходом. К фазовым переходам относятся испарение жидкости и конденсация (сжижение) газа, плавление твердого тела и кристаллизация (отвердевание) жидкости, сублимация (возгонка), т. е. переход твердого тела в газообразное состояние и др.

Система, которая состоит из двух пространственно разделенных, но соприкасающихся друг с другом фаз одного и того же вещества, называется двухфазной. Например, такой системой являются твердое тело и омывающая его жидкость, образовавшаяся при плавлении некоторой части этого тела, или жидкость и газ, состоящий из таких же молекул, что и жидкость. Двухфазная система условно изображена на рис. 7.1. В цилиндре под поршнем содержится вещество, находящееся одновременно в различных агрегатных состояниях, которые отмечены цифрами 1 и 2. Для определенности можно считать, что это — газ и «^ис'

его жидкость. Двухфазная система

Возникает вопрос, при каких условиях возможно равновесное состояние двухфазной системы, т. е. такое состояние, в котором различные фазы одного вещества могут сосуществовать сколь угодно долго. Условия сосуществования фаз можно получить следующим образом. Во-первых, температура равновесной двухфазной системы, как и любой другой равновесной системы, должна быть всюду одинаковой в силу нулевого закона термодинамики Во-вторых, согласно третьему закону Ньютона силы взаимодействия фаз на границе раздела равны по величине. Из этого следует, что давления по разные стороны от границы раздела должны быть одинаковы.

Двухфазная система может находиться в равновесном состоянии только в определенном интервале температур. Причем каждому значению температуры из этого интервала соответствует только одно определенное значение давления при котором возможно равновесие фаз. Эта зависимость изображается на плоскости переменных Р и Т кривой, называемой кривой фазового равновесия, или кривой сосуществования фаз (рис. 7.2). Таких кривых — несколько. Например, кривая плавления соответствует равновесию жидкости и твердого тела, кривая испарения описывает фазовое равновесие между газом и жидкостью, а кривая сублимации — между газом и твердым телом, состоящим из таких же молекул, что и газ. Точки на кривой фазового равновесия соответствуют таким значениям температуры и давления, при которых возможно совместное существование двух фаз в равновесных состояниях. Точки вне кривой фазового равновесия отмечают значения температуры Т и давления Я, для которых равновесное сосуществование фаз невозможно.

Рис. 7.2.

Кривая сосуществования фаз

Газ, соприкасающийся с конденсированной фазой того же вещества, называется паром. Если пар находится в равновесии с конденсированной фазой, то он называется насыщенным паром. В частности, функция (7.3) может представлять зависимость давления насыщенного пара от температуры. В этом случае на рис. 7.2 фаза 1 будет газом, а фаза 2 — жидкостью, так как газовой фазе при одном и том же давлении соответствует более высокая температура. чем жидкой.