Учебник по Физике.

Оглавление учебника

Фазовые переходы. Влажность.

Фазовые переходы. Всякое вещество может, вообще говоря, находиться в одном из трех фазовых, или агрегатных, состояний (фаз) - твердом, жидком и газообразном. Так, известное всем химическое вещество Н₂О может находиться в жидком (вода), газообразном (пар) и твердом (лед) состояниях. Переходы между этими состояниями, происходящие при определенных температуре и давлении, называются фазовыми переходами первого рода.

Возможны и переходы без изменения фазового состояния, когда при определенной температуре происходит скачкообразное изменение свойств вещества. Например, при повышении температуры ферромагнетик внезапно при критической температуре Т_с (температура Кюри) становится парамагнетиком. Жидкий гелий при температуре ниже критической температуры Т₀ переходит в сверхтекучее состояние. Аналогично происходит переход некоторых веществ в сверхпроводящее состояние и обратно. Такие переходы, в которых фаза вещества не меняется, а меняются свойства вещества, называются фазовыми переходами второго рода.

Насыщенный пар. Как известно, при нагревании твердого тела при определенном давлении сначала происходит нагревание тела до температуры плавления, затем тело превращается в жидкость при постоянной температуре, далее жидкость нагревается до температуры кипения, затем испаряется при постоянной температуре и, наконец, продолжает нагреваться образовавшийся пар.

Рассмотрим переход жидкость - пар. Пусть жидкость занимает часть объема замкнутого сосуда. При любой температуре существует некоторое количество достаточно энергичных молекул внутри жидкости, которые способны разорвать связи с соседними молекулами и вылететь из жидкости. В то же время в паре, занимающем остальной объем внутри сосуда, всегда найдутся молекулы, которые влетают обратно в жидкость и не могут вылететь обратно. Таким образом, в этом сосуде все время происходят два конкурирующих процесса - испарение и обратная конденсация. Когда число молекул, покидающих жидкость, становится равным числу молекул, возвращающихся обратно, то наступает динамическое равновесие между жидкой и газообразной фазой. Говорят, что пар достиг насыщения. Давление насыщенного пара существенно зависит от температуры: чем она выше, тем больше молекул имеют достаточную энергию, чтобы покинуть жидкость, следовательно, должна возрасти и плотность насыщенного пара. Как следует из газовых законов, давление пара пропорционально его плотности и температуре, т.е. давление насыщенного пара всегда растет с ростом температуры и не зависит от объема. Это означает, что в замкнутом сосуде, содержащем жидкость и пар в равновесии друг с другом при фиксированной температуре, давление насыщенного пара не зависит от относительного количества жидкости и пара. Если при неизменной температуре увеличить объем сосуда, часть жидкости дополнительно испарится, если уменьшить объем сосуда, часть пара сконденсируется в жидкость, но в любом случае давление насыщенного пара не изменится.

Кипение жидкости. В реальных условиях жидкости нагреваются в открытых сосудах, т.е. на них действует внешнее давление. Если давление насыщенного пара при данной температуре меньше внешнего давления, то образующиеся внутри жидкости пузырьки пара не могут достичь поверхности и схлопываются. При повышении температуры достигается температура кипения, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению. В этом случае газовые пузырьки из глубины жидкости могут достичь поверхности и жидкость вскипает. Как известно, дальнейшее нагревание жидкости не меняет ее температуры, пока вся она не превратится в пар.

Сублимация. Рассмотрим переход твердое тело - пар. Если внешнее давление очень мало, то твердое тело может непосредственно испаряться, минуя жидкую фазу. Этот процесс называется сублимацией.

Влажность воздуха. Практический интерес представляет умение измерять количество водяного пара в воздухе при заданной температуре.

Атмосферный воздух есть смесь газов, куда входит 78% азота, 21% кислорода и небольшое количество окиси углерода, водяного пара и других газов. Масса водяного пара в единице объема воздуха называется абсолютной влажностью.

Относительной влажностью воздуха при данной температуре называется выраженное в процентах отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщенного пара при этой же температуре.