Фазовые переходы

Независимо от того, твердое вещество, жидкость или газ, состояние вещества зависит от порядка и расположения его частиц (атомов, молекул или ионов). Частицы в твердой упаковке тесно связаны друг с другом, как правило, по схеме. Частицы вибрируют о своих фиксированных положениях, но не перемещаются и не сжимают их соседей. В жидкостях, хотя частицы расположены близко друг к другу, они расположены случайным образом. Положение частиц не фиксировано, то есть они могут свободно перемещаться мимо своих соседей, чтобы занять разные места. Поскольку частицы расположены близко друг к другу в твердом и жидком состоянии, они называются конденсированные состояния или конденсированные фазы. В этих состояниях вещества проявляют относительно сильные межмолекулярные силы. В газам межчастичные силы аттракционов слабы. Частицы газа не ограничены соседями; частицы свободно перемещаются и при нормальных условиях отделяются большими расстояниями.

Внутренняя энергия вещества – общая кинетическая энергия всех его молекул – зависит от силы межмолекулярных сил в конденсированных фазах и давления, оказываемого на вещество. Внутренняя энергия вещества является самой высокой в газообразном состоянии, самой низкой в твердом состоянии и промежуточной в жидкости.

Фазовые переходы вызваны изменениями физических условий, например, температуры и/или давления, которые влияют на силу межмолекулярных сил. Например, добавление тепла к веществу вызывает увеличение тепловой энергии (или энергии движения) его частицы, преодолевая между ними привлекательные межмолекулярные силы. Твердое тело плавится, когда его температура поднимается до точки, при которой частицы вибрируют достаточно быстро, чтобы выйти из своих фиксированных положений. Этот фазовый переход называется плавлением, а точка, в которой он происходит, является точкой плавления твердого тела. По мере дальнейшего повышения температуры частицы движутся быстрее, пока они, наконец, не сбегают в газообразное состояние. Это испарение, и точка, в которой оно происходит, это точка кипения жидкости.

Переходная точка фазы и изменение энергии, связанное с переходом, зависят от межмолекулярных сил, существующих в веществе. При заданном давлении вещества с более сильными межмолекулярными силами требуют больше энергии для их преодоления и, следовательно, подвергаются фазовым изменениям при более высоких температурах. Энергия, необходимая для полного фазового перехода одного моль вещества без изменения температуры, называется молярной теплотой или молярной энтальпией этого перехода. Например, энергия, необходимая для испарения одного моль жидкости, называется молярной энтальпией испарения.

Переходы, возникающие при поглощении энергии, являются экзотермическими, а их значения энтальпии отрицательны. С другой стороны, переходы, возникающие при высвобождения энергии, являются эндотермическими, и их значения энтальпии положительны. Например, если молярная энтальпия испарения положительная, то молярная энтальпия конденсации отрицательна.

Поскольку вещество трансформируется из одной фазы в другую молекулу молекулой, во время фазового перехода две фазы сосуществуют; и температура вещества остается постоянной, несмотря на непрерывное питание тепла. После завершения перехода насыпной массы температура вещества повышается.

Когда фазовые переходы происходят в замкнутой системе, противоположные переходы происходят с одинаковой скоростью, что приводит к состоянию динамического равновесия.