Составители:
Рубрика:
Следовательно, равновесие трех фаз возможно только в одной точке плоскости (p,T) — рис. 3.6. Эта
точка называется тройной. Для воды тройная точка характеризуется следующими величинами
температуры и давления: T=0,0078
0
C, p=0,006 атм. В общем случае термодинамическая система
может иметь несколько состояний равновесия. Состояние равновесия, которому соответствует
наибольший максимум S или наиболее глубокий минимум Φ или F называют абсолютно
устойчивым, стабильным состоянием. Другие экстремумы этих функций соответствуют
метастабильным состояниям системы (пунктир на рисунке).
Рисунок 3.5 Рисунок 3.6
В физике облаков и осадков часто приходится иметь дело с системами, находящимися в
метастабильном состоянии: переохлажденные облака, состоящие из капель воды вплоть до -40
0
C,
пересыщенный пар в камере Вильсона и т.д.
Мы рассмотрели равновесие двух соприкасающихся фаз без учета особых свойств
поверхности раздела и их влияния на условия равновесия. Свободная энергия системы полагалась
равной сумме энергий отдельных фаз, а энергия отдельной фазы — пропорциональной массе фазы.
При таком подходе мы не учитывали энергию взаимодействия между фазами и тот факт, что вблизи
поверхности состояние вещества отличается от состояния внутри фазы. Если же фазы, находящиеся
в равновесии, обладают развитой поверхностью, то полное пренебрежение поверхностными
эффектами может внести существенную погрешность в расчеты. Примером таких систем в
естественных условиях являются капельные облака [12,53,55,56]. Влияние этих эффектов растет с
увеличением поверхности вещества в данной фазе, так как чем мельче раздроблено вещество, тем
больше относительная роль поверхностной энергии по сравнению с энергией объемной фазы.
Рассмотрим условия равновесия в системе газ — капля.
По сравнению с молекулами, находящимися внутри вещества, на молекулы, расположенные
вблизи поверхности твердой и жидкой фаз, действует не равная нулю равнодействующая сила
молекулярного притяжения. Чтобы вытолкнуть молекулу на поверхность, надо совершить работу.
Следовательно, молекулы поверхностного слоя обладают большей энергией, чем внутренние. Особое
состояние вещества в поверхностном слое позволяет рассматривать его как новую «поверхностную
фазу».
Из-за быстрого убывания сил молекулярного взаимодействия (радиус действия сил
межмолекулярного взаимодействия 10
-7
см) поверхностный слой очень тонок. Поэтому
«поверхностная фаза» отличается от «объемной» тем, что ее толщина настолько мала по сравнению с
размерами в других измерениях, что слой можно заменить бесконечно тонкой поверхностью раздела
между фазами. Для «поверхностной фазы» параметр V заменяется площадью поверхности: ∑.
Площадь поверхности является новым параметром, характеризующим состояние системы. При
данном значении объема система может иметь различные величины поверхности, причем каждому
значению поверхности отвечает соответствующее состояние системы.
Для двухфазной системы капля — пар термодинамический потенциал
Φ = m
1
(f
1
+pV
1
)+m
2
(f
2
+pV
2
)+σ∑. (3.5)
Из условия минимальности термодинамического потенциала для равновесной формы
поверхности капли, когда не меняются значения m
1
, V
1
, V
2
, следует, что капля должна иметь
сферическую форму: ∑=4πr
2
(r — радиус капли). Если капли заряжены, то в выражение (3.5)
Страницы
- « первая
- ‹ предыдущая
- …
- 44
- 45
- 46
- 47
- 48
- …
- следующая ›
- последняя »
