ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2019
Просмотров: 18977
Скачиваний: 11
ГЛАВА 9
ФАЗОВІ ПЕРЕХОДИ НА ЗЕМЛІ І Б КОСМОСІ
§ 84, Плавлення
і
кристалізація
Плавлення
Речовина існує в твердому кристалічному стані при певних зна-
ченнях тиску і температури. У цьому стані речовина перебуває доти, поки
кінетична енергія атомів недостатня, щоб подолати сили взаємного притя-
гання, Ці сили утримують атоми на деякій відстані один відносно одного,
не даючи можливості їм перемішатись. При цьому атом коливається навко-
ло положення своєї рівноваги. В процесі нагрівання твердого тіла кінетична
енергія атомів (або молекул) зростає. При цьому амплітуди коливань мо-
жуть стати, такими великими, що вже будуть порівнянні з періодом ґрат, да-
лекий порядок порушиться, кристалічні ґрати почнуть руйнуватись. Із збіль-
шенням температури
тверді тіла плавляться, тобто речовина переходить
з твердого стану в рідкий
. Цей процес ізотермічний. Під час плавлення
температура тіла не змінюється. Уся теплота, яка підводиться ззовні, ви-
трачається на руйнування кристала. Після руйнування кристала й утворення
рідини теплота, яка підводиться ззовні, втрачається на нагрівання рідини.
Діаграму плавлення кристалічного тіла подано на рис. 9.1. На осі абсцис
відкладено час, на осі ординат - температуру. Ділянка
ОА
відповідає нагрі-
ванню твердого тіла до температури плавлення
Т
Ш
Нагрівання тіла на цій
ді-лянці супроводжується підвищенням його температури (яка зростає при-
близно пропорційно часу нагрівання). Ділянка
АВ
відповідає процесу плав-
лення,
Під час плавлення кристалічне тіло перебуває одночасно в твер-
дому і рідкому станах.
Температура плавлення залежить від роду кристалічного тіла.
Для більшості кристалічних тіл температура плавлення підвищується
від збільшення атмосферного піску.
У процесі плавлення густина речовин зменшується (виняток станов-
лять, наприклад, вісмут і лід - їх густина під час плавлення збільшується).
Точка
В
діаграми плавлення відповідає
С закінченню процесу плавлення. Тверде
в / \ р
£
Г
тіло перетворилось у рідину.
\/*\ Відношення кількості теплоти (),
^ потрібної для того, щоб перетворити
тверде тіло в рідину при температурі
~~ плавлення, до маси цього тіла назива
Р,
ЇС<
9 і
ють питомою теплотою плавлення:
250
Х = д/т,
(9.1)
ш і д к и
д = Хт.
V СІ питому теплоту плавлення виражають у джоулях на кілограм
(Дж/кг).
Ча значимо, що
к процесі плавлення внутрішня енергія тіла збільшується.
Кристалізація
Ділянка
ВС
діаграми відповідає нагріванню рідини. Якщо в
н який момент часу припинити нагрівання рідини, а потім її охолодити,
м> крива
йтиме вниз (ділянка
СВ).
Коли температура зменшиться до зна-
чіння, яке дорівнює
Т
ш
, розпочинається кристалізація (ділянка
ЕР)
- пе-
рехід речовини з рідкого стану в твердий кристалічний. Цей процес су-
проводжується виділенням теплоти кристалізації, яка дорівнює теплоті
ІІ'МІІЛСННЯ.
Під час цього процесу рух молекул рідини упорядковується,
мімслідок чого вони починають коливатися навколо вузлів кристалічних
11мт. Процес кристалізації ізотермічний. Температура кристалізації Г
кр
і
иигома теплота кристалізації дорівнюють відповідно температурі плав-
ні пня і питомій теплоті плавлення для того самого тіла при одному і тому
• лмому тиску. Коли кристалізація закінчиться (точка
Р),
тіло почне охо-
лоджуватись (ділянка
РС).
І Іроцес кристалізації відбувається у двофазній системі, поблизу цент-
ри» кристалізації. Такими центрами можуть бути пилинки, найдрібніші
домішки, неоднорідності. Якщо рідина чиста, тобто в ній немає центрів
і ристалізації, то від її швидкого охолодження можна дістати переохолод-
ї гну
рідину (тобто рідину з температурою, нижчою від температури крис-
І.І і нації). Цей процес на рис. 9.1 зображено лінією
ВЕ.
Стан переохоло-
•і ж синя - нестійкий; від значного переохолодження утворюються центри
крис-галізації і рідина перетворюється в тверде тіло.
Рідкі кристали
Це стан, в якому виявляються структурні властивості, про-
пжні між властивостями твердого кристала і рідини. Рідкі кристали
N іморюють речовини, молекули яких мають подовжену паличкоподібну
форму. Рідкі кристали утворюються у вузькому інтервалі температур,
і охолодженням кристали перетворюються в тверді.
252
§ 85. Зміна об'єму і густини речовини
під час плавлення і кристалізації
У процесі плавлення густина більшості речовин зменшуєть-
ся. Наприклад, якщо в розплавлений парафін кинути шматочок твердого
парафіну, то він потоне.. Отже, густина розплавленого парафіну менша від
густини твердого. Парафін під час плавлення збільшує свій об'єм. Так
само поводять себе і багато інших речовин. Це явище показує, що при
правильному впорядкованому розміщенні молекул у кристалі об'єм, який
вони займають, менший, ніж при безладному їх розміщенні в рідині. Ви-
нятком є чавун, кремній, вісмут і вода. Як відомо, лід плаває у воді; його
густина помітно менша від густини води. Ця обставина має велике зна-
чення у природі. Шар льоду на поверхні води, покритий зверху снігом,
який погано проводить тепло, добре захищає воду, розміщену під ним, від
охолодження. Отже, водойма не промерзає до дна, і це рятує риб від
загибелі.
Розширення води під час замерзання - одна з причин й іншого, важли-
вого в житті Землі явища - руйнування гірських порід.
Відомо, що воду у водопровідних трубах не можна доводити до замер-
зання - при цьому труби лопають. Так само лопають на морозі пляшки з
водою. Отже, при замерзанні вода збільшує свій об'єм.
Зазначимо, що в усіх речовинах, які при плавленні розширюються,
збільшення зовнішнього тиску підвищує точку плавлення. У води збіль-
шення тиску, навпаки, знижує точку замерзання.
Зміну об'єму рідини в процесі тверднення треба враховувати в техніці.
Особливо важливо це в ливарному виробництві під час виготовлення
форм, які потім заливають рідкою речовиною. Залежно від поводження
рідини під час тверднення розміри форм мають бути або більші, або мен-
ші від справжніх розмірів виробу на величину усадки (від 1 до 2,5 %).
§ 36. Поняття фази речовини
Поняття фази
Під час розгляду явищ випаровування і конденсації води ми
встановили, що можуть існувати два різні стани води - рідкий і газоподіб-
ний (водяна пара) - за тих самих температур і тиску. Ці стани відрізня-
ються своїми властивостями, у цьому разі - густиною.
Якщо система поділяється на однорідні частини, що межують одна з
одною і перебувають у фізично різних станах, то ці частини називають
фазами системи.
252
Якщо дві або більше різних фаз речовини за даних температури і тис-
ку існують одночасно, стикаючись одна з одною, і якщо при цьому маса
однієї з фаз не збільшується за рахунок зменшення маси другої, то ка-
жуть, що існує
фазова рівновага.
Фазові переходи
Перехід речовини з одного стану (фази) в інший називають
фаювим переходом.
Фазовий перехід пов'язаний з якісною зміною влас-
ні нос гей речовини. Наприклад, газоподібний, рідкий і кристалічний ета-
пи речовини відрізняються характером руху атомів або молекул, наявніс-
і іо або відсутністю упорядкованої структури.
Кипіння, плавлення - приклад
фазових переходів першого роду.
Для
фазових переходів першого роду характерна стрибкоподібна зміна влас-
і ивостей речовини, тобто така, що відбувається у вузькому інтервалі тем-
п е р а т у р .
Ці переходи супроводжуються стрибкоподібною зміною енергії,
і устини та інших параметрів.
Фазові переходи першого роду - дуже поширене в природі явище.
До них належать випаровування і конденсація, плавлення і тверднення.
< такі фазові переходи, за яких внаслідок безперервної зміни кристаліч-
них ґрат, тобто взаємного розміщення частинок у ґратах, перетворення
підсуваються відразу в усьому об'ємі. Це призводить до того, що при пев-
ній температурі змінюється симетрія ґрат. Така температура -
точка фазо-
вого переходу другого роду. Температуру, при якій відбувається фазовий
перехід другого роду, називають точкою Кюрі
, за ім'ям французького
фізика П. Кюрі, що виявив фазовий перехід другого роду в феромагнети-
ках. Питання про феромагнетики розглянуто далі.
§ 87. Внутрішня будова Землі і планет
Гіпотеза походження Землі
Радянський учений О. Ю. Шмідт (1891-І 956) висунув гіпотезу
про походження Землі та інших небесних тіл. Він припускав, що Земля і пла-
не ї й ніколи не були розжареними газовими тілами, подібно до Сонця і зір, а
повинні були утворитися з холодних твердих частинок речовин, які
уми >рювали величезну хмару з газу і пилу, що оберталася навколо Сонця.
Іілижче до Сонця температура пилинок була вищою, і тут утворились
порівняно невеликі планети земної групи (Меркурій, Венера, Земля, Марс).
І іони складаються з тугоплавких кам'янистих речовин, металів та їх ок-
еидів і містять дуже мало легких газів і води.
253
Далі від Сонця було набагато холодніше, на пилинках намерзло багато
льоду, вуглекислого газу, метану, аміаку. Так утворились планети-гіганти
(Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун). У них значно більше води, аміаку і ме-
тану, ніж металу і кам'янистих речовин.
Тепер вважають, що Земля з газопилової хмари утворювалась близько
100 млн років. Цей строк невеликий порівняно з усією історією Землі, яка
триває близько 4,7 млрд років.
Будова Землі
Фізичні властивості і фізичний стан земної кулі вивчає наука
геофізика
, яка поділяється на фізику атмосфери, фізику моря і фізику твер-
дої Землі.
На основі всіх відомостей, добутих тепер різними науками, побудова-
но фізико-математичну модель Землі. "Тверда" Земля має кілька геосфер
або оболонок: тонку зовнішню -
кору
, величезну -
мантію
, яка займає
5/6 об'єму всієї Землі (2/3 маси Землі), і
ядро.
Для пізнання глибоких надр Землі тепер найбільше знань дає
сейсмо-
логія
- наука про землетруси.
Від епіцентра землетрусу розходяться пружні сейсмічні хвилі двох ви-
дів: поздовжні та поперечні. Швидкість поздовжніх хвиль майже вдвічі
більша від швидкості поперечних. За допомогою сейсмографа записують
коливання ґрунту. За сейсмограмами вдається встановити шлях пружної
хвилі в товщі Землі та її швидкість у кожній точці шляху. Швидкість хвилі
залежить від складу гірської породи, від температури і тиску, під яким ця
порода перебуває. Сейсмічні хвилі, як й інші, можуть відбиватися і залом-
люватися. їх шляхи в Землі, як правило, викривлені.
З аналізу змін швидкостей сейсмічних хвиль роблять висновок про склад
кори і мантії. Розподіл густини в мантії і ядрі визначають обчисленнями.
Виходячи із змін густини з глибиною, обчислюють зміну сили тяжін-
ня. У корі і мантії вона приблизно однакова. У ядрі сила тяжіння зменшу-
ється з глибиною і в його центрі дорівнює нулю.
Знаючи зміну густини і сили тяжіння, обчислюють зміну тиску з гли-
биною, він швидко зростає і в центрі Землі досягає порядку 3,7 млн атм.
Кора
Як показують дослідження, поділ земної поверхні на матери-
ки і океани не випадковий, а залежить від будови земної кори.
Материкова кора побудована інакше і відрізняється за товщиною від оке-
анічної. Дрібні моря і затоки завглибшки до 200 м - це частини материків,
254