Главная | Обратная связь

ТРИЗ-задание 34. Пузырёк газа в капилляре

Если пузырёк воздуха попадает в капилляр с текущей жидкостью, то движение жидкости прекращается. Например, U-образный водяной манометр не будет работать, если внутри трубки будут находиться пузырьки воздуха с размерами больше диаметра трубки. У человека кровеносный сосуд также может перекрыться воздушной пробкой – это называется воздушной (газовой) эмболúей. Объясните причину этого явления. Решите задачу приёмом обращения исследовательской задачи.

Фаза. Фазовое равновесие.

ФазовыЕ переходы

Фазой называется однородная по составу и свойствам часть термодинамической системы, отделённая от других фаз поверхностями раздела, на которых скачком изменяются некоторые свойства системы. Если различные фазы вещества при данных давлении и температуре существуют одновременно, соприкасаясь друг с другом, и если при этом масса одной из фаз не растёт за счет другой, то говорят о фазовом равновесии. Переход из одного состояния (фазы) в другое называется фазовым переходом. При этом скачкообразно изменяются физические свойства вещества.

Часто понятие «фаза» употребляют в смысле агрегатного состояния, но надо учитывать, что это разные понятия. В пределах одного агрегатного состояния вещество может находиться в разных фазах, отличающихся по своим свойствам. Например, лёд встречается в нескольких различных модификациях – фазах, а жидкий гелий может быть «обычным» и «сверхтекучим».

Фазовые переходы с выделением или поглощением скрытой теплоты перехода называются фазовыми переходами первого рода. К ним относятся плавление, парообразование, сублимация (переход твёрдого тела в газообразное состояние), конденсация и кристаллизация. Скрытая теплота перехода затрачивается на преодоление сил притяжения между молекулами. Теплота называется «скрытой» потому, что теплота (например, при плавлении и кипении) к телу подводится, а температура тела при этом не повышается. Фазовые переходы первого рода характеризуются изменениями энтропии и удельного объёма.

При фазовых переходах первого рода новая фаза не возникает сразу во всем объёме. Сначала образуются зародыши новой фазы, которые затем растут, распространяясь на весь объём. Зародыши (центры парообразования, конденсации, кристаллизации…) появляются на различных неоднородностях (пылинки, ионы, шероховатости стенок сосуда). В отсутствии таких центров вещества могут находиться в перегретом или переохлажденном состоянии. Например, чистая вода не замерзает при –30 °С.

Твёрдое состояние вещества может реализовываться в различных кристаллических модификациях. Это явление называется полиморфизмом. Примеры: графит и алмаз; белый и красный фосфор; существуют несколько разновидностей льда (например, при давлении 20 000 атм лёд плавится при +75 °С) и т.п.

Железо имеет 4 модификации. Это позволяет осуществлять «закáлку» стали – вид термической обработки изделий из металлов и сплавов, заключающийся в их нагреве выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки, т.е. полиморфного превращения), с последующим быстрым охлаждением в жидкости (воде или масле). При этом можно получить твёрдую (высокотемпературную) структуру кристаллической решетки железа при комнатной температуре.

Другим ярким примером, иллюстрирующим полиморфизм, является «оловянная чума». Известны 3 модификации олова: ниже 13,12 °С устойчива a-модификация, обладающая кубической структурой типа алмаза («серое» олово); выше 13,2 °С устойчива b-модифика­ция с тетрагональной решёткой («белое» олово); при температуре 173–231,84 °С существует g-олово с ромбической кристаллической структурой. Переход «белого» в «серое» олово сопровождается резким уменьшением плотности (с 7,295 г/см³ до 5,846 г/см³), в результате чего белый металл рассыпается в серый порошок. Скорость перехода максимальна при –33 °С. Причём соприкосновение «серого» олова и «белого» приводит к «заражению» последнего, так как переход ускоряется при появлении на «белом» олове пылинок (зародышей) «серого» олова. Всё это называется «оловянной чумой». Поэтому после сильного мороза при потеплении оловянные предметы могут рассыпаться в порошок. Такое случалось в прошлом, например, с оловянными солдатскими пуговицами. «Оловянная чума» – одна из причин гибели экспедиции Роберта Скотта к Южному полюсу в 1912 г. (разрушились запаянные оловом сосуды с жидким топливом).

Полиморфное превращение является фазовым переходом. Оно сопровождается выделением или поглощением скрытой теплоты перехода, так как происходит перестройка кристаллической решётки, связанная с изменением энергии частиц в кристалле.

Существуют и фазовые переходы второго рода, не связанные с выделением или поглощением тепла. При определённой температуре изменение физических свойств (теплоёмкости и др.) происходит сразу во всем объёме.

При фазовых переходах второго рода изменяется симметрия системы: либо изменяется уже существующий порядок (кристаллической решетки), либо в новой фазе возникает порядок, которого не было в первоначальной (например, упорядочиваются магнитные моменты отдельных частиц при переходе в ферромагнитное состояние). Примеры фазовых переходов второго рода:

- прохождение системы через критическую точку;

- переход парамагнетик-ферромагнетик или парамагнетик-антиферромагнетик;

- переход металлов и сплавов в сверхпроводящее состояние;

- переход жидкого гелия при температуре ниже 2,172 К в сверхтекучее состояние (⁴He-II с нулевой вязкостью).