Тепловые процессы (часть 2)

Рассмотрим физические процессы, происходящие при изменении агрегатного состояния горных пород под воздействием температурного поля. Процессы плавления, парообразования, сублимации, испарения, кипения являются частным случаем фазовых превращений первого рода, которые характеризуются скачкообразным изменением плотности и термодинамических функций (энергии, энтропии, энтальпии и др.) в точке перехода, а также поглощением или выделением тепла, называемого теплотой (скрытой теплотой) фазового перехода. Термодинамика рассматривает равновесные существования фаз (правило фаз Гиббса n≤k+2, где k — число компонент; n — число фаз).
Равновесные состояния физических систем можно изображать графически (фазовая диаграмма) при различных значениях параметров, определяющих эти состояния,— температуры Т, давления Р, концентрации С, а в ряде случаев и в зависимости от других параметров — объема V, напряженности электрического Е и магнитного n полей и др. (рис. 3.4).

Для простоты изложения основные понятия о физических явлениях, происходящих при фазовых превращениях, рассмотрим на примере однокомпонентных систем, для которых кривая фазового перехода описывается уравнением Клайперона—Клаузиса

где λ — теплота фазового превращения; ΔV — разность объемов фаз.
Плавление твердого тела начинается при определенной температуре Тпл, постоянной для данного давления.
Подведенная теплота увеличивает энергию колебания атомов, что проявляется в повышении температуры. С возрастанием температуры увеличивается концентрация вакансий в кристаллической решетке. При плавлении концентрация вакансий достигает критического значения и решетка распадается на легкоподвижные субмикроскопические области, беспорядочно ориентированные относительно друг друга. В этот момент теплота, подводимая извне, не увеличивает энергию колебаний атомов и температура остается постоянной. Дальнейший подвод теплоты к полностью расплавившемуся телу вновь приводит к повышению энергии колебаний атомов (или молекул) и к повышению температуры жидкости. Для большинства веществ при увеличении давления температура плавления повышается (см. рис. 3.4, кривая АD). Для некоторых веществ (вода, галлий, висмут и др.) плотность жидкой фазы больше, чем твердой. Температура плавления этих веществ понижается, начиная с тройной точки (см. рис. 3.4, кривая АD').
Аморфные твердые вещества (стекло, битумы, смола и др.) не имеют определенной температуры плавления и при нагреве постепенно размягчаются в широком диапазоне температур.
Процесс парообразования по молекулярно-кинетическим представлениям — непрерывный процесс вылета молекул за пределы конденсированной фазы в результате теплового движения. Он сопровождается поглощением теплоты. Сублимация возможна во всем диапазоне температур и давлений, при котором совместно существуют твердая и газообразная фазы. Подводимая теплота затрачивается на преодоление сил связи между частицами твердого тела и на отрыв частиц с поверхности кристалла. Кривая равновесия твердое тело — пар называется кривой сублимации (см. рис. 3.4, кривая АС). Скорость сублимации (т. е. масса вещества, сублимирующая в единицу времени) связана с температурой поверхности и давлением насыщенного пара.