1. Parowanie i kondensacja

Proces przejścia substancji ze stanu ciekłego do stanu gazowego nazywa się parowaniem, odwrotny proces przejścia substancji ze stanu gazowego do ciekłego nazywa się kondensacją. Istnieją dwa rodzaje waporyzacji – parowanie i wrzenie. Rozważmy najpierw parowanie cieczy. Parowanie to proces parowania zachodzący z otwartej powierzchni cieczy w dowolnej temperaturze. Z punktu widzenia teorii kinetyki molekularnej procesy te wyjaśniono w następujący sposób. Cząsteczki cieczy uczestniczące w ruchu termicznym nieustannie zderzają się ze sobą. Prowadzi to do tego, że część z nich uzyskuje energię kinetyczną wystarczającą do pokonania przyciągania molekularnego. Takie cząsteczki znajdujące się na powierzchni cieczy wylatują z niej, tworząc nad cieczą parę (gaz). Cząsteczki pary, poruszając się chaotycznie, uderzają w powierzchnię cieczy. W takim przypadku część z nich może zamienić się w ciecz. Te dwa procesy opuszczania cząsteczek cieczy i ich powrotu do cieczy zachodzą jednocześnie. Jeśli liczba cząsteczek uciekających jest większa niż liczba cząsteczek powracających, wówczas masa cieczy maleje, tj. ciecz wyparowuje, jeśli odwrotnie, ilość cieczy wzrasta, tj. obserwuje się kondensację pary. Możliwy jest przypadek, gdy masy cieczy i pary znajdującej się nad nią nie ulegają zmianie. Jest to możliwe, gdy liczba cząsteczek opuszczających ciecz jest równa liczbie cząsteczek do niej powracających. Stan ten nazywany jest równowagą dynamiczną

A para

Będąc w równowadze dynamicznej ze swoim płynem, zwany nasyconym

. Jeśli między parą a cieczą nie ma równowagi dynamicznej, nazywa się to nienasyconym. Jest oczywiste, że para nasycona w danej temperaturze ma pewną gęstość, zwaną równowagą.

Zapewnia to, że gęstość równowagowa, a co za tym idzie, ciśnienie pary nasyconej w stosunku do jej objętości, pozostaje stała w stałej temperaturze, ponieważ zmniejszenie lub zwiększenie objętości tej pary prowadzi do kondensacji pary lub odparowania cieczy, odpowiednio. Izoterma pary nasyconej w określonej temperaturze w płaszczyźnie współrzędnych P, V jest linią prostą równoległą do osi V. Wraz ze wzrostem temperatury układu termodynamicznego ciecz – para nasycona, liczba cząsteczek opuszczających ciecz w pewnym czasie przekracza liczba cząsteczek powracających z pary do cieczy. Trwa to do momentu, gdy wzrost gęstości pary doprowadzi do ustalenia równowagi dynamicznej w wyższej temperaturze. Jednocześnie wzrasta również prężność pary nasyconej. Zatem prężność pary nasyconej zależy tylko od temperatury. Tak szybki wzrost prężności pary nasyconej wynika z faktu, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta nie tylko energia kinetyczna ruchu translacyjnego cząsteczek, ale także ich stężenie, tj. liczba cząsteczek na jednostkę objętości

Podczas parowania ciecz opuszcza najszybsze cząsteczki, w wyniku czego średnia energia kinetyczna ruchu translacyjnego pozostałych cząsteczek maleje, a w konsekwencji spada temperatura cieczy (patrz §24). Dlatego, aby temperatura parującej cieczy pozostała stała, należy do niej stale dostarczać pewną ilość ciepła.

Ilość ciepła, jaką należy przekazać jednostkowej masie cieczy, aby zamieniła się ona w parę o stałej temperaturze, nazywa się ciepłem właściwym parowania.

Ciepło właściwe parowania zależy od temperatury cieczy i maleje wraz ze wzrostem. Podczas kondensacji uwalniana jest ilość ciepła zużyta na odparowanie cieczy. Kondensacja to proces przejścia ze stanu gazowego w stan ciekły.

2. Wilgotność powietrza.

Atmosfera zawsze zawiera pewną ilość pary wodnej. Stopień wilgotności jest jedną z podstawowych cech pogody i klimatu i w wielu przypadkach ma znaczenie praktyczne. Zatem magazynowanie różnych materiałów (m.in. cementu, gipsu i innych materiałów budowlanych), surowców, produktów, sprzętu itp. musi nastąpić przy określonej wilgotności. Pomieszczenia, w zależności od ich przeznaczenia, podlegają także odpowiednim wymogom dotyczącym wilgotności.

Do scharakteryzowania wilgotności stosuje się szereg wielkości. Wilgotność bezwzględna p to masa pary wodnej zawartej w jednostkowej objętości powietrza. Zwykle mierzy się go w gramach na metr sześcienny (g/m3). Wilgotność bezwzględna jest powiązana z ciśnieniem cząstkowym P pary wodnej za pomocą równania Mendelejewa-Clipeyrona, gdzie V to objętość zajmowana przez parę, m, T i m to masa, temperatura bezwzględna i masa molowa pary wodnej, R to uniwersalny stała gazowa (patrz (25.5)). Ciśnienie cząstkowe to ciśnienie wywierane przez parę wodną bez uwzględnienia działania innych rodzajów cząsteczek powietrza. Stąd, ponieważ p = m/V jest gęstością pary wodnej.

Ciecz zamienia się w parę (gaz) poprzez parowanie i wrzenie. Procesy te łączy się pod tą samą nazwą „waporyzacja”, istnieje jednak różnica między tymi procesami.

Parowanie zachodzi stale ze swobodnej powierzchni dowolnej cieczy. Fizyczna natura parowania polega na oddalaniu się od powierzchni cząsteczek z dużą prędkością i energią kinetyczną ruchu termicznego. Ciecz ochładza się. W przemyśle efekt ten wykorzystuje się w wieżach chłodniczych do chłodzenia wody.

Wrzenie (podobnie jak parowanie) to przejście substancji w stan pary, ale zachodzi w całej objętości cieczy i tylko wtedy, gdy do cieczy zostanie dodane ciepło. Podczas dalszego ogrzewania temperatura cieczy pozostaje stała, a ciecz w dalszym ciągu wrze.

Temperatura wrzenia zależy od ciśnienia pary nad cieczą; wraz ze spadkiem ciśnienia temperatura wrzenia maleje i odwrotnie. Zmniejszając prężność pary nad cieczą, można obniżyć temperaturę wrzenia cieczy do temperatury zamarzania, a dobierając substancje o pożądanych właściwościach można uzyskać niemal każdą niską temperaturę.

Ilość ciepła potrzebna do przekształcenia 1 kg cieczy w stan pary nazywa się ciepłem właściwym parowania R, kJ/kg.

Temperaturę, w której następuje parowanie, nazywa się temperaturą nasycenia. Para może być mokra lub sucha (bez kropel cieczy). Para może być przegrzana i mieć temperaturę przegrzania wyższą od temperatury nasycenia.

Procesy te są stosowane w maszynach chłodniczych ze sprężaniem pary. Wrząca ciecz jest czynnikiem chłodniczym, a aparatem, w którym się ona wrze, pobierając ciepło z chłodzonej substancji, jest parownik. Ilość ciepła dostarczonego do wrzącej cieczy określa się według wzoru:

Gdzie M- masa cieczy zamieniającej się w parę; R- ciepło parowania.

Temperatura wrzenia cieczy zależy od ciśnienia. Zależność tę obrazuje krzywa ciśnienia nasycenia pary.

Dla najpopularniejszego czynnika chłodniczego w przemyśle chłodniczym, amoniaku, taką krzywą pokazano na ryc. 3, z którego wynika, że ​​przy ciśnieniu równym ciśnieniu atmosferycznemu (0,1 MPa) temperatura wrzenia amoniaku odpowiada -30°C, a przy 1,2 MPa - +30°C.

Przekształcenie pary nasyconej w ciecz nazywa się kondensacją, która zachodzi w temperaturze skraplania, która zależy również od ciśnienia. Temperatury kondensacji i wrzenia przy pewnym ciśnieniu jednorodnej substancji są takie same. Efekt ten jest wykorzystywany w skraplaczach wyparnych do przenoszenia ciepła kondensacji do powietrza.

Sublimacja

Substancja może przejść ze stanu stałego bezpośrednio w parę. Proces ten nazywa się sublimacją. Ciepło pobrane z otaczającego powietrza wykorzystywane jest do pokonania sił spójności cząsteczek oraz wpływu ciśnienia zewnętrznego, które utrudnia ten proces.

W normalnych warunkach niewiele substancji sublimuje - stały dwutlenek węgla (suchy lód), jod, kamfora itp.

Do chłodzenia i uzyskiwania niskich temperatur wykorzystuje się suchy lód, który przy ciśnieniu atmosferycznym zapewnia temperaturę -78,3°C, a po obniżeniu ciśnienia można osiągnąć -100°C.

Występujące na swobodnej powierzchni cieczy.

Sublimacja, czyli sublimacja, tj. Przejście substancji ze stanu stałego do stanu gazowego nazywa się również parowaniem.

Z codziennych obserwacji wiadomo, że ilość jakiejkolwiek cieczy (benzyny, eteru, wody) znajdującej się w otwartym naczyniu stopniowo maleje. Płyn nie znika bez śladu – zamienia się w parę. Parowanie jest jednym z typów odparowanie. Innym rodzajem jest gotowanie.

Mechanizm parowania.

Jak zachodzi parowanie? Cząsteczki dowolnej cieczy znajdują się w ciągłym i przypadkowym ruchu, a im wyższa temperatura cieczy, tym większa energia kinetyczna cząsteczek. Średnia wartość energii kinetycznej ma pewną wartość. Ale dla każdej cząsteczki energia kinetyczna może być większa lub mniejsza od średniej. Jeśli w pobliżu powierzchni znajduje się cząsteczka posiadająca energię kinetyczną wystarczającą do pokonania sił przyciągania międzycząsteczkowego, wyleci ona z cieczy. To samo powtórzy się z inną szybką cząsteczką, z drugą, trzecią itd. Wylatując, cząsteczki te tworzą parę nad cieczą. Tworzenie się tej pary polega na parowaniu.

Absorpcja energii podczas parowania.

W miarę jak szybsze cząsteczki wylatują z cieczy podczas parowania, średnia energia kinetyczna cząsteczek pozostających w cieczy staje się coraz mniejsza. Oznacza to, że energia wewnętrzna parującej cieczy maleje. Zatem w przypadku braku dopływu energii do cieczy z zewnątrz, temperatura parującej cieczy spada, ciecz się ochładza (dlatego zwłaszcza osobie ubranej na mokro jest zimniej niż w suchej, zwłaszcza w wiatr).

Kiedy jednak woda nalana do szklanki odparuje, nie zauważamy spadku jej temperatury. Jak możemy to wyjaśnić? Faktem jest, że parowanie w tym przypadku zachodzi powoli, a temperatura wody utrzymuje się na stałym poziomie dzięki wymianie ciepła z otaczającym powietrzem, z którego wymagana ilość ciepła dostaje się do cieczy. Oznacza to, że aby nastąpiło odparowanie cieczy bez zmiany jej temperatury, należy przekazać jej energię.

Ilość ciepła, jaką należy przekazać cieczy, aby powstała jednostkowa masa pary w stałej temperaturze, nazywa się ciepło parowania.

Szybkość parowania cieczy.

w odróżnieniu wrzenie parowanie zachodzi w dowolnej temperaturze, jednak wraz ze wzrostem temperatury cieczy wzrasta szybkość parowania. Im wyższa temperatura cieczy, tym szybciej poruszające się cząsteczki mają wystarczającą energię kinetyczną, aby pokonać siły przyciągania sąsiadujących cząstek i wylecieć z cieczy, a tym samym następuje szybsze parowanie.

Szybkość parowania zależy od rodzaju cieczy. Lotne ciecze, których siły oddziaływania międzycząsteczkowego są małe (na przykład eter, alkohol, benzyna) szybko odparowują. Jeśli upuścisz taki płyn na rękę, poczujesz zimno. Parując z powierzchni dłoni, taki płyn ostygnie i odbierze z niego część ciepła.

Szybkość parowania cieczy zależy od jej swobodnej powierzchni. Wyjaśnia to fakt, że ciecz odparowuje z powierzchni, a im większa jest wolna powierzchnia cieczy, tym większa liczba cząsteczek jednocześnie ulatujących w powietrze.

W otwartym naczyniu masa cieczy stopniowo maleje w wyniku parowania. Dzieje się tak dlatego, że większość cząsteczek pary rozprasza się w powietrzu bez powrotu do cieczy (w przeciwieństwie do tego, co dzieje się w zamkniętym naczyniu). Ale niewielka ich część wraca do cieczy, spowalniając w ten sposób parowanie. Dlatego wraz z wiatrem, który unosi cząsteczki pary, parowanie cieczy następuje szybciej.

Zastosowanie odparowania w technologii.

Parowanie odgrywa ważną rolę w procesach energetycznych, chłodniczych, suszenia i chłodzenia wyparnego. Na przykład w technologii kosmicznej pojazdy zniżające są pokryte szybko odparowującymi substancjami. Przechodząc przez atmosferę planety, korpus urządzenia na skutek tarcia nagrzewa się, a pokrywająca go substancja zaczyna parować. Parując, chłodzi statek kosmiczny, chroniąc go w ten sposób przed przegrzaniem.

Kondensacja.

Kondensacja(od łac. kondensacja- zagęszczanie, kondensacja) - przejście substancji ze stanu gazowego (pary) do stanu ciekłego lub stałego.

Wiadomo, że w obecności wiatru ciecz paruje szybciej. Dlaczego? Faktem jest, że jednocześnie z parowaniem z powierzchni cieczy następuje kondensacja. Kondensacja następuje w wyniku tego, że część cząsteczek pary, poruszających się losowo nad cieczą, ponownie do niej powraca. Wiatr unosi cząsteczki wylatujące z cieczy i nie pozwala im powrócić.

Kondensacja może również wystąpić, gdy para nie ma kontaktu z cieczą. To właśnie kondensacja wyjaśnia na przykład powstawanie chmur: cząsteczki pary wodnej unoszące się nad ziemią, w zimniejszych warstwach atmosfery, grupują się w maleńkie kropelki wody, których nagromadzenie tworzy chmury. Kondensacja pary wodnej w atmosferze powoduje również powstawanie deszczu i rosy.

Podczas parowania ciecz ochładza się i staje się zimniejsza niż otoczenie, zaczyna absorbować swoją energię. Przeciwnie, podczas kondensacji do otoczenia uwalniana jest pewna ilość ciepła, a jego temperatura nieznacznie wzrasta. Ilość ciepła wydzielonego podczas skraplania jednostki masy jest równa ciepłu parowania.

Odparowanie- proces przejścia substancji ze stanu ciekłego w stan gazowy.

• Parowanie może nastąpić bezpośrednio ze stanu stałego – jest to tzw sublimacja(Lub sublimacja).

Nazywa się zbiór cząsteczek uwolnionych z substancji prom tej substancji.

Podczas waporyzacji zwiększają się średnie odległości pomiędzy cząsteczkami. W rezultacie wzrasta energia potencjalna oddziaływania cząstek (jej wartość liczbowa maleje, ale jest ujemna). Zatem proces parowania wiąże się ze wzrostem energii wewnętrznej substancji.

Przejście ze stanu ciekłego do stanu gazowego jest możliwe poprzez dwa różne procesy: parowanie i wrzenie.

Odparowanie- jest to parowanie zachodzące ze swobodnej powierzchni cieczy w dowolnej temperaturze.

Właściwości parowania

Doświadczalnie ustalono następujące właściwości parowania:

1. W tych samych warunkach różne substancje parują z różną szybkością (szybkość parowania zależy od liczby cząsteczek, które w ciągu 1 s przechodzą w parę z powierzchni substancji).
2. Szybkość parowania jest większa:
   1. im większa wolna powierzchnia cieczy;
   2. im mniejsza jest gęstość pary nad powierzchnią cieczy. Prędkość wzrasta wraz z ruchem otaczającego powietrza (wiatru);
   3. im wyższa temperatura cieczy.
3. Kiedy następuje parowanie, temperatura ciała spada.

Mechanizm parowania można wyjaśnić z punktu widzenia MKT: cząsteczki znajdujące się na powierzchni są utrzymywane przez siły przyciągające innych cząsteczek substancji. Cząsteczka może wylecieć z cieczy tylko wtedy, gdy jej energia kinetyczna przekracza pracę, jaką należy wykonać, aby pokonać siły przyciągania molekularnego ( funkcja pracy). Dlatego tylko szybkie cząsteczki mogą opuścić substancję. W rezultacie średnia energia kinetyczna pozostałych cząsteczek maleje, a temperatura cieczy spada. Aby utrzymać temperaturę parującej cieczy na niezmienionym poziomie, należy do niej dostarczyć pewną ilość ciepła.

Cząsteczki pary poruszają się chaotycznie. Dlatego część z nich może ponownie wrócić do cieczy. Proces przejścia substancji ze stanu gazowego w stan ciekły nazywa się kondensacja.

Im większe jest stężenie cząsteczek pary, a co za tym idzie, im większe jest ciśnienie pary nad cieczą, tym większa jest liczba cząsteczek powracających do cieczy w określonym czasie. Kondensacji pary towarzyszy ogrzewanie cieczy. Kondensacja uwalnia tę samą ilość ciepła, która została zużyta podczas parowania.

Wrzenie cieczy

Wrzenie- jest to parowanie, które zachodzi jednocześnie zarówno z powierzchni, jak i w całej objętości cieczy. Polega ona na tym, że liczne pęcherzyki unoszą się i pękają, powodując charakterystyczne wrzenie.

Jak pokazuje doświadczenie, wrzenie cieczy przy danym ciśnieniu zewnętrznym rozpoczyna się od ściśle określonej temperatury, która nie zmienia się w trakcie procesu wrzenia i może nastąpić dopiero wtedy, gdy w wyniku wymiany ciepła dostarczona zostanie energia z zewnątrz (rys. 3). ):

\(~Q = L \cdot m,\)

Gdzie L- ciepło właściwe parowania w temperaturze wrzenia.

Mechanizm wrzenia: ciecz zawsze zawiera rozpuszczony gaz, którego stopień rozpuszczenia maleje wraz ze wzrostem temperatury. Ponadto na ściankach naczynia znajduje się zaadsorbowany gaz. Gdy ciecz jest podgrzewana od dołu (ryc. 4), na ściankach naczynia zaczyna wydzielać się gaz w postaci pęcherzyków. Ciecz paruje w te bąbelki. Dlatego oprócz powietrza zawierają parę nasyconą, której ciśnienie szybko wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, a pęcherzyki zwiększają swoją objętość, a co za tym idzie, zwiększają się działające na nie siły Archimedesa. Kiedy siła wyporu staje się większa niż ciężar bańki, zaczyna ona unosić się w powietrzu. Ale dopóki ciecz nie zostanie równomiernie podgrzana, podczas jej wznoszenia objętość pęcherzyka maleje (prężność pary nasyconej zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury) i przed dotarciem do swobodnej powierzchni pęcherzyki znikają (zapadają się) (ryc. 4, a), co dlatego przed gotowaniem słychać charakterystyczny dźwięk. Kiedy temperatura cieczy się wyrówna, objętość pęcherzyka będzie wzrastać wraz ze wzrostem, ponieważ ciśnienie pary nasyconej nie zmienia się, a ciśnienie zewnętrzne działające na pęcherzyk, które jest sumą ciśnienia hydrostatycznego cieczy nad pęcherzykiem i ciśnienie atmosferyczne maleje. Bąbel dociera do wolnej powierzchni cieczy, pęka i wydobywa się para nasycona (ryc. 4, b) - ciecz wrze. Prężność pary nasyconej w pęcherzykach jest prawie równa ciśnieniu zewnętrznemu.

Nazywa się temperaturą, w której ciśnienie pary nasyconej cieczy jest równe ciśnieniu zewnętrznemu na jej swobodnej powierzchni temperatura wrzenia płyny.

Ponieważ prężność pary nasyconej wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, a podczas wrzenia musi być równa ciśnieniu zewnętrznemu, wówczas wraz ze wzrostem ciśnienia zewnętrznego wzrasta temperatura wrzenia.

Temperatura wrzenia zależy również od obecności zanieczyszczeń i zwykle wzrasta wraz ze wzrostem stężenia zanieczyszczeń.

Jeśli najpierw uwolnisz ciecz z rozpuszczonego w niej gazu, może ona ulec przegrzaniu, tj. ciepło powyżej temperatury wrzenia. Jest to niestabilny stan cieczy. Wystarczą małe wstrząsy, a ciecz wrze, a jej temperatura natychmiast spada do temperatury wrzenia.

Zobacz też

Literatura

1. Aksenovich L. A. Fizyka w szkole średniej: Teoria. Zadania. Testy: Podręcznik. dodatek dla placówek prowadzących kształcenie ogólne. środowisko, edukacja / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; wyd. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - s. 197-203.
2. Żyłko V.V. Fizyka: Podręcznik. dodatek dla klasy 11. ogólne wykształcenie szkoła z rosyjskiego język szkolenie / V.V. Zhilko, A.V. Lavrinenko, L.G. Markowicza. - Mn.: Nar. Asveta, 2002. – s. 194-203.

Wszystkie substancje mają trzy stany skupienia - stały, ciekły i gazowy, które pojawiają się w specjalnych warunkach.

Definicja 1

Przejście fazowe jest przejściem substancji z jednego stanu w drugi.

Przykładami takiego procesu są kondensacja i parowanie.

Jeśli stworzysz pewne warunki, możesz zamienić dowolny prawdziwy gaz (na przykład azot, wodór, tlen) w ciecz. Aby to zrobić, należy obniżyć temperaturę poniżej pewnego minimum, zwanego temperaturą krytyczną. Jest oznaczony od T do r. Zatem dla azotu wartość tego parametru wynosi 126 K, dla wody – 647,3 K, dla tlenu – 154,3 K. Utrzymując temperaturę pokojową, woda może utrzymywać zarówno stan gazowy, jak i ciekły, natomiast azot i tlen mogą pozostawać jedynie w stanie gazowym.

Definicja 2

Odparowanie- Jest to przejście fazowe substancji w stan gazowy z cieczy.

Teoria kinetyki molekularnej wyjaśnia ten proces stopniowym ruchem z powierzchni cieczy cząsteczek, których energia kinetyczna jest większa niż energia ich połączenia z resztą cząsteczek ciekłej substancji. W wyniku parowania zmniejsza się średnia energia kinetyczna pozostałych cząsteczek, co z kolei prowadzi do obniżenia temperatury cieczy, jeśli nie zostanie do niej dostarczone dodatkowe źródło energii zewnętrznej.

Definicja 3

Kondensacja to przejście fazowe substancji ze stanu gazowego do stanu ciekłego (proces odwrotny do parowania).

Podczas kondensacji cząsteczki pary powracają do stanu ciekłego.

Rysunek 3. 4. 1. Model parowania i kondensacji.

Jeśli naczynie zawierające ciecz lub gaz jest zatkane, wówczas jego zawartość może znajdować się w równowadze dynamicznej, tj. prędkość procesów kondensacji i parowania będzie taka sama (tyle cząsteczek wyparuje z cieczy, ile wróci z pary). System ten nazywa się dwufazowym.

Definicja 4

Para nasycona jest parą znajdującą się w stanie dynamicznej równowagi ze swą cieczą.

Istnieje związek pomiędzy liczbą cząsteczek parujących z powierzchni cieczy w ciągu jednej sekundy a temperaturą tej cieczy. Szybkość procesu kondensacji zależy od stężenia cząsteczek pary i prędkości ich ruchu termicznego, co z kolei jest również bezpośrednio zależne od temperatury. Możemy zatem stwierdzić, że gdy ciecz i jej para znajdują się w równowadze, o stężeniu cząsteczek będzie decydowała temperatura równowagi. Wraz ze wzrostem temperatury wymagane jest wysokie stężenie cząsteczek pary, aby parowanie i kondensacja miały jednakową prędkość.

Ponieważ, jak już ustaliliśmy, stężenie i temperatura będą determinować ciśnienie pary (gazu), możemy sformułować następujące stwierdzenie:

Definicja 5

Prężność pary nasyconej p 0 określonej substancji nie zależy od objętości, ale zależy bezpośrednio od temperatury.

Z tego powodu izotermy gazów rzeczywistych w płaszczyźnie obejmują fragmenty poziome, które odpowiadają układowi dwufazowemu.

Rysunek 3. 4. 2. Izotermy gazu rzeczywistego. Region I to ciecz, obszar I I to układ dwufazowy „ciecz + para nasycona”, obszar I I I to substancja gazowa. K – punkt krytyczny.

Jeśli temperatura wzrośnie, zarówno prężność pary nasyconej, jak i jej gęstość wzrosną, ale przeciwnie, gęstość cieczy zmniejszy się z powodu rozszerzalności cieplnej. Po osiągnięciu przez daną substancję temperatury krytycznej następuje wyrównanie gęstości cieczy i gazu, a po przekroczeniu tego punktu zanikają różnice fizyczne pomiędzy parą nasyconą i cieczą.

Weźmy parę nasyconą i skompresujmy ją izotermicznie w temperaturze T< T к р. Его давление будет постепенно возрастать, пока не сравняется с давлением насыщенного пара. Постепенно на дне сосуда появится жидкость, и между ней и ее насыщенным паром возникнет динамическое равновесие. По мере уменьшения объема будет происходить конденсация все большей части пара при неизменном давлении (на изотерме это состояние соответствует горизонтальному участку). После того, как весь пар перейдет в жидкое состояние, давление начнет резко увеличиваться при дальнейшем уменьшении объема, поскольку жидкость сжимается слабо.

Aby dokonać przejścia z gazu w ciecz, nie jest konieczne przechodzenie przez obszar dwufazowy. Proces można także przeprowadzić z pominięciem punktu krytycznego. Na obrazku opcja ta jest pokazana linią przerywaną A B C.

Rysunek 3. 4. 3. Model izotermiczny gazu rzeczywistego.

Powietrze, którym oddychamy, zawsze zawiera parę wodną pod pewnym ciśnieniem. Ciśnienie to jest zwykle niższe niż ciśnienie pary nasyconej.

Definicja 6

Wilgotność względna jest stosunkiem ciśnienia cząstkowego do ciśnienia pary wodnej nasyconej.

Można to zapisać jako wzór:

φ = p p 0 · 100 % .

Do opisu pary nienasyconej można także zastosować równanie stanu gazu doskonałego, uwzględniając typowe dla gazu rzeczywistego ograniczenia: niezbyt wysokie ciśnienie pary (p ≤ (10 6 - 10 7) Pa) oraz a temperaturę wyższą od wartości określonej dla każdej konkretnej substancji.

Do opisu pary nasyconej mają zastosowanie prawa gazu doskonałego. Jednakże ciśnienie dla każdej temperatury należy wyznaczyć z krzywej równowagi dla danej substancji.

Im wyższa temperatura, tym wyższe ciśnienie pary nasyconej. Zależności tej nie można wyprowadzić z praw gazu doskonałego. Zakładając stałe stężenie cząsteczek, ciśnienie gazu będzie stale rosło wprost proporcjonalnie do temperatury. Jeśli para jest nasycona, to wraz ze wzrostem temperatury wzrośnie nie tylko stężenie, ale także średnia energia kinetyczna cząsteczek. Wynika z tego, że im wyższa temperatura, tym szybciej wzrasta prężność pary nasyconej. Proces ten zachodzi szybciej niż wzrost ciśnienia gazu doskonałego, pod warunkiem, że stężenie w nim cząsteczek pozostaje stałe.

Co się gotuje

Wskazaliśmy powyżej, że parowanie zachodzi głównie z powierzchni, ale może również zachodzić z głównej objętości cieczy. Każda substancja ciekła zawiera małe pęcherzyki gazu. Jeśli ciśnienie zewnętrzne (tj. ciśnienie w nich gazu) zostanie wyrównane z ciśnieniem pary nasyconej, wówczas ciecz wewnątrz pęcherzyków odparuje, a one zaczną wypełniać się parą, rozszerzać i unosić się na powierzchni. Proces ten nazywa się gotowaniem. Zatem temperatura wrzenia zależy od ciśnienia zewnętrznego.

Definicja 7

Ciecz zaczyna wrzeć w temperaturze, w której ciśnienie zewnętrzne i ciśnienie jej nasyconych par są równe.

Jeśli ciśnienie atmosferyczne jest normalne, do zagotowania wody potrzebna jest temperatura 100 ° C. W tej temperaturze ciśnienie nasyconej pary wodnej będzie równe 1 a t m. Jeśli gotujemy wodę w górach, to z powodu spadek ciśnienia atmosferycznego temperatura wrzenia spadnie do 70 ° C.

Ciecz może zagotować się tylko w otwartym pojemniku. Jeśli zostanie hermetycznie zamknięty, równowaga pomiędzy cieczą a jej nasyconą parą zostanie zakłócona. Możesz sprawdzić temperaturę wrzenia przy różnych ciśnieniach, korzystając z krzywej równowagi.

Powyższy obrazek przedstawia procesy przejść fazowych - kondensację i parowanie z wykorzystaniem izotermy gazu rzeczywistego. Ten schemat jest niekompletny, ponieważ substancja może również przyjąć stan stały. Osiągnięcie równowagi termodynamicznej pomiędzy fazami substancji w danej temperaturze jest możliwe tylko przy określonym ciśnieniu w układzie.

Definicja 8

Krzywa równowagi fazowej jest zależnością pomiędzy ciśnieniem równowagowym i temperaturą.

Przykładem takiej zależności może być krzywa równowagi pomiędzy cieczą a parą nasyconą. Jeśli skonstruujemy krzywe przedstawiające równowagę między fazami jednej substancji na płaszczyźnie, wówczas zobaczymy pewne obszary odpowiadające różnym stanom skupienia substancji - ciekłym, stałym, gazowym. Krzywe wykreślone w układzie współrzędnych nazywane są diagramami fazowymi.

Rysunek 3. 4. 4. Typowy diagram fazowy substancji. K – punkt krytyczny, T – punkt potrójny. Obszar I jest ciałem stałym, obszar I I jest cieczą, obszar I I I jest substancją gazową.

Równowagę pomiędzy fazą gazową i stałą substancji odzwierciedla tzw. krzywa sublimacji (na rysunku oznaczona jako 0 T), pomiędzy parą a cieczą – krzywą parowania, która kończy się w punkcie krytycznym. Krzywa równowagi między cieczą a ciałem stałym nazywana jest krzywą topnienia.

Definicja 9

Potrójny punkt– jest to punkt, w którym zbiegają się wszystkie krzywe równowagi, tj. Możliwe są wszystkie fazy materii.

Wiele substancji osiąga punkt potrójny przy ciśnieniu mniejszym niż 1 a t m ≈ 10 5 Pa. Topią się po podgrzaniu pod ciśnieniem atmosferycznym. Zatem w pobliżu wody punkt potrójny ma współrzędne T t r = 273,16 K, p t r = 6,02 10 2 P a. Na tym opiera się skala temperatury bezwzględnej Kelvina.

W przypadku niektórych substancji punkt potrójny osiąga się przy ciśnieniu powyżej 1 atm.

Przykład 1

Na przykład dwutlenek węgla wymaga ciśnienia 5,11 a t m i temperatury T tr = 216,5 K. Jeśli ciśnienie jest równe atmosferycznemu, to aby utrzymać go w stanie stałym, potrzebna jest niska temperatura i przejście do stanu ciekłego staje się niemożliwe. Dwutlenek węgla znajdujący się w równowadze z parą pod ciśnieniem atmosferycznym nazywany jest suchym lodem. Substancja ta nie jest w stanie się stopić, może jedynie odparować (sublimować).

Jeśli zauważysz błąd w tekście, zaznacz go i naciśnij Ctrl+Enter