P, T – діаграма при фазових переходах рідини і газу

Відомо, що будь-яка речовина в залежності від тиску і температури може знаходитися в різних агрегатних станах (фазах): газоподібному, рідкому і твердому. Речовини в різних агрегатних станах мають різні властивості, що порозумівається характером міжмолекулярної взаємодії. Перехід речовини з одного агрегатного стану в інший, співіснуючий з першим, зветься фазовим переходом або фазовим перетворенням. Відмінною рисою фазових переходів є стрибкоподібна зміна густини, питомої ентропії й інших властивостей речовин. Фазові переходи можуть проходити з поглинанням або виділенням теплоти. Перехід речовини з однієї фази в іншу, який відбувається при Т=const і p=const до повного зникнення цієї фази, зветься рівноважним фазовим переходом. Рівноважний стан термодинамічної системи, який складається з двох чи більшого числа фаз, зветься фазовою рівновагою. Фазовий перехід з рідкого чи газоподібного стану в кристалічний зветься кристалізацією, а зворотний перехід із кристалічного стану в рідкий – плавленням, а безпосередньо в газоподібний (пароподібний) зветься сублімацією, а зворотний перехід – десублімацією. Фазовий перехід речовини з рідкого стану в стан пари зветься паротворенням, а зворотний перехід з пароподібного стану в рідкий (чи кристалічний) – конденсацією.

На мал. 9.2 приведена р,Т – діаграма стану води з нанесеними на ній кривими фазових переходів.

З малюнка видно, що криві АВ, АК, АД поділяють р, Т – діаграму на три області: 1 – область рідкого стану (вода), 2– область пароподібного стану (пара), 3 – область твердого стану – лід. Крива АВ характеризує рівноважний стан рідкої і твердої фаз. Вона визначає залежність температури плавлення від тиску і розділяє області твердого і рідкого станів. Ця крива зветься кривою плавлення. Крива АК являє собою криву кипіння (конденсації), яка характеризує стан рідкої і парової фаз, тобто залежність між тиском насиченої пари і температурою кипіння р=f (ts). Криву кипіння звичайно називають кривою або лінією

Мал. 9.2насичення. Лінія АД, яка є кривою сублімації, характеризує рівноважний стан твердої і парової фаз, тобто залежність між тиском насиченої пари і температурою сублімації і сублімації р=f (ts). Крапки на цій кривій відповідають двофазній системі лід - пар. Крапка А перетинання трьох кривих фазової рівноваги являє собою потрійну крапку, у якій одночасно співіснують три фази: вода, пара і лід. Вид кривих АВ, АК і АД і їхнє розташування на р,Т – діаграмі залежить від природи речовини. Для води крива плавлення АВ, унаслідок її аномальних властивостей, має нахил уліво, тобто з підвищенням тиску температура плавлення льоду зменшується.

Крім того, на мал. 9.2 показане як змінюється стан речовини, якщо її нагріти при постійному тиску р₁ (р₁> ра). Ізобара р₁-а-в-д характеризує процес переходу твердої речовини в перегріту пару. На ділянці ізобари р₁-а відбувається нагрівання твердої речовини. У точці (а) на кривій плавлення АВ вона перетворюється в рідину. Температура, при якій здійснюється це фазове перетворення, зветься температурою плавлення, а кількість підведеної теплоти – схованою теплотою плавлення. Відрізок ізобари а-в характеризує процес нагрівання рідини. У точці (в), розташованої на кривій АК, рідина перетворюється в пару. Подальше просування по ізобарі від крапки (в) до крапки (д) відповідає нагріванню пари. У крапці (д) знаходиться перегріта пара.

З р, Т – діаграми видно, що крива насичення АК у верхній частині закінчується критичною крапкою К. Вище критичної крапки перехід з рідкого стану в пару відбувається безпосередньо, минаючи стадію двофазного стану.

З цієї ж діаграми видно, що при Т>Ткр ніяким ізотермічним стисненням неможливо перевести пару в рідину. Якщо нагрівання твердої речовини проводити по ізобарі р₂-е-м (р₂<р_а), то при температурі Т₂ (крапка е на кривій АД) речовина переходить із твердого стану в газоподібний, минаючи рідину.

На мал. 9.3 приведені фазові стани речовини в р, v - , Т, v - , p, S - і T, S – діаграмах. На цих діаграмах область рівноваги двох фаз зображується не однією лінією, (як у р,Т – діаграмі), а являє собою відповідні площі діаграми, розділені лініями, які звуться прикордонними кривими.

Мал. 9.3

На приведених діаграмах область 1 являє собою тверду фазу, область 2 – рівноважний стан твердої і рідкої фаз, 3 – рідку фазу, 4 – рівноважний стан рідкої і газоподібної фаз, область 5 – газоподібну фазу, 6 – рівноважний стан твердої і газоподібної фаз, відрізок б-с-д – стан, який відповідає потрійній крапці, тобто в p, v - , T, v – і p, S - , T, S – діаграмах потрійна крапка виявляється розгорнутою в лінію. Крапка К є критичною крапкою речовини, лінії с-к і К-д – лівою і правою прикордонними кривими двофазної області рідина – пар. Лінія с-к зветься прикордонною кривою рідини. У кожній крапці цієї кривої рідина знаходиться в рівновазі зі своєю насиченою парою, масова частка рідини дорівнює одиниці. Насичена пара– це пар, який знаходиться в рівноважному стані з рідиною, з якої він утворився. Крива К-д – прикордонна крива пари. У кожній крапці цієї кривої масова частка пари дорівнює одиниці. Відрізки б-м і с-н – криві двофазної області тверда фаза – рідина (крива плавлення). Відрізки а-б і д-і – криві двофазної області тверда фаза – пар (крива сублімації).

ЛЕКЦІЯ 10