Судың күйінің диаграммасы және фазалар ережесі. Бір компонентті жүйелер Фазалық диаграмманың элементтері
Судың күйі температура мен қысымның кең диапазонында зерттелді. Жоғары қысымда мұздың кем дегенде он кристалдық модификациясының болуы анықталды. Ең көп зерттелген мұз I – табиғатта кездесетін мұздың жалғыз модификациясы.
Заттың әртүрлі модификацияларының болуы – полиморфизм – күй диаграммаларының күрделенуіне әкеледі.
Координаталардағы судың фазалық диаграммасы Р - Т 6-суретте көрсетілген. Ол 3-тен тұрады фазалық өрістер- әртүрлі аумақтар Р, Т- судың белгілі бір фаза түрінде болатын мәндері - мұз, сұйық су немесе бу (суретте сәйкесінше L, F және P әріптерімен көрсетілген). Бұл фазалық өрістер 3 шекаралық қисықпен бөлінген.
AB қисығы – булану қисығы, тәуелділікті өрнектейді температурадан сұйық судың бу қысымы(немесе, керісінше, судың қайнау температурасының қысымға тәуелділігін білдіреді). Басқаша айтқанда, бұл сызық екі фазалы тепе-теңдікке сәйкес келеді
сұйық су - бу, ал фазалық ережені пайдаланып есептелген еркіндік дәрежесінің саны МЕН= 3 - 2 = 1. Бұл тепе-теңдік деп аталады моновариантты. Бұл жүйенің толық сипаттамасы үшін тек анықтау жеткілікті екенін білдіреді бір айнымалы- температура немесе қысым, өйткені берілген температура үшін бір ғана тепе-теңдік қысымы және берілген қысым үшін бір ғана тепе-теңдік температурасы болады.
АВ сызығынан төмен нүктелерге сәйкес келетін қысымдар мен температураларда сұйықтық толығымен буланады және бұл аймақ бу аймағы болып табылады. Берілген бір фазалы аймақтағы жүйені сипаттау үшін екі тәуелсіз айнымалы қажет: температура және қысым ( МЕН = 3 - 1 = 2).
АВ сызығынан жоғары нүктелерге сәйкес келетін қысымдар мен температураларда бу толығымен конденсацияланып, сұйықтыққа айналады ( МЕН= 2). АВ булану қисығының жоғарғы шегі В нүктесінде болады, ол критикалық нүкте деп аталады (су үшін 374,2ºС және 218,5). атм.). Осы температурадан жоғары сұйық және бу фазалары ажыратылмайды (сұйық/бу интерфейсі жоғалады), сондықтан Ф = 1.
AC сызығы - бұл мұз сублимация қисығы (кейде сублимация сызығы деп аталады), тәуелділікті көрсететін температурадағы мұз үстіндегі су буының қысымы. Бұл сызық моновариантты тепе-теңдік мұз ↔ буға сәйкес келеді ( МЕН=1). Айнымалы ток сызығының үстінде мұз аймағы, төменде бу аймағы орналасқан.
AD сызығы – балқу қисығы, тәуелділікті өрнектейді мұздың еру температурасы қысымға қарсыжәне моновариантты тепе-теңдік мұз ↔ сұйық суға сәйкес келеді. Көптеген заттар үшін AD сызығы вертикальдан оңға қарай ауытқиды, бірақ судың мінез-құлқы
6-сурет. Судың фазалық диаграммасы
аномальді: сұйық су мұзға қарағанда аз көлемді алады. Қысымның жоғарылауы тепе-теңдіктің сұйықтықтың пайда болуына қарай ығысуын тудырады, яғни. мұздату температурасы төмендейді.
Мұздың жоғары қысымда еру қисығының жүруін анықтау үшін Бридгман алғаш рет жүргізген зерттеулер біріншісін қоспағанда, мұздың барлық бар кристалдық модификациялары судан тығызырақ екенін көрсетті. Сонымен, AD сызығының жоғарғы шегі D нүктесі болып табылады, мұнда мұз I (қарапайым мұз), III мұз және сұйық су тепе-теңдікте қатар өмір сүреді. Бұл нүкте -22ºС және 2450 атм.
Ауа жоқ кезде судың үштік нүктесі (үш фазаның тепе-теңдігін көрсететін нүкте – сұйық, мұз және бу) 0,0100ºС ( Т = 273,16Қ) және 4,58 мм сын. бағ. Еркіндік дәрежелерінің саны МЕН= 3-3 = 0 және мұндай тепе-теңдік инвариантты деп аталады.
, , , , 21 , , , , 25-26 /2003
§ 5.5. Су және су диаграммасы
(жалғасы)
Физикалық химияда туындылар тұрғысынан ең маңызды және өте күрделілердің бірі фазалық тепе-теңдік заңы болып табылады, ол да деп аталады. Гиббс фазалық ережесі
. Бұл ережемен тек судың фазалық күйлерінің мысалы арқылы танысамыз.
Су күйі диаграммасының кез келген өрісіне (5.11-сурет) қандай да бір температура мен қысымға сәйкес нүкте қойыңыз. Осы нүктеден сызбаның қисығымен қиылысқанша көрсеткі түрінде көлденең сызық сызыңыз. Осы көрсеткі бойымен қозғалатын температураны өзгертсеңіз, бар фаза өзгермейді (қисық қиылыспайынша).
Күріш. 5.11.
|
Енді сол нүктеден тік бағытта бірдей түзу сызықты көрсеткі түрінде сызыңыз. Осы түзу сызық бойымен қозғалыс (тұрақты температурада) қысымның өзгеруіне сәйкес келеді, ол берілген фазаның жоғалуына және басқасының пайда болуына әкелмейді.
Сол нүктеден (немесе сол өрістің кез келген басқа нүктесінен) координаталық осьтерге кез келген бұрышқа бағытталған түзу жүргізуге болады. Күй диаграммасының қисығымен қиылысқанша осындай түзу бойымен қозғалу берілген өрістің фазасы болған жағдайда температура мен қысымның бір мезгілде өзгеру мүмкіндігін білдіреді. Осылайша, фазалардың түрі мен санын өзгертпей, өрістегі температура мен қысымды бір уақытта өзгертуге болады. Біз өрісте жүйенің шарттардың санына (температура мен қысым) сәйкес екі еркіндік дәрежесі бар деп айтамыз, оны мұз, сұйық немесе бу сияқты фазалардың түрі мен санын өзгертпестен өзгертуге болады.
С еркіндік дәрежелерінің саны - фазалардың саны мен түрін өзгертпей, белгілі бір шектерде өзгертуге болатын жағдайлар саны.
Сіз суды бөлме температурасынан, айталық, әртүрлі күндері қысым өзгерген кезде 80 ° C-қа дейін қыздырасыз, бірақ температура мен қысым бір уақытта өзгерсе де, сұйықтық сұйық күйінде қалады. Бұл жағдайда жүйе екі еркіндік дәрежесіне ие, яғни С = 2.
Енді, мысалы, сұйық пен бу арасындағы тепе-теңдік диаграммасының қисығына нүкте қойыңыз (5.11-суретті қараңыз). Сұйық су мен бу кейбір әртүрлі температуралар мен қысымдарда тепе-теңдікте болуы мүмкін, бірақ әрбір температура қатаң белгіленген қысымға сәйкес келеді, және керісінше, әрбір қысымға екі фаза қатар жүретін қатаң белгіленген температура сәйкес келеді. Бұл жағдайда жүйенің бір еркіндік дәрежесі бар деп айтамыз, яғни С = 1.
Енді үштік О нүктесіне тоқталайық, онда қатаң белгіленген температура мен қысымда тепе-теңдікте үш фаза – мұз, сұйық және бу қатар өмір сүреді. Үштік нүкте температура мен қысымның біртұтас комбинациясымен сипатталады, сондықтан үштік нүктенің температурасы Кельвин градусындағы абсолютті температура үшін бастапқы нүкте ретінде таңдалды (273,16 К). Қысымды немесе температураны аздап өзгерткен кезде, фазалардың біреуі немесе екеуі бірден екіншісіне айналады, ал жүйе екі немесе бір фазалы болады - біз өзімізді сәйкес қисық немесе өрісте табамыз. Бір сөзбен айтқанда, үштік нүктеде жүйенің бір еркіндік дәрежесі болмайды, яғни С = 0.
Жүйелердің фазалық күйін (тек су ғана емес!) зерттегенде, берілген шарттардағы еркіндік дәрежелерінің санын білу өте маңызды, өйткені ол жаңа фазалардың пайда болуынан қорықпай қанша тепе-теңдік шарттарын өзгертуге болатынын болжауға мүмкіндік береді. барлардың жойылуы.
Тепе-теңдік термодинамикалық жүйенің С еркіндік дәрежелерінің саны Гиббс фазалық ережесі бойынша есептеледі және жүйенің құрамдас бөліктерінің санына K минус фазалар санын Ф плюс факторлардың санына тең. nтепе-теңдікке әсер етеді:
C = K – F + n.
Мұнда қатаң ғылыми физикалық немесе химиялық әдебиеттерде берілген Гиббс фазалық ережесінің тұжырымы берілген, сондықтан, мүмкін, кейбір терминдерді түсіндіру керек.
Жүйе компоненттері
– бұл жүйеден оқшауланатын және жеке түрде болуы мүмкін компоненттер. Су жүйенің құрамдас бөлігі болып табылады, бірақ су иондары немесе сулы ерітіндідегі басқа иондар компоненттер болып саналмайды, өйткені олар оқшауланбайды және жеке болмайды. Таза су – бір компонентті жүйе.
Егер NaCl ас тұзының судағы ерітіндісін дайындайтын болсақ, онда жүйе су H 2 O, натрий иондары Na + және хлорид иондары Cl – (және, әрине, сутегі иондары H + және гидроксид иондары OH – өте түзілген) тұрады. судың диссоциациясы кезінде аз мөлшерде). Бірақ жүйе екі компонентті болады [H 2 O + NaCl], өйткені сұйық су мен кристалды натрий хлориді NaCl ерітіндіден жеке оқшаулануы мүмкін.
Тепе-теңдікке әсер ететін факторлар
, біз бұрын жүйенің өмір сүру шарттары деп атадық. Су күйінің қарастырылған диаграммасы үшін фазалардың пайда болуына және болуына екі фактор әсер етеді - температура мен қысым, n= 2. Бұл жағдайда фаза ережесінің формуласы келесідей болады:
C = K – F + 2.
Көп жағдайда зертханалық жұмыстарда тәжірибелер тұрақты (атмосфералық) қысымда жүргізіледі, сондықтан тепе-теңдікке әсер ететін фактордың рөлін тек температура ғана атқарады, т.б. n= 1. Бұл жағдайда фаза ережесінің формуласы:
C = K – F + 1.
Соңғы уақытта электромагниттік және гравитациялық өрістердің және көптеген басқа факторлардың тепе-теңдікке әсері ашылды. Бірақ қарапайым ғылыми жұмыста бұл факторлар ескерілмейді.
Енді келесі ойлау экспериментін орындайық, дегенмен оны іс жүзінде жасау өте оңай. Судың күйінің диаграммасы бар оқулық бетін ашыңыз, үштік нүктеден жоғары және критикалық нүктеден төмен орналасқан диаграмманың мұз алаңының кез келген нүктесін таңдаңыз. Біз тәжірибені тұрақты қысымда жүргіземіз, сондықтан факторлар саны n= 1. Формула арқылы еркіндік дәрежесінің саны есептеледі
C = K – F + 1.
Фазалық диаграммадағы тұрақты қысымда қыздыру көлденең түзу бойымен оңға, сұйық өріске қарай жылжу арқылы көрінеді. Бұл түзу сызық қисық сызықты қиып өтпес бұрын, еркіндік дәрежесінің саны бар бір фазалы, бір компонентті жүйені сипаттайды:
C = 1 – 1 + 1 = 1.
Бұл температураны өзгерту арқылы біз жүйеде бірдей фазаны сақтаймыз және ол мұздың еру температурасының қысымға тәуелділік қисығын түзу сызық қиып өткенше мұз болып қала береді дегенді білдіреді.
Енді эксперимент нәтижелерін көрсету үшін «уақыт – температура» графигін саламыз (5.12-сурет). Температураны арттыра отырып, мұз алаңы арқылы қозғалған кезде ол қызады, бірақ ерімейді. Бұл графикте мұз температурасының жоғарылауы түзу сызықпен берілген А, жоғары көтеріледі.
Бұл ретте мұз өрісі бойымен түзу сызық бойымен сұйық су өрісіне дейін ілгерілеу үшін су күйінің диаграммасын (5.11-суретті қараңыз) орындаңыз. Соңында мұздың температурасы еру температурасы мен қысым қисығындағы мәнге жетті. Содан кейін мұз ери бастайды, ал жүйе екі фазалы болады (мұз және сұйық). Осы қисықтың кез келген нүктесімен байланысты еркіндік дәрежелерінің саны мынаған тең:
C = 1 – 2 + 1 = 0.
Мұнда жүйенің еркіндік дәрежесі жоқ! Бұл су мен мұз қоспасына қанша жылу қосылса да, сұйықтықта мұздың ең кішкентай бөлігі болса да, оның температурасы тұрақты болып қалады (0 ° C). Уақыт-температура графигінде (5.12-суретті қараңыз) мұздың еруі көлденең сызықпен көрсетілген. б, өйткені жүйенің еркіндік дәрежесі жоқ.
Ғылыми әдебиеттерде мұндай көлденең сызық платформа деп аталады, ол жүйедегі тұрақты температураны және еркіндік дәрежелерінің жоқтығын көрсетеді. Енді сіз мұз бен су қоспасын 0 °C-тан жоғары қыздыруға болмайтынын түсіндіңіз бе?
Ақырында барлық мұз сұйық суға айналды. Жүйеге берілген жылу енді суды жылытуға жұмсалады. Су диаграммасын қайта қараңыз. Қазір біз сұйық су өрісіндеміз және оның температурасы көтерілген сайын біз газ өрісіне қарай жылжып келеміз. Уақыт-температура графигінде түзу сызық пайда болады В, сұйықтықтың температурасы көтерілген сайын жоғары көтеріледі. Бұл фазалық ережемен шешіледі, өйткені бір фазалы жүйенің бір еркіндік дәрежесі бар:
C = 1 – 1 + 1 = 1.
Жүйе температурасы су буының қысымының температураға тәуелділік қисығымен күй диаграммасындағы көлденең сызықтың қиылысуына сәйкес мәнге көтерілді. Су қайнай бастады. Жүйе екі фазалы болды, еркіндік дәрежесінің саны қайтадан нөлге тең:
C = 1 – 2 + 1 = 0.
Уақыт-температура графигінде көлденең бөлім пайда болады Г, яғни жаңа сайт және 100 °C температурасы сұйықтықтың соңғы тамшысы буланғанша (қайнап кеткенше) тұрақты болады.
Сұйық су толығымен газға айналды. Берілген жылу газ тәрізді суды жылытуға жұмсалады. Біз судың фазалық диаграммасы бойынша (5.11-суретті қараңыз) газ өрісі арқылы қозғаламыз. Жүйенің бір еркіндік дәрежесі бар, ол графикте жоғары түзу сызықпен көрсетіледі г(5.12-суретті қараңыз).
Егер сіз күй диаграммасының не екенін түсінсеңіз және Гиббс фазалық ережесінің қалай қолданылатынын көрген болсаңыз, мысалы, «алтын - мыс», «алтын - күміс» және басқа да күрделі күй диаграммаларын өз бетіңізше түсіне аласыз. әртүрлі қорытпалардың құрамы туралы сұраққа жауап беруге көмектеседі.
Жаңа және ұмытылған ұғымдар мен сөздердің тізімі
Судың жағдайлары.
Су үш агрегаттық күйде немесе фазада болуы мүмкін: қатты (мұз), сұйық (судың өзі), газ тәрізді (су буы). Жерде іс жүзінде бар атмосфералық қысым мен температура диапазондарын ескере отырып, судың бір уақытта әртүрлі агрегаттық күйде болуы өте маңызды. Бұл жағынан судың табиғи жағдайда негізінен қатты (минералдар, металдар) немесе газ тәрізді (O 2, N 2, CO 2 және т.б.) күйінде кездесетін басқа физикалық заттардан айтарлықтай ерекшеленеді.
Заттың агрегаттық күйінің өзгеруін фазалық ауысулар деп атайды. Бұл жағдайларда заттың қасиеттері (мысалы, тығыздық) күрт өзгереді. Фазалық ауысулар фазалық ауысу жылуы («жасырын жылу») деп аталатын энергияның бөлінуімен немесе жұтылуымен бірге жүреді.
Судың агрегаттық күйінің қысым мен температураға тәуелділігі судың күй диаграммасымен немесе фазалық диаграммамен көрсетіледі (5.1.1. сурет).
5.1.1-суреттегі BB"O қисығы балқу қисығы деп аталады. Осы қисық арқылы солдан оңға қарай өткенде балқу жүреді.
Күріш. 5.1.1. Су диаграммасы
I – VIII – мұздың әртүрлі модификациялары
мұз, ал оңнан солға қарай – мұз түзілуі (судың кристалдануы). OK қисығы булану қисығы деп аталады. Бұл қисық сызықтан өткенде солдан оңға қарай судың қайнауы, ал оңнан солға қарай су буының конденсациялануы байқалады. AO қисығы сублимация қисығы немесе сублимация қисығы деп аталады. Оны солдан оңға кесіп өткенде мұз буланады (сублимация), ал оңнан солға қарай қатты фазаға конденсация (немесе сублимация) жүреді.
О нүктесінде (үштік нүкте деп аталады, қысым 610 Па және 0,01 ° C немесе 273,16 К температурада) су бір уақытта агрегацияның барлық үш күйінде болады.
Мұз еріген (немесе су кристалданатын) температура температура немесе балқу нүктесі T пл деп аталады. Бұл температураны температура немесе қату нүктесі Т суб деп те атауға болады.
Су бетінен, сондай-ақ мұз бен қардан молекулалардың белгілі бір саны үнемі жұлынып, ауаға тасымалданады, су буының молекулаларын құрайды. Сонымен бірге су буының молекулаларының бір бөлігі судың, қардың және мұздың бетіне қайта оралады. Егер бірінші процесс басым болса, онда судың булануы жүреді, екінші процесс болса, су буы конденсацияланады. Бұл процестердің бағыты мен қарқындылығын реттеуші ылғалдылық тапшылығы - берілген ауа қысымы мен су бетінің температурасы (қар, мұз) кезінде кеңістікті қанықтыратын су буының икемділігі мен су буының икемділігі арасындағы айырмашылық. шын мәнінде ауада қамтылған, яғни. ауаның абсолютті ылғалдылығы. Ауадағы қаныққан су буының мөлшері және оның серпімділігі температураның жоғарылауымен (қалыпты қысымда) төмендегідей артады. O°C температурада қаныққан су буының мөлшері мен серпімділігі сәйкесінше 4,856 г/м3 және 6,1078 гПа, 20°С температурада – 30,380 г/м3 және 23,373 гПа, 40°С – 51,127 г/ құрайды. м3 және 73,777 гПа.
Су бетінен (мұз, қар), сондай-ақ ылғалды топырақтан булану кез келген температурада жүреді және ол неғұрлым қарқынды болса, ылғал тапшылығы соғұрлым көп болады. Температураның жоғарылауымен кеңістікті қанықтыратын су буының серпімділігі артады, ал булану жылдамдайды. Буланудың ұлғаюы сонымен қатар булану бетіндегі ауа қозғалысының жылдамдығының (яғни, табиғи жағдайда жел жылдамдығының) ұлғаюына, тік массаның және жылу берудің қарқындылығын арттыруға әкеледі.
Қарқынды булану судың бос бетін ғана емес, сонымен бірге оның қалыңдығын да жабады, онда пайда болатын көпіршіктердің ішкі бетінен булану жүреді, қайнау процесі басталады. Қаныққан су буының қысымы сыртқы қысымға тең болатын температура температура немесе қайнау температурасы T bp деп аталады.
Қалыпты атмосфералық қысымда (1,013 105 Па = 1,013 бар = 1 атм = 760 мм рт.ст.), судың қату нүктелері (мұздың балқуы) және қайнау нүктелері (конденсация) Цельсий шкаласы бойынша 0 және 100 ° сәйкес келеді.
Tzam қату және судың қайнау температурасы Tbip қысымға байланысты (3.9.2. суретті қараңыз). Қысымның 610-нан 1,013 105 Па (немесе 1 атм) өзгеруі диапазонында мұздату температурасы аздап төмендейді (0,01-ден 0 ° C-қа дейін), содан кейін қысым шамамен 6 107 Па (600 атм) T мұздату температурасы төмендейді. -5 ° C дейін, қысымның 2,2 108 Па (2200 атм) жоғарылауымен Tdz -22 ° C дейін төмендейді. Қысымның одан әрі жоғарылауымен Tdz тез өсе бастайды. Өте жоғары қысымда мұздың ерекше «модификациялары» (II-VIII) түзіледі, олар өздерінің қасиеттері бойынша кәдімгі мұздан (I мұз) ерекшеленеді.
Жердегі нақты атмосфералық қысым кезінде тұщы су шамамен 0 ° C температурада қатып қалады. Мұхиттағы максималды тереңдікте (шамамен 11 км) қысым 108 Па-дан асады, немесе 1000 атм (әрбір 10 м сайын тереңдіктің артуы артады). қысымды шамамен 105 Па немесе 1 атм). Бұл қысымда тұщы судың қату температурасы шамамен -12°С болады.
Судың қату температурасын төмендету үшін
оның тұздылығы әсер етеді.
1.4). Әрбір 10‰ үшін тұздылықтың жоғарылауы Т шамамен 0,54°С төмендейді:
Т орынбасары = -0,054 С.
Қайнау температурасы қысымның төмендеуімен төмендейді (3.9.2. суретті қараңыз). Сондықтан, таулардағы жоғары биіктікте су 100 ° C төмен температурада қайнайды. Қысымның жоғарылауымен T қайнауы р = 2,2 107 Па және T қайнау = 374 ° болғанда «сыни нүкте» деп аталатынға дейін артады. C, су бір уақытта сұйық және газ қасиеттеріне ие.
Су күйінің диаграммасы судың екі «аномалиясын» бейнелейді, олар жердегі судың «мінезіне» ғана емес, сонымен бірге жалпы планетаның табиғи жағдайларына шешуші әсер етеді. Менделеевтің периодтық жүйесіндегі оттегімен бір қатарда орналасқан элементтермен сутегі қосылыстары болып табылатын заттармен салыстырғанда – теллур Te, селен Se және күкірт S судың қату және қайнау температуралары әдеттен тыс жоғары. Мұздату және қайнау температуралары мен аталған заттардың массалық саны арасындағы табиғи қатынасты ескере отырып, судың қату температурасы шамамен -90°С және қайнау температурасы -70°C шамасында болады деп күтуге болады. Қалыпты емес жоғары мәндер мұздату және қайнау температуралары жер бетінде судың қатты және сұйық күйде болуы мүмкіндігін алдын ала анықтайды және жердегі негізгі гидрологиялық және басқа да табиғи процестердің айқындаушы шарттары болып табылады.
Судың тығыздығы
Тығыздық кез келген заттың ең маңызды физикалық сипаттамасы болып табылады. Ол көлем бірлігіндегі біртекті заттың массасын көрсетеді:
мұндағы m – масса, V – көлем. p тығыздығы кг/м3 өлшеміне ие.
Судың тығыздығы, басқа заттар сияқты, ең алдымен температура мен қысымға (және табиғи сулар үшін де еріген және ұсақ дисперсті қалқымалы заттардың құрамына) тәуелді және фазалық ауысулар кезінде күрт өзгереді.Температураның жоғарылауымен судың тығыздығы, мысалы кез келген басқа зат , температураның өзгеруі диапазонының көпшілігінде төмендейді, бұл температураның жоғарылауымен молекулалар арасындағы қашықтықтың ұлғаюымен байланысты. Бұл заңдылық мұз еріген кезде және суды 0-ден 4°-қа дейін (дәлірек 3,98°С) қыздырғанда ғана бұзылады. Бұл жерде судың тағы екі өте маңызды «анатомиясы» атап өтіледі: 1) қатты күйдегі (мұз) судың тығыздығы сұйық күйдегіден (судан) аз, бұл басқа заттардың басым көпшілігінде болмайды; 2) су температурасының 0-ден 4°С-қа дейінгі диапазонында судың тығыздығы температураның жоғарылауымен төмендемейді, керісінше артады. Судың тығыздығының өзгеру ерекшеліктері судың молекулалық құрылымының қайта құрылуымен байланысты. Судың бұл екі «аномалиясы» үлкен гидрологиялық маңызға ие: мұз судан жеңіл, сондықтан оның бетінде «жүзеді»; су қоймалары әдетте түбіне дейін қатпайды, өйткені 4°-тан төмен температураға дейін салқындатылған тұщы судың тығыздығы азаяды және сондықтан беткі қабатта қалады.
Мұздың тығыздығы оның құрылымы мен температурасына байланысты. Кеуекті мұздың тығыздығы 1.1-кестеде көрсетілгеннен әлдеқайда төмен болуы мүмкін. Қардың тығыздығы одан да аз. Жаңа түскен қардың тығыздығы 80-140 кг/м3, нығыздалған қардың тығыздығы біртіндеп 140-300-ден (еру басталғанға дейін) 240-350-ге (еріудің басында) және 300-450 кг/м3-ге дейін артады. (балқудың соңында). Тығыз ылғалды қардың тығыздығы 600-700 кг/м3 дейін болуы мүмкін. Еру кезіндегі қар ұшқындарының тығыздығы 400-600, көшкіннің қары 500-650 кг/м3. Мұз бен қар еріген кезде пайда болатын су қабаты мұз немесе қар қабатының қалыңдығына және оның тығыздығына байланысты. Мұздағы немесе қардағы судың мөлшері мынаған тең:
h in = ah l r l / r
мұндағы h l - мұз немесе қар қабатының қалыңдығы, r l - олардың тығыздығы, p - судың тығыздығы және h in және h l өлшемдерінің қатынасымен анықталатын көбейткіш: егер су қабаты мм-мен өрнектелсе, және мұздың (қардың) қалыңдығы см, содан кейін a=10, бірдей өлшемі a=1.
Судың тығыздығы ондағы еріген заттардың мөлшеріне байланысты да өзгереді және тұздылық жоғарылаған сайын артады (1.5-сурет). Қалыпты қысымда теңіз суының тығыздығы 1025-1033 кг/м3 жетуі мүмкін.
Температура мен тұздылықтың атмосфералық қысымдағы судың тығыздығына бірлескен әсері теңіз суының күйінің теңдеуі деп аталатын әдіс арқылы өрнектеледі. Мұндай теңдеу қарапайым сызықтық түрінде былай жазылады:
p = p o (1 - α 1 T + α 2 S)
мұндағы T – судың температурасы, °C, S – судың тұздылығы, ‰, p o – T = 0 және S = 0 кезіндегі судың тығыздығы, α 1 және α 2 – параметрлер.
Тұздылықтың жоғарылауы формула бойынша ең үлкен тығыздықтың (°C) температурасының төмендеуіне әкеледі.
T max.pl = 4 - 0,215 S.
Күріш. 5.2.1. Қалыпты атмосфералық қысымдағы судың тығыздығының судың температурасы мен тұздылығына тәуелділігі.
Тұздылықтың әрбір 10‰ үшін ұлғаюы Tmax-ты шамамен 2°С-қа төмендетеді. Максималды тығыздық температурасы мен қату температурасының судың тұздылығына тәуелділігі Хелланд-Хансен графигі деп аталады (3.10.1-суретті қараңыз) .
Ең жоғары тығыздық пен мұздату температураларының арасындағы қатынас суды салқындату және тік конвекция – тығыздық айырмашылығынан болатын араластыру процесінің сипатына әсер етеді. Ауамен жылу алмасу нәтижесінде судың салқындауы судың тығыздығының жоғарылауына және сәйкесінше тығызырақ судың төмен түсуіне әкеледі. Оның орнына жылы және тығыздығы аз сулар көтеріледі. Тік тығыздық конвекция процесі жүреді. Алайда, тұздылығы 24,7‰-ден төмен тұщы және тұщы сулар үшін бұл процесс су ең жоғары тығыздық температурасына жеткенше ғана жалғасады (1.4-суретті қараңыз). Судың одан әрі салқындауы оның тығыздығының төмендеуіне әкеледі, ал тік конвекция тоқтайды. S>24,7‰-дегі тұзды сулар қатқанша тік конвекцияға ұшырайды.
Осылайша, қыста тұщы немесе тұщы суларда, түбіне жақын горизонттарда судың температурасы жер бетіндегіден жоғары, ал Хелланд-Гансен графигі бойынша әрқашан қату температурасынан жоғары. Бұл жағдайдың тереңдіктегі су қоймаларындағы тіршілікті сақтау үшін маңызы зор. Егер судың барлық басқа сұйықтықтар сияқты ең үлкен тығыздығы мен қату температурасы бірдей болса, онда резервуарлар түбіне дейін қатып, көптеген организмдердің сөзсіз өліміне әкелуі мүмкін.
Температураның өзгеруімен судың тығыздығының «аномальды» өзгеруі су көлемінің бірдей «аномальды» өзгеруіне әкеледі: температура 0-ден 4 ° C-қа дейін жоғарылағанда, химиялық таза судың көлемі азаяды және тек температураның одан әрі жоғарылауымен ол жоғарылайды; мұздың көлемі әрқашан бірдей су массасының көлемінен айтарлықтай үлкен болады (су қатқан кезде құбырлар қалай жарылғанын есте сақтаңыз).
Температурасы өзгергенде су көлемінің өзгеруін формуламен өрнектеуге болады
V T1 = V T2 (1 + β DT)
мұндағы V T1 - T1 температурасындағы су көлемі, V T2 - T2 температурасындағы су көлемі, β - көлемдік кеңею коэффициенті, ол 0-ден 4 ° C-қа дейінгі температурада теріс мәндерді және оң мәндерді қабылдайды. су температурасы 4 ° C жоғары және 0 ° C төмен (мұз) (1.1 кестені қараңыз),
Қысым судың тығыздығына да біршама әсер етеді. Судың сығылғыштығы өте аз, бірақ мұхиттағы үлкен тереңдікте ол әлі де судың тығыздығына әсер етеді. Әрбір 1000 м тереңдікте су бағанының қысымының әсерінен тығыздық 4,5-4,9 кг/м3 артады. Сондықтан мұхиттың максималды тереңдігінде (шамамен 11 км) судың тығыздығы жер бетіндегіден шамамен 48 кг/м 3 артық, ал S = 35‰ кезінде ол шамамен 1076 кг/м 3 болады. Егер су толығымен сығылмайтын болса, Дүниежүзілік мұхит деңгейі шын мәніндегіден 30 м жоғары болар еді. Судың төмен сығылғыштығы табиғи сулардың қозғалысын гидродинамикалық талдауды айтарлықтай жеңілдетуге мүмкіндік береді.
Ұсақ суспензиялы шөгінділердің судың физикалық сипаттамаларына және әсіресе оның тығыздығына әсері әлі жеткілікті түрде зерттелмеген. Судың тығыздығына су мен шөгіндіні бөлек қарастыру мүмкін болмаған кезде, олардың ерекше жоғары концентрациясында өте ұсақ тоқтатылған заттар ғана әсер етуі мүмкін деп саналады. Осылайша, тек 20-30% судан тұратын селдің кейбір түрлері негізінен тығыздығы жоғарылаған саз ерітіндісі болып табылады. Ұсақ шөгінділердің тығыздыққа әсер етуінің тағы бір мысалы - Сары теңіз шығанағына құятын Хуанхэ өзенінің суы. Ұсақ шөгінділердің мөлшері өте жоғары (220 кг/м3 дейін) өзен лайлы суларының тығыздығы теңіз суынан 2-2,5 кг/м3 артық (олардың нақты тұздылық пен температура кезіндегі тығыздығы шамамен 1018 кг/м3). Сондықтан олар тереңдікке «сүңгійді» және теңіз түбін бойлай түсіп, «тығыз» немесе «бұлыңғыр» ағынды құрайды.
Фазалық диаграмма (немесе фазалық диаграмма) жүйенің күйін сипаттайтын шамалар мен жүйедегі фазалық түрлендірулер арасындағы байланыстың графикалық көрінісі (қатты күйден сұйыққа, сұйық күйден газға және т.б.).
Бір компонентті жүйелер үшін әдетте фазалық түрлендірулердің температура мен қысымға тәуелділігін көрсететін фазалық диаграммалар қолданылады; олар P-t координатасында фазалық диаграммалар деп аталады.
Суретте. 10.1-суретте схемалық түрде (масштабты қатаң сақтамай) су күйінің диаграммасы көрсетілген. Диаграммадағы кез келген нүкте температура мен қысымның белгілі бір мәндеріне сәйкес келеді.
Күріш. 10.1.Төмен қысымдар аймағындағы су күйінің диаграммасы
Диаграмма температура мен қысымның белгілі бір мәндерінде термодинамикалық тұрақты болып табылатын судың күйлерін көрсетеді. Ол барлық мүмкін болатын температуралар мен қысымдарды мұзға, сұйықтыққа және буға сәйкес үш аймаққа бөлетін үш қисықтан тұрады.
OA қисығы қаныққан су буының қысымының температураға тәуелділігін білдіреді: қисық нүктелері сұйық су мен су буы бір-бірімен тепе-теңдікте болатын температура мен қысым мәндерінің жұптарын көрсетеді. OA қисығы сұйық-бу тепе-теңдік қисығы немесе деп аталады қайнау қисығы.
ОЖ қисығы – қатты-сұйық тепе-теңдік қисығы, немесе балқу қисығы, -мұз және сұйық су тепе-теңдікте болатын температура мен қысымның жұптарын көрсетеді.
OB қисығы – қатты күй – будың тепе-теңдік қисығы, немесе сублимация қисығы.Ол мұз бен су буы тепе-теңдікте болатын температура мен қысымның жұптарына сәйкес келеді.
Барлық үш қисық О нүктесінде қиылысады. Бұл нүктенің координаталары температура мен қысым мәндерінің жалғыз жұбы болып табылады, онда барлық үш фаза тепе-теңдікте болады: мұз, сұйық су және бу. деп аталады үштік нүкте.
Үштік нүкте 0,610 кПа (4,58 мм сын.бағ.) су буының қысымына және O, O GS температурасына сәйкес келеді.
Тамақ өнімдерін өндірудің технологиялық режимдерін жасауда судың күй диаграммасының маңызы зор. Мысалы, диаграммадағыдай, мұзды 0,610 кПа (4,58 мм сын. бағ.) төмен қысымда қыздырса, онда ол тікелей буға айналады. Бұл мұздатып кептіру арқылы тамақ өнімдерін өндіру әдістерін әзірлеуге негіз болады.
Судың басқа заттардан ерекшелігінің бірі - мұздың еру температурасы қысымның жоғарылауымен төмендейді. Бұл жағдай диаграммада көрсетілген. Су диаграммасындағы OC балқу қисығы солға көтеріледі, ал барлық дерлік заттар үшін ол оңға қарай көтеріледі.
Атмосфералық қысымда сумен болатын өзгерістер диаграммада 101,3 кПа (760 мм сын. бағ.) сәйкес көлденең сызықта орналасқан нүктелер немесе сегменттер арқылы көрсетіледі. Сонымен, мұздың еруі немесе судың кристалдануы D нүктесіне, судың қайнауы - Е нүктесіне, судың қызуы немесе суыуы - DE сегментіне сәйкес келеді және т.б.
Біріншіден, «су» терминімен оның кез келген ықтимал фазалық күйіндегі H 2 O дегенді білдіретініне келістік.
Табиғатта су үш күйде болуы мүмкін: қатты фаза (мұз, қар), сұйық фаза (су), газ фазасы (бу).
Қоршаған ортамен энергетикалық әрекеттесусіз суды қарастырайық, яғни. тепе-теңдік күйінде.
Мұздың немесе сұйықтықтың бетінде әрқашан бу болады. Жанасу фазалары термодинамикалық тепе-теңдікте болады: сұйық фазадан жылдам молекулалар беттік күштерді жеңе отырып ұшып шығады, ал бу фазасынан баяу молекулалар сұйық фазаға өтеді.
Тепе-теңдік күйінде әрбір температура белгілі бір бу қысымына сәйкес келеді – жалпы (егер сұйықтық үстінде тек бу болса) немесе ішінара (егер будың ауамен немесе басқа газдармен қоспасы болса). Өзі пайда болған сұйық фазамен тепе-теңдікте болатын буды қаныққан бу деп атайды, ал сәйкес температураны қанығу температурасы, ал қысымды қанықтыру қысымы деп атайды.
Судың тепе-теңдік емес күйі:
а) Механикалық тепе-теңдіксіз күй. Сұйықтық үстіндегі бу қысымы қанығу қысымынан төмен түссін. Бұл жағдайда тепе-теңдік бұзылады, заттың сұйық фазадан газ тәріздес фазаға компенсацияланбаған ауысуы ең жылдам молекулалардың арқасында фазалық интерфейс арқылы жүреді.
Заттың сұйық фазадан газ тәріздес фазаға компенсациясыз өту процесі булану деп аталады.
Заттың қатты фазадан газ фазасына компенсациясыз өту процесі сублимация немесе сублимация деп аталады.
Булану немесе сублимация интенсивтілігі пайда болған буды қарқынды жою кезінде артады. Бұл жағдайда сұйық фазаның температурасы одан энергиясы ең жоғары молекулалардың кетуіне байланысты төмендейді. Бұған қысымды төмендетпей, сұйықтықтың бетін ауа ағынымен үрлеу арқылы қол жеткізуге болады.
б) Жылулық тепе-теңдік. Ашық ыдыстағы сұйықтыққа жылу берілсін. Бұл жағдайда температура, сәйкесінше сұйықтық үстіндегі қаныққан будың қысымы жоғарылайды және толық сыртқы қысымға (P=P H) жетуі мүмкін. P = P H болған жағдайда, қыздыру бетінде сұйықтықтың температурасы мұнда басым қысымда қаныққан будың температурасынан жоғары көтеріледі, яғни. сұйықтың қалыңдығында будың пайда болуына жағдай жасалады.
Заттың сұйық фазадан бу фазасына тікелей сұйықтың ішінде өту процесі қайнау деп аталады.
Сұйықтық қалыңдығындағы бу көпіршіктерінің ядролану процесі күрделі. Судың қайнауы үшін жылумен жабдықтау бетінде булану орталықтары болуы керек - ойыстар, шығыңқы жерлер, біркелкі емес жерлер және т.б. Қыздыру бетінде, қайнау кезінде, мұнда басым қысымдағы су мен қаныққан бу арасындағы температура айырмашылығы жылу берудің қарқындылығына байланысты және ондаған градусқа жетуі мүмкін.
Сұйықтықтың беттік керілу күштерінің әрекеті оның үстіндегі қаныққан будың температурасына қатысты 0,3-1,5 градусқа қайнаған кезде сұйықтықтың фазалық шекарасында қызып кетуін тудырады.
Заттың сұйық фазадан бу фазасына өтуінің кез келген процесі булану деп аталады.
булануға қарама-қарсы процесс, яғни. заттың бу фазасынан сұйық фазаға компенсациясыз өтуі конденсация деп аталады.
Тұрақты бу қысымында конденсация тұрақты температурада (қайнау сияқты) пайда болады және жүйеден жылуды кетірудің нәтижесі болып табылады.
Сублимацияға қарама-қарсы процесс, яғни. Заттың бу фазасынан тікелей қатты фазаға өтуі десублимация деп аталады.
Еске салайық, бұрын енгізілген қаныққан бу және қанығу температурасы, қайнау процесіне ауысқан түсініктер бу мен сұйықтықтың температураларының теңдігіне әкеледі. Бұл жағдайда сұйық және бу фазаларының қысымы да, температурасы да бірдей.
Судың қайнау температурасындағы сұйық фазасы қаныққан сұйықтық деп аталады.
Қайнау (қанықтыру) температурасындағы буды құрғақ қаныққан бу деп атайды.
Қаныққан күйдегі екі фазалы сұйық + бу қоспасы ылғалды қаныққан бу деп аталады.
Термодинамикада бұл термин қаныққан бу сұйық деңгейінен жоғары болуы мүмкін немесе онда ілінген сұйық тамшылары бар бу қоспасын білдіретін екі фазалы жүйелерге таралады. Ылғалды қаныққан буды сипаттау үшін қолданылады құрғақтық дәрежесі туралы түсінік X, бұл құрғақ қаныққан бу массасының қатынасы, m S.N.P. , қоспаның жалпы массасына дейін, m SM = m S.N.P. + m J.S.N. , оны қаныққан күйдегі сұйықтықпен:
Тұрақты қысымда ылғалды қаныққан буға жылу беру қоспаның сұйық фазасының бу фазасына өтуіне әкеледі. Бұл жағдайда қоспаның температурасын (қанықтылығын) барлық сұйықтық буға айналдырмайынша арттыруға болмайды. Қаныққан күйде тек бу фазасына жылуды одан әрі беру оның температурасының жоғарылауына әкеледі.
Температурасы берілген қысымдағы қанығу температурасынан жоғары болатын бу аса қызған бу деп аталады. Қатты қыздырылған будың температура айырмашылығыт және бірдей қысымдағы қаныққан бут Н будың қызу дәрежесі деп аталады D t P = t -t N.
Будың қатты қызу дәрежесі жоғарылаған сайын оның көлемі артады, молекулалардың концентрациясы азаяды, ал оның қасиеттері газдардың қасиеттеріне жақындайды.
