Vandens perėjimo į garą diagrama. Vandens fazinės būsenos ir virsmai. Ledo tirpimo kreivė VI
Būsenos diagrama (arba fazių diagrama) yra grafinis sistemos būseną apibūdinančių dydžių ir fazių transformacijų sistemoje (perėjimas iš kieto į skystą, iš skysto į dujinį ir pan.) vaizdavimas.
Vienkomponentėms sistemoms dažniausiai naudojamos būsenos diagramos, parodančios fazių virsmų priklausomybę nuo temperatūros ir slėgio; jos vadinamos būsenų diagramomis P-t koordinatėmis.
Ant pav. 10.1 schematiškai (be griežto mastelio) pavaizduota vandens būklės diagrama. Bet kuris diagramos taškas atitinka tam tikras temperatūros ir slėgio vertes.
Ryžiai. 10.1. Vandens būklės žemo slėgio srityje diagrama
Diagramoje pavaizduotos tos vandens būsenos, kurios yra termodinamiškai stabilios esant tam tikrai temperatūrai ir slėgiui. Jį sudaro trys kreivės, kurios riboja visas galimas temperatūras ir slėgius į tris sritis, atitinkančias ledą, skystį ir garus.
Kreivė OA parodo sočiųjų vandens garų slėgio priklausomybę nuo temperatūros: kreivės taškai rodo tas temperatūros ir slėgio verčių poras, kurioms esant skystas vanduo ir vandens garai yra vienas su kitu pusiausvyroje. OA kreivė vadinama skysčio ir garų pusiausvyros kreive arba virimo kreivė.
OS kreivė – kietojo būvio – skysčio pusiausvyros kreivė, arba lydymosi kreivė, - parodo tas temperatūros ir slėgio verčių poras, kurioms esant ledas ir skystas vanduo yra pusiausvyroje.
RH kreivė – pusiausvyros kreivė kietos būsenos – garai, arba sublimacijos kreivė. Tai atitinka tas temperatūros ir slėgio verčių poras, kuriose ledas ir vandens garai yra pusiausvyroje.
Visos trys kreivės susikerta taške O. Šio taško koordinatės yra vienintelė temperatūros ir slėgio verčių pora, kuriai esant visos trys fazės gali būti pusiausvyroje: ledas, skystas vanduo ir garai. Ji turi vardą trigubas taškas.
Trigubas taškas atitinka 0,610 kPa (4,58 mm Hg) vandens garų slėgį ir 0,0 GS temperatūrą.
Vandens būklės diagrama svarbi kuriant maisto produktų gavimo technologinius režimus. Pavyzdžiui, kaip matyti iš diagramos, jei ledas kaitinamas mažesniu nei 0,610 kPa (4,58 mm Hg) slėgiu, jis tiesiogiai patenka į garus. Tai yra maisto produktų gavimo liofilizuojant metodų kūrimo pagrindas.
Viena iš vandens savybių, išskiriančių jį iš kitų medžiagų, yra ledo lydymosi temperatūros mažėjimas didėjant slėgiui. Ši aplinkybė atsispindi diagramoje. Vandens būsenos diagramoje OC lydymosi kreivė kyla į kairę, o beveik visų kitų medžiagų – į dešinę.
Transformacijos, vykstančios su vandeniu esant atmosferos slėgiui, diagramoje atsispindi taškais arba segmentais, esančiais horizontalėje, atitinkančiais 101,3 kPa (760 mm Hg). Taigi ledo tirpimas arba vandens kristalizacija atitinka tašką D, vandens virimas – tašką E, vandens šildymas arba vėsinimas – segmentą DE ir t.t.
Vandens būklė buvo tiriama esant įvairiems temperatūrų ir slėgio diapazonams. Esant aukštam slėgiui, nustatyta, kad egzistuoja mažiausiai dešimt kristalinių ledo modifikacijų. Labiausiai ištirtas yra ledas I – vienintelė gamtoje randama ledo modifikacija.
Įvairių medžiagos modifikacijų buvimas - polimorfizmas lemia būsenų diagramų komplikaciją.
Vandens fazių diagrama koordinatėmis R-T parodyta 15 pav. Jį sudaro 3 fazių laukai- įvairios sritys R, T- vertės, kuriose vanduo egzistuoja tam tikros fazės pavidalu - ledas, skystas vanduo arba garai (paveiksle pažymėtos atitinkamai L, W ir P raidėmis). Šie fazių laukai yra atskirti 3 ribinėmis kreivėmis.
Kreivė AB – garavimo kreivė, išreiškia priklausomybę skysto vandens garų slėgis pagal temperatūrą(arba, atvirkščiai, reiškia vandens virimo temperatūros priklausomybę nuo išorinio slėgio). Kitaip tariant, ši linija atitinka dviejų fazių pusiausvyrą.
Skystas vanduo ↔ garai, o iš fazės taisyklės apskaičiuotas laisvės laipsnių skaičius yra SU= 3 – 2 = 1. Tokia pusiausvyra vadinama monovariantas. Tai reiškia, kad norint išsamiai aprašyti sistemą, pakanka tik apibrėžti vienas kintamasis- arba temperatūra, arba slėgis, nes tam tikrai temperatūrai yra tik vienas pusiausvyros slėgis, o tam tikram slėgiui - tik viena pusiausvyros temperatūra.
Esant slėgiui ir temperatūrai, atitinkantiems taškus, esančius žemiau linijos AB, skystis visiškai išgaruos, o ši sritis yra garų sritis. Norint aprašyti sistemą tam tikroje vienfazėje srityje, reikalingi du nepriklausomi kintamieji: temperatūra ir slėgis ( SU = 3 – 1 = 2).
Esant slėgiui ir temperatūrai, atitinkantiems taškus virš linijos AB, garai visiškai kondensuojasi į skystį ( SU= 2). Viršutinė AB garavimo kreivės riba yra taške B, kuris vadinamas kritiniu tašku (vandeniui 374,2ºС ir 218,5). atm.). Virš šios temperatūros skysčio ir garų fazės tampa nebeatskiriamos (skysčio/garų sąsaja išnyksta), todėl F = 1.
AC linija – ši ledo sublimacijos kreivė (kartais vadinama sublimacijos linija), atspindinti priklausomybę vandens garų slėgis virš ledo temperatūros. Ši linija atitinka monovariantą pusiausvyros ledo ↔ garus ( SU= 1). Virš kintamosios srovės linijos yra ledo sritis, žemiau garų srities.
AD linija – lydymosi kreivė, išreiškia priklausomybę ledo lydymosi temperatūra esant slėgiui ir atitinka monovariantą pusiausvyros ledo ↔ skysto vandens. Daugumai medžiagų linija AD nukrypsta nuo vertikalės į dešinę, tačiau vandens elgesys yra nenormalus: skystas vanduo užima mažesnį tūrį nei ledas. Padidėjęs slėgis sukels pusiausvyros poslinkį skysčio susidarymo link, ty sumažės užšalimo temperatūra.
Bridgmano pradėti tyrimai, siekiant nustatyti ledo tirpimo kreivės eigą esant aukštam slėgiui, parodė, kad esamas ledo kristalinės modifikacijos, išskyrus pirmąsias, yra tankesnės už vandenį. Taigi viršutinė AD linijos riba yra taškas D, kuriame pusiausvyroje sugyvena ledas I (paprastas ledas), ledas III ir skystas vanduo. Šis taškas yra -22ºС ir 2450 atm.
Ryžiai. 15. Vandens fazių diagrama
Vandens pavyzdys rodo, kad fazių diagrama ne visada turi tokį paprastą pobūdį, kaip parodyta 15 pav. Vanduo gali egzistuoti kelių kietų fazių pavidalu, kurios skiriasi savo kristaline struktūra (žr. 16 pav.).
Ryžiai. 16. Išplėstinė vandens fazių diagrama įvairiuose slėgio dydžių diapazonuose.
Trigubas vandens taškas (taškas, atspindintis trijų fazių – skysčio, ledo ir garų – pusiausvyrą), kai nėra oro, yra 0,01ºС. T = 273,16K) ir 4.58 mmHg. Laisvės laipsnių skaičius SU= 3-3 = 0 ir tokia pusiausvyra vadinama nekintama.
Esant orui, trys fazės yra subalansuotos ties 1 atm. ir 0ºС ( T = 273,15K). Trigubo taško ore sumažėjimą lemia šios priežastys:
1. Oro tirpumas skystame vandenyje esant 1 atm, dėl ko trigubas taškas sumažėja 0,0024ºС;
2. Didėjantis slėgis nuo 4,58 mmHg. iki 1 atm, kuris sumažina trigubą tašką dar 0,0075ºС.
Ką darysime su gauta medžiaga:
Jei ši medžiaga jums pasirodė naudinga, galite ją išsaugoti savo puslapyje socialiniuose tinkluose:
| tviteryje |
Visos temos šiame skyriuje:
Fizikinės chemijos dalykas ir jo reikšmė
Cheminių ir fizikinių reiškinių ryšį tiria fizikinė chemija. Ši chemijos šaka yra riba tarp chemijos ir fizikos. Taikant teorinius ir eksperimentinius metodus apie
Trumpi fizikinės chemijos raidos istorijos metmenys
Sąvoką „fizinė chemija“ ir šio mokslo apibrėžimą pirmasis pateikė M.V.Lomonosovas, kuris 1752–1754 m. perskaitė Fizinės chemijos kursą Mokslų akademijos studentams ir paliko šio kurso rankraštį
Energija. Energijos tvermės ir transformacijos dėsnis
Neatsiejama materijos savybė (atributas) yra judėjimas; ji nesunaikinama, kaip ir pati materija. Materijos judėjimas pasireiškia įvairiomis formomis, kurios gali pereiti viena į kitą. Judėti pagal priemonę
Termodinamikos dalykas, metodas ir ribos
Sutelkdama dėmesį į šilumą ir darbą kaip energijos perdavimo formas įvairiuose procesuose, termodinamika apima daugybę energijos priklausomybių.
Šiluma ir darbas
Judėjimo formų pokyčiai jam pereinant iš vieno kūno į kitą ir atitinkami energijos virsmai yra labai įvairūs. Paties judesio perėjimo formos ir su juo susijusios energijos transformacijos
Šilumos ir darbo lygiavertiškumas
Klasikiniuose D. P. Joule (1842–1867) eksperimentuose buvo nustatytas pastovus ekvivalentinis šilumos ir darbo santykis jų tarpusavio perėjimų metu. Tipiškas Džaulio eksperimentas yra toks (
Vidinė energija
Neapvaliam procesui lygybė (I, 1) nesilaikoma, nes sistema negrįžta į pradinę būseną. Vietoj to galima parašyti ne apskrito proceso lygybes (neįskaitant koeficiento
Pirmasis termodinamikos dėsnis
Pirmasis termodinamikos dėsnis (pirmasis dėsnis) yra tiesiogiai susijęs su energijos tvermės dėsniu. Tai leidžia apskaičiuoti energijos balansą vykstant įvairiems procesams, įskaitant cheminius.
Būsenų lygtys
Daugelis pusiausvyros sistemos savybių ir ją sudarančių fazių yra tarpusavyje susijusios. Pakeitus vieną iš jų, pasikeičia kiti. Kiekybinės funkcinės priklausomybės tarp
Įvairių procesų veikimas
Darbo pavadinimu apjungiama daug energetinių procesų; bendra šių procesų savybė yra sistemos energijos sąnaudos iš išorės veikiančiai jėgai įveikti. Tokie procesai apima
Šilumos talpa. Įvairių procesų šilumos skaičiavimas
Kūno savitosios (c) arba molinės (C) šiluminės talpos eksperimentinis nustatymas susideda iš šilumos Q, sugertos kaitinant vieną gramą arba vieną molį medžiagos, matavimas.
Kalorijų koeficientai
Sistemos U vidinė energija, būdama būsenos funkcija, yra nepriklausomų sistemos kintamųjų (būsenos parametrų) funkcija. Paprasčiausiose sistemose mes atsižvelgsime į vidines
Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas idealioms dujoms
Apsvarstykite idealias dujas, ty dujas, kurių vieno molio būsena apibūdinama Mendelejevo-Klapeirono lygtimi:
Adiabatiniai procesai dujose
Teigiama, kad termodinaminėje sistemoje vyksta adiabatinis procesas, jei jis yra grįžtamasis ir jei sistema yra termiškai izoliuota taip, kad proceso metu tarp sistemos ir sistemos nevyksta šilumos mainai.
Entalpija
Pirmojo termodinamikos dėsnio lygtis procesams, kuriuose atliekamas tik plėtimosi darbas, yra tokia: δQ = dU + PdV (I, 51) Jei procesas vyksta konstanta
cheminis kintamasis. Pirmojo termodinamikos dėsnio formulavimas procesams, kuriuos lydi cheminės ir fazinės transformacijos
(I, 27), (I, 28) lygtys ir anksčiau pateiktos pirmojo termodinamikos dėsnio formuluotės galioja bet kuriai pusiausvyrinei uždarai sistemai, nepriklausomai nuo to, ar joje vyksta cheminės ar cheminės reakcijos.
Termochemija. Heso dėsnis
Cheminių transformacijų metu įvyksta sistemos vidinės energijos pokytis dėl to, kad reakcijos produktų vidinė energija skiriasi nuo pradinių medžiagų vidinės energijos.
Šiluminio poveikio priklausomybė nuo temperatūros. Kirchhoffo lygtis
Pagal Heso dėsnį galima apskaičiuoti reakcijos šiluminį efektą esant temperatūrai, kurioje žinomos visų reagentų susidarymo arba degimo šilumos (dažniausiai 298K). Tačiau dažnai
Spontaniški ir nesavaiminiai procesai
Iš pirmojo termodinamikos dėsnio ir iš jo atsirandančių energijos mainų tarp kūnų įvairių procesų metu dėsnių neįmanoma daryti išvados, ar apskritai šis procesas yra įmanomas
Antrasis termodinamikos dėsnis
Dažniausi ir neabejotinai savaiminiai procesai yra šilumos perdavimas iš karšto kūno į šaltą (šilumos laidumas) ir darbo perėjimas į šilumą (trintis). Šimtmečių senumo gyvenimas
Entropijos kitimo skaičiavimo metodai
(II, 12) ir (II, 13) lygtys, kurios nustato entropiją, yra vienintelės pradinės lygtys termodinaminiam sistemos entropijos pokyčio skaičiavimui. Elementariosios šilumos pakeitimas lygtyje
Plancko postulatas
Pagal (II, 3) lygtį neįmanoma apskaičiuoti absoliučios sistemos entropijos vertės. Šią galimybę suteikia naujas, neįrodomas teiginys, kuris neišplaukia iš dviejų termodinamikos dėsnių, kurie buvo suformuluoti
Absoliučios entropijos vertės
Plancko postulatas naudojamas atliekant termodinaminį cheminių procesų tyrimą, siekiant apskaičiuoti absoliučias cheminių junginių entropijos vertes – dydžius, kurie yra labai svarbūs, kai.
standartinė entropija. Entropijos pokytis vykstant cheminei reakcijai
Entropija, kaip ir kitos termodinaminės funkcijos, paprastai vadinama standartine materijos būsena. Prisiminkite, kad standartinei būsenai būdingos standartinės sąlygos
Statistinis entropijos aiškinimas
Entropijos kaip būsenos funkcijos samprata remiasi makroskopine koncepcija. Antrojo termodinamikos dėsnio pagrįstumas yra susijęs su negrįžtamų procesų tikrove. Skirtingai nuo negrįžtamo
Helmholco energija
Prisiminkime, kad antrasis termodinamikos dėsnis apibrėžia spontaniško procesų atsiradimo izoliuotose sistemose kriterijus. Tačiau tokios sąlygos (energijos ir medžiagų mainų su aplinka trūkumas)
Gibbso energija
Norint atsižvelgti į kitus darbų tipus, be plėtimo darbų, bendra forma elementarųjį darbą pavaizduojame kaip plėtimo darbų ir kitų rūšių darbų sumą: dW = PdV + dW" (III, 15)
Būdingos funkcijos. Fundamentaliosios (kanoninės) būsenos lygtys
Anksčiau mes nustatėme šias termodinamines funkcijas – sistemos savybes: vidinė energija U, entalpija H, entropija S, Helmholco energija F, Gibso energija G
Maxwello santykiai
Dabar apsvarstykite antrąją mišrią būdingų funkcijų išvestinę. Atsižvelgdami į lygtis (III, 26), galime rašyti:
Gibbso-Helmholtzo lygtis
Gibso-Helmholtzo lygtis leidžia nustatyti Gibso energijos pokytį, kuris lydi chemines reakcijas esant bet kokiai temperatūrai, jei cheminių reakcijų šilumos priklausomybė nuo
Idealiųjų dujų mišinio Gibso energija. Cheminio potencialo nustatymas
Gibso energija yra plati funkcija, leidžianti apskaičiuoti jos vertę idealių dujų mišiniui. Įsivaizduokite rezervuarą, padalintą pertvaromis į dalis, kaip parodyta
Cheminis potencialas
Norėdami paaiškinti sąvokos „cheminis potencialas“ reikšmę, išraišką (III.51) išskiriame kaip sandaugą esant pastoviam P ir T:
Fazių perėjimai. Clausius-Clapeyron lygtis
Sistemoje, susidedančioje iš kelių grynos medžiagos fazių, kurios yra pusiausvyroje, galimi medžiagos perėjimai iš vienos fazės į kitą. Tokie perėjimai vadinami faziniais perėjimais.
Pirmosios rūšies fazių perėjimai. Tirpimas. Garavimas
Faziniai perėjimai, apibūdinami dviejų fazių, kurios kartu egzistuoja pusiausvyroje, izobarinių potencialų lygybe ir staigiu pirmųjų darinių pokyčiu Gibso energijos (entropijos ir tūrio) atžvilgiu ne
Antrosios rūšies fazių perėjimai
Antrosios rūšies fazinis perėjimas yra pusiausvyrinis medžiagos perėjimas iš vienos fazės į kitą, kai staigiai keičiasi tik antrieji Gibso energijos dariniai temperatūros ir slėgio atžvilgiu.
Sočiųjų garų slėgis, palyginti su temperatūra
Skysčio sočiųjų garų slėgis smarkiai didėja didėjant temperatūrai. Tai matyti iš 12 paveikslo, kuriame pavaizduotos kai kurių skysčių garų slėgio kreivės, prasidedančios nuo lydymosi taškų.
Bendrosios pusiausvyros sąlygos
Bet kuri uždara sistema, esanti pusiausvyroje esant pastoviam slėgiui ir temperatūrai, apibūdinama santykiu:
Gibso fazės taisyklė
1876 m. Gibbsas išvedė paprastą formulę, susiejančią pusiausvyros fazių skaičių (F), komponentų skaičių (K) ir sistemos laisvės laipsnių skaičių (C). Esant pusiausvyrai turėtume
Gibso fazės taisyklės taikymas vieno komponento sistemoms. Vandens ir sieros būsenos diagramos
Vienkomponentinei sistemai K = 1, o fazės taisyklė rašoma taip: C = 3 - F Jei F = 1, tai C = 2, sakoma, kad sistema yra dvivariantė;
Sieros fazės diagrama
Kristalinė siera egzistuoja dviejų modifikacijų – rombinės (Sp) ir monoklininės (Sm) – pavidalu. Todėl galimas keturių fazių egzistavimas: rombinė, mo
Aktyvių masių dėsnis. Dujų fazės reakcijų pusiausvyros konstanta
Tarkime, kad tarp dujinių medžiagų A1, A2 ... Ai, A'1, A'2 ... A'i vyksta chemiškai grįžtama reakcija pagal lygtį:
Cheminės reakcijos izotermų lygtis
Tarkime, kad cheminė reakcija vyksta idealių dujų mišinyje pagal lygtį. Tarkime, kad taikymo momentu
Cheminio giminingumo samprata
Iš to, kad vienos medžiagos tarpusavyje reaguoja lengvai ir greitai, kitos sunkiai, o kitos visai nereaguoja, kyla prielaida, kad yra ar nėra specialaus cheminio giminingumo.
Masės veiksmo dėsnio naudojimas apskaičiuojant pusiausvyros mišinių sudėtį
Norint nustatyti sistemos sudėtį esant pastoviai pusiausvyrai ir atitinkamai reakcijos produkto (-ų) išeigą, būtina žinoti pusiausvyros konstantą ir pradinio mišinio sudėtį. Junginys
Heterogeninės cheminės pusiausvyros
Masės veikimo dėsnis buvo išvestas naudojant idealių dujų būsenos dėsnį ir pirmiausia taikomas dujų mišiniams. Tačiau jis gali būti taikomas be reikšmingų reikšmingų pakeitimų
Temperatūros įtaka cheminei pusiausvyrai. Cheminės reakcijos izobaro lygtis
Norėdami nustatyti K0 priklausomybę nuo temperatūros diferencine forma, naudojame Gibbso-Helmholtzo lygtį (III, 41)
Le Chatelier-Brown principas
Išimta iš pusiausvyros būsenos sistema vėl grįžta į pusiausvyros būseną. Le Chatelier ir Brownas nurodė paprastą principą, pagal kurį galima numatyti, kur, pvz.
Šiluminė Nernsto teorema
Tiesioginis ir paprastas Gibso energijos pokyčio, taigi ir cheminių reakcijų pusiausvyros konstantų, apskaičiavimas nesukelia sunkumų, jei yra žinoma cheminės reakcijos šiluma ir absoliučios vertės.
Cheminė pusiausvyra neidealiose sistemose
Masės veikimo dėsnis (V, 5) taikomas, kaip jau minėta, tik idealioms dujoms (arba idealiems tirpalams). Tokioms sistemoms pusiausvyros santykinių dalinių slėgių sandauga yra reaktyvi
Medžiagų entalpijos ir cheminių reakcijų šiluminio poveikio priklausomybė nuo slėgio
Nagrinėdami entalpijos priklausomybę nuo slėgio, naudojame gerai žinomą jos bendro skirtumo išraišką (III, 27): dH = VdP + TdS
At k n= 1 fazės taisyklės lygtis bus tokia:
C \u003d 3 - F,
Jei pusiausvyroje yra 1 fazė, tai C = 2, sakyti, kad sistema dvivariantas;
2 fazė C \u003d 1, sistema monovariantas;
3 fazė C \u003d 0, sistema nekintamas.
Vadinama diagrama, išreiškianti sistemos būsenos priklausomybę nuo išorinių sąlygų arba nuo sistemos sudėties fazių diagrama. Ryšys tarp slėgio ( R), temperatūra ( T) ir tūris ( V) fazes galima pavaizduoti trimate fazių diagrama. Kiekvienas taškas (vadinamas vaizdinis taškas) tokioje diagramoje pavaizduota tam tikra pusiausvyros būsena. Paprastai su šios diagramos atkarpomis patogiau dirbti plokštuma r - T(at V = konst) arba lėktuvas p-v(at T = konst). Išsamiau panagrinėkime atkarpos pagal plokštumą atvejį r - T(at V=konst).
Kaip pavyzdį apsvarstykite vienkomponentės sistemos – vandens – fazių diagramą (8 pav.).
Vandens fazių diagrama
Vandens fazių diagrama koordinatėmis r - T pateiktas 8 pav. Jis sudarytas iš 3 fazių laukai- skirtingos sritys ( p, T)-vertės, kuriose vanduo egzistuoja tam tikros fazės - ledo, skysto vandens ar garų pavidalu (8 pav. atitinkamai pažymėtos raidėmis L, W ir P). Šių vienfazių regionų laisvės laipsnių skaičius yra du, pusiausvyra yra dvimatinė ( C \u003d 3 - 1 = 2). Tai reiškia, kad norint apibūdinti sistemą, du nepriklausomi kintamieji - temperatūra ir slėgis. Šiuos kintamuosius šiose srityse galima keisti nepriklausomai, nekeičiant fazių tipo ir skaičiaus.
Fazių laukai yra atskirti 3 ribinėmis kreivėmis.
Kreivė AB – garavimo kreivė, išreiškia priklausomybę skysto vandens garų slėgis pagal temperatūrą(arba, atvirkščiai, reiškia vandens virimo temperatūros priklausomybę nuo slėgio). Kitaip tariant, ši eilutė atitinka dvifazis skysto vandens ir garo pusiausvyra, o pagal fazės taisyklę apskaičiuotas laisvės laipsnių skaičius yra C = 3 - 2 \u003d 1. Toks balansas monovariantas. Tai reiškia, kad norint išsamiai aprašyti sistemą, pakanka tik apibrėžti vienas kintamasis arba temperatūrą, arba slėgį. Antrasis kintamasis yra priklausomas, jį suteikia kreivės AB forma . Taigi tam tikrai temperatūrai yra tik vienas pusiausvyros slėgis arba tam tikram garų slėgiui – tik viena pusiausvyros temperatūra.
Esant slėgiui ir temperatūrai, atitinkantiems taškus, esančius žemiau linijos AB, skystis visiškai išgaruos, o ši sritis yra garų sritis.
Esant slėgiui ir temperatūrai, atitinkantiems taškus virš linijos AB, garai visiškai kondensuojasi į skystį ( C = 2). Viršutinė AB garavimo kreivės riba yra taške B, kuris vadinamas kritinis taškas(vandeniui 374 o C ir 218 atm). Virš šios temperatūros skysčio ir garų fazės tampa nebeatskiriamos (išnyksta skaidraus skysčio/garų sąsaja), todėl Ф=1.
AC linija- tailedo sublimacijos kreivė(kartais vadinama sublimacijos linija), atspindinti priklausomybę vandens garų slėgis virš ledo temperatūros. Ši eilutė atitinka monovariantas ledo garų pusiausvyra ( C=1). Virš kintamosios srovės linijos yra ledo sritis, žemiau garų srities.
Linija AD – lydymosi kreivė, išreiškia priklausomybę ledo lydymosi temperatūra esant slėgiui ir atitinka monovariantas ledo-skysto vandens pusiausvyra. Daugumos medžiagų AD linija nukrypsta nuo vertikalės į dešinę, tačiau vandens elgesys yra nenormalus: skystas vanduo užima mažesnį tūrį nei ledas. Remiantis Le Chatelier principu, galima numatyti, kad slėgio padidėjimas sukels pusiausvyros poslinkį skysčio susidarymo link, t.y. užšalimo taškas sumažės.
8 pav. Vandens fazių diagrama
Bridgmano atlikti tyrimai, siekdami nustatyti ledo tirpimo kreivės eigą esant aukštam slėgiui, parodė, kad septynios skirtingos kristalinės ledo modifikacijos, kurių kiekvienas, išskyrus pirmąjį, tankesnis už vandenį. Taigi, viršutinė linijos AD riba yra taškas D, kuriame ledas I (paprastas ledas), ledas III ir skystas vanduo yra pusiausvyroje. Šis taškas yra -22 0 C ir 2450 atm.
Trigubas vandens taškas(taškas, atspindintis trijų fazių – skysčio, ledo ir garų – pusiausvyrą), kai nėra oro, yra 0,0100 o C ir 4,58 mm Hg. Laisvės laipsnių skaičius SU=3-3=0 ir tokia pusiausvyra vadinama nekintamas. Pakeitus bet kurį parametrą, sistema nustoja būti trifaze.
Esant orui, trys fazės yra pusiausvyroje esant 760 mm Hg. ir esant 0 o C. Trigubo taško ore temperatūros mažėjimą lemia šios priežastys:
1. oro dujinių komponentų tirpumas skystame vandenyje esant 1 atm, dėl to trigubas taškas sumažėja 0,0024 o C;
2. slėgio padidėjimas nuo 4,58 mm Hg. iki 1 atm, o tai sumažina trigubą tašką dar 0,0075 o C.
Pirma, susitarkime, kad terminas „vanduo“ reikš H2O bet kurioje iš galimų jo fazių būsenų.
Gamtoje vanduo gali būti trijų būsenų: kietos fazės (ledas, sniegas), skystosios fazės (vanduo), dujinės fazės (garai).
Apsvarstykite vandenį be energetinės sąveikos su aplinka, t.y. pusiausvyros būsenoje.
Ledo ar skysčio paviršiuje visada yra garų. Kontaktinės fazės yra termodinaminėje pusiausvyroje: greitos molekulės išskrenda iš skystosios fazės, įveikdamos paviršiaus jėgas, o lėtos molekulės pereina iš garų fazės į skystąją fazę.
Pusiausvyros būsenoje kiekviena temperatūra atitinka tam tikrą garų slėgį – bendrą (jei virš skysčio yra tik garai) arba dalinį (jei yra garų mišinys su oru ar kitomis dujomis). Garai, kurie yra pusiausvyroje su skysta faze, iš kurios jie susidarė, vadinami sočiaisiais garais, o juos atitinkanti temperatūra vadinama soties temperatūra, o slėgis.–prisotinimo slėgis.
Dabar apsvarstykite vandens pusiausvyros būsenas:
a) Tegul garų slėgis virš skysčio sumažėja žemiau soties slėgio. Tokiu atveju pusiausvyra sutrinka, per sąsają dėl greičiausių molekulių vyksta nekompensuotas medžiagos perėjimas iš skystosios fazės į dujinę.
Nekompensuoto medžiagos perėjimo iš skystos į dujinę fazę procesas vadinamas garavimu.
Nekompensuoto medžiagos perėjimo iš kietosios fazės į dujinę fazę procesas vadinamas sublimacija arba sublimacija.
Išgaravimo arba sublimacijos intensyvumas didėja intensyviai šalinant susidariusius garus. Šiuo atveju skystosios fazės temperatūra mažėja, nes iš jos išeina didžiausią energiją turinčios molekulės. Tai galima pasiekti nemažinant slėgio, tiesiog pučiant oro srautą.
b) Tegul skystis tiekiamas šiluma atvirame inde. Tokiu atveju temperatūra ir atitinkamai sočiųjų garų slėgis virš skysčio didėja ir gali pasiekti bendrą išorinį slėgį (Р=Р n).tie. susidaro sąlygos skysčio tirštumo garams susidaryti.
Medžiagos perėjimo iš skystos fazės į garų fazę tiesiai skysčio viduje procesas vadinamas virimu.
Garų burbuliukų susidarymo skystyje procesas yra sudėtingas. Kad vanduo užvirtų, būtina, kad šilumos tiekimo paviršiuje būtų garavimo centrai – įdubimai, išsikišimai, nelygumai ir kt. Prie šildymo paviršiaus, verdant, temperatūros skirtumas tarp vandens ir sočiųjų garų esant čia vyraujančiam slėgiui priklauso nuo šilumos tiekimo intensyvumo ir gali siekti keliasdešimt laipsnių.
Skysčio paviršiaus įtempimo jėgų veikimas sukelia skysčio perkaitimą sąsajoje, kai jis užverda 0,3–1,5 ° C, palyginti su virš jo esančių sočiųjų garų temperatūra.
Bet koks medžiagos perėjimo iš skystos fazės į garų fazę procesas vadinamas garavimu.
Garinimui priešingas procesas, t.y. nekompensuotas medžiagos perėjimas iš garų fazės į skystąją fazę vadinamas kondensacija.
Esant pastoviam garų slėgiui, pastovioje temperatūroje susidaro kondensacija (kaip ir virimas) ir yra šilumos pašalinimo iš sistemos rezultatas.
Sublimacijai priešingas procesas, t.y. medžiagos perėjimas iš garų fazės tiesiai į kietąją fazę vadinamas desublimacija.
Prisiminkite, kad anksčiau įvestos sočiųjų garų ir prisotinimo temperatūros sąvokos, perkeltos į virimo procesą, paaiškina garų ir skysčio temperatūrų lygybę verdant. Šiuo atveju tiek skysčio, tiek garų fazių slėgis ir temperatūra yra vienodi.
Skystoji vandens fazė virimo temperatūroje vadinama sočiuoju skysčiu..
Garai esant virimo temperatūrai (sotumui) vadinami sausais sočiais garais..
Dviejų fazių mišinys „skystis + garai“, esantis prisotintas, vadinamas šlapiu sočiuoju garu.
Termodinamikoje šis terminas apima dvifazes sistemas, kuriose sotieji garai gali būti virš skysčio lygio arba reikšti garų mišinį su jame suspenduotais skysčio lašeliais. Norėdami apibūdinti šlapius sočius garus, sausumo laipsnio samprataX, tai yra sausų sočiųjų garų masės santykis, m s.n.p., iki bendro mišinio svorio, m cm \u003d m s.n.p + m zh.s.n, jį su skysčiu prisotinto būsenoje:
Prisotinto vandens skystosios fazės masės ir mišinio masės santykis vadinamas drėgmės laipsniu.(1–x):
Šilumos tiekimas į drėgną prisotintą garą esant pastoviam slėgiui veda prie mišinio skystosios fazės perėjimo į garą. Šiuo atveju mišinio temperatūra (sotumas) negali būti padidinta tol, kol visas skystis nevirsta garais. Tolesnis šilumos tiekimas tik garų fazei soties būsenoje padidina garų temperatūrą.
Garai, viršijantys soties temperatūrą, esant tam tikram slėgiui, vadinami perkaitintu garu. Perkaitintų garų temperatūros skirtumas t ir tokio pat slėgio sočiųjų garų t n vadinamas garo perkaitimo laipsniu Dt p \u003d t -t n.
Didėjant garo perkaitimo laipsniui, didėja jo tūris, mažėja molekulių koncentracija, pagal savo savybes jis artėja prie dujų.
6.2. Fazių diagramos P, t-, P, v- ir T, s H 2 O
Fazių diagramos plačiai naudojamos analizuojant įvairius termodinaminius H 2 O būsenos kitimo procesus.
Norėdami susipažinti su fazių diagramomis P, t- ir P, v, įsivaizduokite, kad cilindre po stūmokliu, kuris sukuria pastovų slėgį (6.1 pav.), yra pradinės temperatūros t 1 ledo. Šiluma Q tiekiama per baliono sieneles, H 2 O įkaitimo ir fazių virsmų procesas parodytas t, Q diagramoje. Ledas pašildomas iki lydymosi temperatūros t pl (procesas 1a), po to ledas ištirpsta pastovioje temperatūroje ir virsta vandeniu (aa "), tada vanduo pašildomas iki virimo (sotinimo) temperatūros t n (a" c). ), tada vyksta garavimo procesas ir vandens pavertimas sausais sočiais garais (vv "), tada vyksta garų perkaitinimo (v" 2) iki temperatūros t 2 procesas.
Tas pats procesas (12), kai gaunamas perkaitintas garas iš ledo esant pastoviam slėgiui, parodytas 6.2 pav. koordinačių sistemoje P,t. Kadangi lydymosi (aa") ir garinimo (vv") procesai vyksta pastovioje temperatūroje, Fig. 6.2 jie koncentruojasi taškuose a ir c. P,t diagramoje šie taškai apibūdina dviejų fazių mišinių termodinaminę pusiausvyrą. Geometriškai šių taškų vieta esant skirtingam slėgiui ir atitinkamoms temperatūroms yra fazių virsmų linija.
AB linija yra kietosios ir skystosios fazės fazių perėjimo linija. Tai anomali linija, nes Daugumos medžiagų, didėjant slėgiui, lydymosi temperatūra taip pat didėja, vandens, atvirkščiai.
AK linija yra skysčio ir garų fazių perėjimo linija; didėjant slėgiui, taip pat didėja vandens ir garų virimo (sotumo) temperatūra.
Mažėjant slėgiui, skirtumas tarp lydymosi ir soties temperatūrų mažėja, o taške A nurodytos kreivės suartėja. Šis taškas A vadinamas trigubu vandens tašku; jo koordinatės lemia fizines sąlygas(P o u t o) , kurioje visos trys medžiagos fazės yra termodinaminėje pusiausvyroje ir gali egzistuoti vienu metu. Trigubo vandens taško parametrai: t apie = 0,01 o C arba 273,16 tūkst Ir R o \u003d 611,2 Pa .
Žemiau trigubo taško esanti kintamosios srovės kreivė yra kietosios ir garų fazių fazių perėjimo ir pusiausvyros linija, t.y. sublimacijos ir desublimacijos linija. Taigi, esant slėgiui, atitinkančiam procesą de, kai kietoji fazė kaitinama (de), taške c kietoji fazė pereina į garus - sublimaciją, o aušinant (procesas ed) taške c garai pereina į kietą medžiagą. fazė – desublimacija. Abiem atvejais perėjimas apeina skystąją fazę.
Fazių perėjimo kreivės padalija visą P,t diagramos lauką į tris zonas: į kairę nuo BAC linijų, kietojo kūno zoną (ledo), tarp VA ir KA kreivių, skysčio zoną ir į dešinę. CAS, perkaitintų garų zona. Šiuo atveju linija AK baigiasi viršuje su tašku K, nulemtu kritiniais parametrais. Esant slėgiui, viršijančiam kritinį, nėra matomo skysčio fazinio perėjimo į garus.
Vanduo reiškia medžiagas, turinčias keletą kristalinių fazių modifikacijų. Šiuo metu žinomos šešios vandens ledo modifikacijos. Esant slėgiui, pasiekiamam įprastuose techniniuose įrenginiuose, gaunama tik viena ledo modifikacija. Visas kitas modifikacijas galima gauti esant aukštam slėgiui. Tokioms medžiagoms P,t diagrama turi ne vieną, o kelis trigubus taškus, nes daugiau nei trijų grynos medžiagos fazių pusiausvyros būsena yra neįmanoma. Pagrindinis trigubas taškas tokioje diagramoje yra tas, kuriame vyksta skystosios, dujinės ir vienos iš kietųjų fazių pusiausvyra (taškas A, 6.2 pav.).
Medžiagoms, kurių tūrio kitimas normalus(tai apima daugumą gamtoje randamų medžiagų, bet vanduo nėra vienas iš jų.) esant pastoviam slėgiui, kylant temperatūrai, tūris nuolat didėja. Tokioms medžiagoms esant P = const kietosios fazės tūris yra mažesnis už skysčio tūrį, o skysčio tūris yra mažesnis už garų tūrį. Tokiu atveju tūrio pokytis fazinio perėjimo metu gali būti pavaizduotas Fig. 6.3.
1 taške - kieta fazė, kurios tūris yra v 1, taške a - kieta fazė lydymosi temperatūroje, kurios tūris yra v t p, taške a "- skystoji fazė lydymosi temperatūroje, kurios tūris yra v l p, taške c - skystoji fazė, kurios temperatūra yra prisotinta (verda), kurios tūris yra v", taške c" - garai su soties temperatūra, tūrio v", taške 2 - perkaitinti garai, kurių tūris yra v 2. Tūrių santykis v 2 >v">v">v f p >v t p >v 1, t.y. stebimas normalus reguliarus tūrio sumažėjimas nuo v 2 – garai iki v 1 – kietos fazės.
Pagal šį dėsningumą galima sudaryti fazių diagramą Р,v normalus reikalas(6.4 pav.). Tai atliekama atliekant eksperimentus, panašius į 12 procesą (6.3 pav.) esant įvairiems pastoviems slėgiams, dėl kurių normaliai medžiagai P, v diagramoje (6.4 pav.) gaunamos fazių perėjimo linijos: DC - kieta fazė lydymosi temperatūroje; AE – skystis lydymosi taške; AK - skystis soties temperatūra (virimo temperatūra, x=0); КL – sausi sotieji garai (x=1), ВС – kieta fazė sublimacijos temperatūroje.
Į kairę nuo eilutės SVD yra kietojo kūno sritis; tarp eilučių VD ir AE - kieta fazė + skystis; tarp linijų AE ir AK – skysčio plotas; tarp eilučių AK ir KN - skystis + garai; tarp eilučių CB, BN ir NL - kieta + garai; į dešinę nuo KL linijos yra garų fazės sritis. BAN horizontalė atitinka trigubą normalios medžiagos tašką P,t diagramoje.
Fazių diagrama T,s atrodo panaši į diagramą P,v normalus reikalas(6.5 pav.). Čia, kairėje nuo linijos DBC, yra kietoji fazė, tarp linijų BD ir AE yra dviejų fazių būsena, kieta + skysta, tarp AE ir AK – skystoji fazė, tarp BC ir NL – dvifazė būsena, kieta + garai; į dešinę nuo linijos KL - perkaitinti garai; tarp AK ir KN – dvifazė būsena skystis + garai soties būsenoje (šlapias prisotintas garas).
Šios fazių diagramos negali būti visiškai pritaikytos vandeniui. Vanduo– anomali medžiaga jam izobariškai pereinant iš skystos į kietą būseną, padidėja savitasis vandens tūris (vandens paviršiuje plūduriuoja ledas). Todėl P, v diagramoje yra dviejų fazių būsenos plotas ledas + skystis iš dalies uždėtas ant drėgnų garų ir skysčio zonos.
Ant pav. 6.6 padidintu masteliu parodyta fazių diagramos P,v srities dalis vandeniui kietosios fazės perėjimo į skystąją fazę zonoje esant žemai temperatūrai. Čia horizontali linija ABN yra izoterma, atitinkanti trigubą vandens tašką P,t diagramoje. AE vertikalė yra izoterma, atitinkanti skysčio trigubo taško temperatūrą, o BD vertikalė yra ta pati ledo izoterma. Tarp jų yra dvifazės būsenos zona skystis+ledas.
AMNL kreivė vaizduoja skysčio liniją soties temperatūroje (x=0). Didėjant slėgiui ir temperatūrai, pradedant nuo trigubo vandens taško A verčių, savitasis verdančio vandens tūris pirmiausia sumažėja, pasiekdamas minimumą taške M (apie 4 ° C ir 800 Pa), o toliau didėjant slėgiui ir temperatūrai, savitasis verdančio vandens tūris nuolat didėja. Esant maždaug 8 ° C temperatūrai (taškas N), jis pasiekia tam tikrą tūrį taške A, o dvi skysčio izotermos (0 ir 8 ° C) sutampa vertikalioje ŠR. Panašiai virš MN linijos vertikalės atitiks dvi skystosios vandens fazės izotermas. Kaip minėta anksčiau, skystis yra blogai suspaudžiama fazė, todėl vandens srityje izotermos yra beveik vertikalios tiesios linijos.
Kietoji vandens fazė taip pat blogai suspaudžiama; ledo izotermos P,v diagramoje yra praktiškai tiesios vertikalios linijos. Be to, kietosios fazės tūris 0 ° C temperatūroje yra artimas lydymosi ledo tūriui esant žemesnei nei 0 ° C temperatūrai, o skystosios fazės tūris 0 ° C temperatūroje yra artimas skysčio tūriui soties būsenoje esant neigiamai temperatūrai. Ledo lydymosi temperatūros pokyčio priklausomybė nuo slėgio yra silpnai išreikšta lyginant su soties temperatūros pokyčiu nuo slėgio, todėl esant -20 °C ledas tirpsta esant 187,3 MPa slėgiui, o esant +20 °C vanduo užverda 2,33 kPa slėgis. Visa tai, kas išdėstyta aukščiau, leidžia mums priimti 0 ° C skysčio izotermas – linija AE – ir ledą lydymosi būsenoje – BD P, v diagramoje – kaip ribines kreives tarp skystos fazės, dvifazės būsenos. ledas + skystis ir kieta fazė visiems slėgiams, viršijantiems vandens trigubo taško slėgį. Tokiu atveju, esant žemesnei nei 0 ° C temperatūros diapazonui, kietoji fazė bus kairėje nuo BD linijos, o skystoji - į kairę nuo AE linijos, nes mažėjant temperatūrai mažėja tiek skystosios, tiek kietosios fazės tūris, o ledo lydymosi slėgis yra didesnis nei vandens trigubo taško slėgis. Tačiau šie praktikoje naudojamų slėgių nuokrypiai yra labai maži.
Ledo fazinio perėjimo tiesiai į garus linija (sublimacijos linija) yra esant slėgiui žemiau trigubo taško slėgio - linijos BC. Šioje linijoje, mažėjant slėgiui, mažėja ledo temperatūra ir jo tūris. BC linijos kairėje yra tik kietoji fazė, dešinėje - kieta + garai.
Dėl to vandens fazių diagrama P,v turi tokią formą, kaip parodyta Fig. 6.7, a. Čia, kairėje nuo CBD linijos, yra kietoji vandens fazė, kairėje nuo AK linijos yra skystoji vandens fazė, o tarp EABD linijų yra dviejų fazių būsena. skystis+ledas, tarp CBNL linijų - dviejų fazių būsena ledas+garai, virš KL linijos – perkaitinti garai. Dėl anomalių vandens savybių P, v diagramoje sutampa skirtingų vandens fazių būsenų plotai: dvifazės būsenos plotas. ledas + skystis EABD yra ant EAMD skysčio srities ir dviejų fazių būsenos srities skystis + garai AMBA, be to, yra perdanga ant kietosios fazės srities, esančios kairėje nuo linijos BD. Reikėtų pažymėti, kad šių regionų vaizdas Fig. 6.7, bet dėl didesnio aiškumo padidintas, ne pagal mastelį. Realiai skysčio ir ledo tūriai yra daug mažesni nei taškuose A ir B, tuo pačiu mažėjant temperatūrai ir didėjant slėgiui šių fazinių būsenų tūriai mažėja, t.y. Kairėje nuo AE linijos skysčio sritis didėja didėjant slėgiui, o kietoji fazė, esanti kairėje nuo AE linijos, negali būti kairėje nuo skystosios vandens fazės esant neigiamai temperatūrai.
Norėdami iliustruoti skirtingų vandens fazių superpoziciją P, v diagramoje fig. 6.7, a, b rodo dvi izotermas (punktyrines linijas), kurių temperatūra yra didesnė nei (t> t o) ir mažesnė (t Izotermos 1234 temperatūra yra mažesnė nei 0 ° C ir eina P, v diagramoje 12 eilutėje skystoje srityje, 22 eilutėje - dvifazės būsenos srityje. skystis+ledas, 2"3 eilutėje - ledo srityje, 33 eilutėje - dvifazės būsenos srityje ledas+garai, 3 "4 eilutėje - perkaitinto garo srityje. Izotermos 567 temperatūra yra didesnė nei 0 ° C ir eina P, v diagramoje 56 eilutėje skystoje srityje, 66 eilutėje - dvifazės būsenos srityje. skystis + garai, 6 "7 eilutėje - perkaitinto garo srityje. Šių izotermų susikirtimo taškai P,v diagramoje rodo skirtingų vandens fazių būsenų superpoziciją viena ant kitos. Šiuose taškuose šios fazės būsenos turi tą patį specifinį tūrį esant tokiam pačiam slėgiui ir skirtingoms temperatūroms. Taigi izotermoje 56 esantis skystis turi tą patį specifinį tūrį skystis+ledas su vienu iš 22 colių izotermos taškų, o ledas ant 2 colių izotermos turi tokį patį tūrį kaip skystis + garai nuo vieno iš 66 colių izotermos taškų. Konstruojant vandens fazės T,s diagramą, entropijos atskaitos taškas pasirenkamas vandens trigubo taško parametruose (t o =0,01 o C ir P o =611,2 Pa) skysčiui, kurio būsena yra prisotinta (x). =0). Ateityje dėl nedidelio vandens trigubo taško temperatūros skirtumo nuo 0 ° C daugiausia bus naudojama nulis laipsnių Celsijaus vertė (tai reiškia vandens trigubo taško temperatūrą). Skystos vandens fazės entropijos 0 ° C temperatūroje įvairiems slėgiams (nuo trigubo vandens taško slėgio ir daugiau) turės beveik tas pačias skaitines vertes, artimas nuliui. Vandens skystosios fazės entropijų lygybė esant 0 ° C ir skirtingiems slėgiams paaiškinama prastu skystosios vandens fazės suspaudžiamumu. Kadangi entropiją, kaip ir bet kurį būsenos parametrą, lemia du nepriklausomi būsenos parametrai, temperatūrų ir specifinių skysčio tūrių lygybė 0 ° C izotermoje atitiks enropijų lygybę šiuose taškuose. Skaitinių entropijos verčių nuokrypiai šiuose taškuose nuo nulio yra 1 kJ/(kg·K) tūkstantosios dalys. Remiantis tuo, kas išdėstyta, 0 o C vandens skystosios fazės izoterma T, s diagramoje vaizduos tašką A (6.8 pav., a). Ledo lydymosi savitoji šiluma yra teigiama reikšmė, todėl 0 ° C temperatūroje ji yra 335 kJ / kg, todėl taškas B, atitinkantis kietąją fazę trigubo vandens taško temperatūroje ir slėgyje, bus kairėje taško A, t.y. su neigiama entropijos verte. Nenormalios vandens savybės pakeis jo fazių diagramos T,s pobūdį, palyginti su normalios medžiagos T,s diagrama skystos, kietos ir pusiausvyros dvifazės srityse. kieta + skysta Ir kieta + garai teigia. Pirma, šios sritys bus žemiau vandens trigubo taško izotermos, kaip ledas gali egzistuoti tik esant žemesnei (arba lygiai) 0 o C temperatūrai. Antra, jie bus uždėti ant sublimacijos srities, kurioje vienu metu yra kietoji ir garų fazės. Vandens skystoji fazė gali būti ir žemesnėje nei 0 °C temperatūroje, t.y. Esant tokioms temperatūroms, skystos fazės srities T, s diagramoje vėl bus perdanga ant dvifazių būsenų srities skystis+ledas Ir garai+ledas. Teigiama specifinė ledo tirpimo šiluma ir neigiama (Celsijaus laipsniais) temperatūra fazinio perėjimo iš ledo į skystį metu paaiškina fazių virsmų ribinių linijų vietą: BC – sublimacijos linija, AE – skysčio linija lydymosi temperatūroje, BD – ledo linija lydymosi temperatūroje (.6.8 pav., a). Fazinių virsmų linijų pobūdis šiame regione paaiškinamas skysčio ir ledo izobarinės šiluminės talpos priklausomybe nuo slėgio (T, s diagramoje mažesnės šiluminės talpos linijos yra statesnės nei didesnės šiluminės talpos linijos). BC sublimacijos linija yra plokštesnė nei HP linija, nes ledo izobarinė šiluminė talpa didėja mažėjant slėgiui, o esant toms pačioms temperatūroms, slėgis BC linijoje yra mažesnis nei slėgis HP linijoje. Savo ruožtu VD linija yra statesnė už AE liniją, nes esant toms pačioms temperatūroms ledo izobarinė šiluminė talpa yra mažesnė už skysčio šiluminę talpą. Vandens fazės T,s diagrama bus pateikta pav. 6.8, a. Į kairę nuo linijos KAE bus skystos vandens fazės sritis, tarp linijų DBAE - dvifazės būsenos sritis skystis+ledas, tarp eilučių T apie BD - kietosios fazės plotas, tarp eilučių CBNL - plotas kieta fazė+garai, virš KL linijos yra perkaitinto garo plotas. Dviejų fazių būsenos sritis skystis+ledas DBAE yra ant dviejų fazių būsenos srities ledas+garai CBNL. Savo ruožtu, dvifazės būsenos srityje garai+ledas CBNL dengia ledo regiono CBD. Be to, ledo ir dviejų fazių būsenų regione ledas+garai Ir skystis+ledas skysčio plotas, esantis kairėje nuo linijos AE. BD eilutėje yra tirpstančio ledo plotas, AE linijoje - tirpimo temperatūros skysčiai, BC linijoje - sublimacijos sritis, riba tarp ledo ir ledo. keltas+ledas, eilutėje AK - sočiųjų skysčių plotas, KL eilutėje - sausi prisotinti garai. Norėdami vizualizuoti vandens fazių transformacijas T, s diagrama fig. 2.8, o punktyrinė linija rodo izobarus, kurių slėgis didesnis nei (P> P o) ir mažesnis (P<Р o), чем давление в тройной точке воды. Те же изобары показаны на рис. 6.8, б в Р,t- диаграмме. Ateityje pagrindinis dėmesys bus skiriamas vandens skysčių ir garų fazių savybėms esant aukštesnei arba lygiai 0 ° C. Todėl fazių diagramose pavaizduosime tik šias sritis, t.y. praktiškai tai yra dešinioji pusė vertikalės, nubrėžtos per tašką A, atžvilgiu. Šiuo atveju P, v diagramoje 0 °C izoterma skystoje srityje gali būti laikoma kairiąja skysčio ribine kreive. fazė, nuo jis beveik vertikalus. T,s diagramoje entropijos atskaitos tašku imami vandens skystosios fazės trigubo taško parametrai. Kadangi 0 o C temperatūroje vandens skystosios fazės tūris yra praktiškai lygus jo tūriui trigubame taške, o vandens trigubo taško temperatūra yra labai artima 0 o C, šių dviejų parametrų pastovumas duos pastovi vandens skystosios fazės entropijos vertė esant įvairiems slėgiams ir t = 0 o C Taigi visi izobarai vandens skystosios fazės srityje išeis iš taško A T, s diagramoje. Taigi pagrindinės vandens ir garų fazių linijos ir procesai P, v diagramoje gali būti pateikti Fig. 6.9. Čia subkritinės izotermos skystoje srityje (12) yra artimos vertikalioms tiesioms linijoms su nedideliu poslinkiu į kairę. Drėgnų garų srityje (23) izoterma sutampa su soties izobaru. Perkaitintų garų srityje (34) izoterma reiškia žemyn išgaubtą kreivę. Kritinė izoterma turi vingio tašką kritiniame taške. Izotermos ties t > t cr gali turėti ir vingio tašką, kuris išnyksta esant aukštai temperatūrai. Pastovių entropijų linijos yra kreivės, išgaubtos žemyn. Be to, linijos s< s кр пересекают только линию x = 0, а линии s >s cr kerta tik tiesę x = 1. Linijų konstrukcija x=const atitinka atkarpų santykį: Konkretus skysčio tūris labai skiriasi nuo specifinio sausų sočiųjų garų tūrio. Taigi trigubame vandens taške skystis (taškas A) turi v o "= 0,00100022 m 3 / kg, o garas - v o" = 206,175 m 3 / kg, kritiniame taške v cr = 0,003147 m 3 / kg. Esant 1 baro slėgiui, v"=0,0010434 m 3 /kg, o v"=1,6946 m 3 /kg. Dėl to linija x=0 yra statesnė už liniją x=1. Vandens skystųjų ir garų fazių T, s diagramos vaizdas su pagrindinių procesų ir parametrų linijų brėžiniu bus pateiktas detaliai ištyrus vandens skysčio ir garų fazių termodinamines savybes. Paprastai vadinama tarpinė materijos būsena tarp realių dujų ir skysčio būsenos garinis arba tiesiog keltas. Skysčio pavertimas garais yra fazių perėjimas iš vienos agregatinės būsenos į kitą. Fazinio virsmo metu pastebimas staigus fizikinių medžiagos savybių pokytis. Tokių fazių perėjimų pavyzdys yra procesas verdantis skysčiai su drėgni prisotinti garai ir vėlesnis jo perėjimas į drėgmės nebuvimą sausi sotieji garai arba atvirkštinis virimo procesas kondensacija sočiųjų garų. Viena iš pagrindinių sauso sočiųjų garų savybių yra ta, kad dėl tolesnio šilumos tiekimo į jį pakyla garo temperatūra, t.y. jis pereina į perkaitinto garo būseną, o pašalinus šilumą pereina į drėgnų sočiųjų garų būsena. IN 1 pav. Vandens garų fazių diagrama T, s koordinatėmis.
Regionasaš- dujinė būsena (perkaitinti garai, turintys tikrų dujų savybių); RegionasII– vandens ir sočiųjų vandens garų pusiausvyros būsena (dviejų fazių būsena). II regionas dar vadinamas garavimo sritimi; RegionasIII- skysta būsena (vanduo). III sritis ribojasi su EK izoterma; RegionasIV– kietosios ir skystosios fazės pusiausvyros būsena; RegionasV- kietojo; III, II ir I regionai yra atskirti pasienio linijos AK (kairė linija) ir KD (dešinė linija). Bendras ribinių linijų AK ir KD taškas K turi specialių savybių ir yra vadinamas kritinis taškas. Šis taškas turi parametrus pkr,
vkr Ir T kr, kuriame verdantis vanduo pereina į perkaitintus garus, apeinant dviejų fazių sritį. Todėl vanduo negali egzistuoti aukštesnėje nei Tcr temperatūroje. Kritinis taškas K turi parametrus: pkr= 22,136 MPa; vkr\u003d 0,00326 m 3 / kg; tkr\u003d 374,15 ° С. Vertybės p, t, v Ir s abiem ribinėms linijoms pateiktos specialiose vandens garų termodinaminių savybių lentelėse. 2 ir 3 paveiksluose pavaizduoti vandens kaitinimo iki virimo, garų išgarinimo ir perkaitimo procesai. p, v- Ir T, s- diagramos. Pradinė skysto vandens būsena esant slėgiui p 0 ir kurio temperatūra yra 0 °C, pavaizduota diagramose p, v Ir T, s taškas A. Kai šiluma tiekiama val p= const jo temperatūra didėja ir savitasis tūris didėja. Tam tikru momentu vandens temperatūra pasiekia virimo tašką. Šiuo atveju jo būsena nurodoma tašku b. Toliau tiekiant šilumą, garavimas prasideda stipriai padidėjus tūriui. Tokiu atveju susidaro dvifazė terpė – vandens ir garų mišinys, vadinamas drėgni prisotinti garai. Mišinio temperatūra nesikeičia, nes šiluma išleidžiama skystos fazės išgaravimui. Garinimo procesas šiame etape yra izobarinis-izoterminis ir diagramoje nurodytas kaip skyrius bc. Tada tam tikru momentu visas vanduo virsta garais, vadinamas sausas prisotintas. Ši būsena diagramoje pažymėta tašku. c. 2 pav. P, v diagrama vandeniui ir garams. 3 pav. T, s vandens ir garų diagrama. Toliau tiekiant šilumą, garų temperatūra padidės ir vyks garų perkaitimo procesas. c - d. taškas d rodo perkaitintų garų būseną. Taško atstumas d iš taško Su priklauso nuo perkaitintų garų temperatūros. Indeksavimas, norint nurodyti kiekius, susijusius su skirtingomis vandens ir garų būsenomis: Garinimo procesas esant aukštesniam slėgiui p1 > p0 galima pastebėti, kad taškas a, atspindinti pradinę vandens būseną esant 0 ° C temperatūrai ir naujam slėgiui, išlieka praktiškai toje pačioje vertikalioje padėtyje, nes specifinis vandens tūris beveik nepriklauso nuo slėgio. Taškas b′(vandens būsena esant soties temperatūrai) pasislenka į dešinę p, v- diagramą ir lipa aukštyn T,s- diagrama. Taip yra todėl, kad didėjant slėgiui, didėja ir prisotinimo temperatūra, taigi ir specifinis vandens tūris. Taškas c′(sausų sočiųjų garų būsena) pasislenka į kairę, nes didėjant slėgiui savitasis garų tūris mažėja, nepaisant temperatūros padidėjimo. Kelių taškų sujungimas b Ir c esant įvairiems slėgiams, pateikia apatinės ir viršutinės ribos kreives ak Ir kc. Nuo p, v-diagrama rodo, kad didėjant slėgiui, konkrečių tūrių skirtumas v″ Ir v' mažėja ir esant tam tikram slėgiui tampa lygus nuliui. Šiame taške, vadinamame kritiniu tašku, ribinės kreivės susilieja ak Ir kc. Tašką atitinkanti būsena k, vadinamas kritiškas. Jam būdinga tai, kad su juo garai ir vanduo turi vienodus specifinius tūrius ir nesiskiria vienas nuo kito. Regionas, esantis kreiviniame trikampyje bkc(V p, v-diagrama), atitinka drėgnus prisotintus garus. Perkaitinto garo būsena rodoma taškais, esančiais virš viršutinės ribinės kreivės kc. Įjungta T, s- diagramos sritis 0 abs atitinka šilumos kiekį, reikalingą skystam vandeniui pašildyti iki soties temperatūros. Tiekiamos šilumos kiekis, J/kg, lygus garavimo šilumai r, išreikštas plotu s'bcs, ir jis turi ryšį: r = T(s″ - s′).
Perkaitinant vandens garus tiekiamas šilumos kiekis parodomas plotu s″cd. Įjungta T, s- diagrama rodo, kad didėjant slėgiui garavimo šiluma mažėja ir kritiniame taške tampa lygi nuliui. Paprastai T, s-diagrama naudojama teorinėse studijose, nes jos praktiniam naudojimui labai trukdo tai, kad šilumos kiekiai išreiškiami kreivinių figūrų plotais. Remiantis mano termodinamikos paskaitų konspektų ir vadovėlio „Energijos pagrindai“ medžiaga. Autorius G. F. Bystritsky. 2 leidimas, red. ir papildomas — M.: KNORUS, 2011. — 352 p.
Vandens fazinės būsenos
Vandens garų gavimo iš vandens procesas
