Diagrama trecerii apei la abur. Stări de fază și transformări ale apei. Curba de topire a gheții VI

O diagramă de stare (sau diagramă de fază) este o reprezentare grafică a relației dintre mărimile care caracterizează starea sistemului și transformările de fază din sistem (tranziția de la o stare solidă la o stare lichidă, de la o stare lichidă la o stare gazoasă etc. .).

Pentru sistemele cu o singură componentă se folosesc de obicei diagrame de stare, care arată dependența transformărilor de fază de temperatură și presiune; se numesc diagrame de stare în coordonate P-t.

Pe fig. 10.1 prezintă sub formă schematică (fără aderarea strictă la scară) o diagramă a stării apei. Orice punct din diagramă corespunde anumitor valori ale temperaturii și presiunii.

Orez. 10.1. Diagrama stării apei în zona de joasă presiune

Diagrama arată acele stări ale apei care sunt stabile termodinamic la anumite temperaturi și presiuni. Este format din trei curbe care delimitează toate temperaturile și presiunile posibile în trei regiuni corespunzătoare gheții, lichidului și vaporilor.

Curba OA reprezintă dependența presiunii vaporilor de apă saturati de temperatură: punctele curbei arată acele perechi de valori de temperatură și presiune la care apa lichidă și vaporii de apă sunt în echilibru între ele. Curba OA se numește curba de echilibru lichid-vapori sau curba de fierbere.

curba OS - stare solidă - curba echilibrului lichid, sau curba de topire, - arată acele perechi de valori de temperatură și presiune la care gheața și apa lichidă sunt în echilibru.

curba RH - curba de echilibru stare solida - abur, sau curba de sublimare. Ea corespunde acelor perechi de valori de temperatură și presiune la care gheața și vaporii de apă sunt în echilibru.

Toate cele trei curbe se intersectează în punctul O. Coordonatele acestui punct sunt singura pereche de valori de temperatură și presiune la care toate cele trei faze pot fi în echilibru: gheață, apă lichidă și abur. Ea poartă numele punct triplu.

Punctul triplu corespunde unei presiuni a vaporilor de apă de 0,610 kPa (4,58 mm Hg) și unei temperaturi de 0,0 GS.

Diagrama stării apei este importantă în dezvoltarea regimurilor tehnologice de obținere a produselor alimentare. De exemplu, după cum urmează din diagramă, dacă gheața este încălzită la o presiune mai mică de 0,610 kPa (4,58 mm Hg), atunci se transformă direct în abur. Aceasta stă la baza dezvoltării metodelor de obținere a produselor alimentare prin liofilizare.

Una dintre caracteristicile apei care o deosebește de alte substanțe este scăderea punctului de topire al gheții odată cu creșterea presiunii. Această împrejurare este reflectată în diagramă. Curba de topire OC de pe diagrama de stare a apei merge în sus la stânga, în timp ce pentru aproape toate celelalte substanțe merge în sus la dreapta.

Transformările care se produc cu apa la presiunea atmosferică sunt reflectate în diagramă prin puncte sau segmente situate pe orizontală corespunzător la 101,3 kPa (760 mm Hg). Deci, topirea gheții sau cristalizarea apei corespunde punctului D, fierberea apei corespunde punctului E, încălzirea sau răcirea apei corespunde segmentului DE etc.

Starea apei a fost studiată într-o gamă largă de temperaturi și presiuni. La presiuni mari s-a stabilit existența a cel puțin zece modificări cristaline ale gheții. Cea mai studiată este gheața I - singura modificare a gheții găsită în natură.

Prezența diferitelor modificări ale substanței - polimorfism duce la complicarea diagramelor de stare.

Diagrama de fază a apei în coordonate R - T prezentat în Fig.15. Este format din 3 câmpuri de fază- zone de diverse R, T- valori la care există apă sub forma unei anumite faze - gheață, apă lichidă sau abur (indicate în figură prin literele L, W și respectiv P). Aceste câmpuri de fază sunt separate prin 3 curbe de limită.

Curba AB - curba de evaporare, exprimă dependența presiunea vaporilor apei lichide la temperatură(sau, invers, reprezintă dependența punctului de fierbere al apei de presiunea exterioară). Cu alte cuvinte, această linie corespunde unei două faze echilibru.

Apă lichidă ↔ abur, iar numărul de grade de libertate calculat din regula fazei este CU= 3 – 2 = 1. Un astfel de echilibru se numește monovariant. Aceasta înseamnă că, pentru o descriere completă a sistemului, este suficient să se definească numai o variabilă- fie temperatură, fie presiune, deoarece pentru o temperatură dată există o singură presiune de echilibru și pentru o presiune dată - doar o temperatură de echilibru.

La presiuni și temperaturi corespunzătoare punctelor sub linia AB, lichidul se va evapora complet, iar această regiune este regiunea vaporilor. Pentru a descrie un sistem într-o regiune monofazată dată, sunt necesare două variabile independente: temperatura și presiunea ( CU = 3 – 1 = 2).

La presiuni și temperaturi corespunzătoare punctelor de deasupra liniei AB, vaporii sunt complet condensați într-un lichid ( CU= 2). Limita superioară a curbei de evaporare AB este în punctul B, care se numește punctul critic (pentru apă 374,2ºС și 218,5 ATM.). Peste această temperatură, fazele lichide și de vapori devin indistinse (interfața lichid/vapor dispare), deci F = 1.

Linia AC - această curbă de sublimare a gheții (uneori numită linia de sublimare), reflectând dependența presiunea vaporilor de apă deasupra gheții la temperatură. Această linie corespunde echilibrului monovariant gheață ↔ vapori ( CU= 1). Deasupra liniei AC se află regiunea gheții, sub regiunea aburului.

Linia AD - curba de topire, exprimă dependența temperatura de topire a gheții la presiuneși corespunde echilibrului monovariant gheață ↔ apă lichidă. Pentru majoritatea substanțelor, linia AD se abate de la verticală la dreapta, dar comportamentul apei este anormal: apa lichidă ocupă un volum mai mic decât gheața. O creștere a presiunii va determina o schimbare a echilibrului către formarea lichidului, adică punctul de îngheț va scădea.

Studiile inițiate de Bridgman pentru a determina cursul curbei de topire a gheții la presiuni mari au arătat că toate existent modificările cristaline ale gheții, cu excepția primei, sunt mai dense decât apa. Astfel, limita superioară a liniei AD este punctul D, unde gheața I (gheața obișnuită), gheața III și apa lichidă coexistă în echilibru. Acest punct este la -22ºС și 2450 ATM.

Orez. 15. Diagrama de fază a apei

Exemplul apei arată că diagrama de fază nu are întotdeauna un caracter atât de simplu, așa cum se arată în Fig.15. Apa poate exista sub forma mai multor faze solide, care diferă prin structura lor cristalină (vezi Fig. 16).

Orez. 16. Diagrama de fază extinsă a apei într-o gamă largă de valori ale presiunii.

Punctul triplu al apei (un punct care reflectă echilibrul celor trei faze - lichid, gheață și abur) în absența aerului este la 0,01ºС ( T = 273,16K) și 4,58 mmHg. Numărul de grade de libertate CU= 3-3 = 0 și un astfel de echilibru se numește invariant.

În prezența aerului, cele trei faze sunt în echilibru la 1 ATM. și 0ºС ( T = 273,15K). Scăderea punctului triplu în aer este cauzată de următoarele motive:

1. Solubilitatea aerului în apă lichidă la 1 ATM, ceea ce duce la o scădere a punctului triplu cu 0,0024ºС;

2. Creșterea presiunii de la 4,58 mmHg. pana la 1 ATM, care reduce punctul triplu cu încă 0,0075ºС.

Ce vom face cu materialul primit:

Dacă acest material s-a dovedit a fi util pentru dvs., îl puteți salva pe pagina dvs. de pe rețelele sociale:

tweet

Toate subiectele din această secțiune:

Subiectul chimiei fizice și semnificația ei
Relația dintre fenomenele chimice și cele fizice este studiată de chimia fizică. Această ramură a chimiei este granița dintre chimie și fizică. Folosind metode teoretice și experimentale despre

Scurtă schiță a istoriei dezvoltării chimiei fizice
Termenul de „chimie fizică” și definiția acestei științe au fost date pentru prima dată de M.V. Lomonosov, care în 1752-1754. a citit un curs de chimie fizică studenților Academiei de Științe și a lăsat manuscrisul acestui curs

Energie. Legea conservării și transformării energiei
O proprietate (atribut) integrală a materiei este mișcarea; este indestructibil, ca și materia însăși. Mișcarea materiei se manifestă sub diferite forme, care pot trece una în alta. Mișcă-te după măsură

Subiectul, metoda și limitele termodinamicii
Concentrându-și atenția asupra căldurii și muncii ca forme de transfer de energie într-o varietate de procese, termodinamica implică numeroase dependențe energetice în cercul luat în considerare.

Caldura si munca
Modificările formelor de mișcare în timpul tranziției sale de la un corp la altul și transformările corespunzătoare ale energiei sunt foarte diverse. Formele de tranziție a mișcării în sine și transformările de energie asociate acesteia

Echivalența căldurii și a muncii
Un raport echivalent constant între căldură și lucru în timpul tranzițiilor lor reciproce a fost stabilit în experimentele clasice ale lui D.P. Joule (1842-1867). Un experiment tipic Joule este după cum urmează (

Energie interna
Pentru un proces necircular, egalitatea (I, 1) nu este respectată, deoarece sistemul nu revine la starea inițială. În schimb, egalitățile pentru un proces non-circular pot fi scrise (omițând coeficientul

Prima lege a termodinamicii
Prima lege (prima lege) a termodinamicii este direct legată de legea conservării energiei. Vă permite să calculați echilibrul de energie în cursul diferitelor procese, inclusiv cele chimice.

Ecuații de stare
Multe proprietăți ale unui sistem aflat în echilibru și ale fazelor sale constitutive sunt interdependente. O schimbare în una dintre ele provoacă o schimbare în celelalte. Dependenţe funcţionale cantitative între

Funcționarea diferitelor procese
Sub numele de muncă, multe procese energetice sunt combinate; o proprietate comună a acestor procese este cheltuirea energiei sistemului pentru a depăși o forță care acționează din exterior. Astfel de procese includ

Capacitate termica. Calculul căldurii diferitelor procese
O determinare experimentală a capacității termice specifice (c) sau molară (C) a unui corp constă în măsurarea căldurii Q absorbită atunci când se încălzește un gram sau un mol de substanță.

Coeficienții calorici
Energia internă a sistemului U, fiind o funcție de stare, este o funcție de variabile independente (parametri de stare) ai sistemului. În cele mai simple sisteme, vom lua în considerare cele interne

Aplicarea primei legi a termodinamicii la un gaz ideal
Luați în considerare un gaz ideal, adică un gaz a cărui stare a unui mol este descrisă de ecuația Mendeleev-Clapeyron:

Procese adiabatice în gaze
Se spune că un sistem termodinamic suferă un proces adiabatic dacă este reversibil și dacă sistemul este izolat termic astfel încât să nu aibă loc nici un schimb de căldură între sistem și sistem în timpul procesului.

Entalpie
Ecuația primei legi a termodinamicii pentru procesele în care se efectuează numai lucrări de expansiune ia forma: δQ = dU + PdV (I, 51) Dacă procesul se desfășoară la o constantă

variabilă chimică. Formularea primei legi a termodinamicii pentru procese însoțite de transformări chimice și de fază
Ecuațiile (I, 27), (I, 28) și formulările date anterior ale primei legi a termodinamicii sunt valabile pentru orice sistem închis de echilibru, indiferent dacă în el au loc reacții chimice sau chimice.

Termochimie. legea lui Hess
În timpul transformărilor chimice, are loc o modificare a energiei interne a sistemului, datorită faptului că energia internă a produselor de reacție diferă de energia internă a substanțelor inițiale.

Dependența efectului termic de temperatură. Ecuația lui Kirchhoff
Conform legii lui Hess, este posibil să se calculeze efectul termic al unei reacții la temperatura la care sunt cunoscute căldurile de formare sau căldurile de ardere ale tuturor reactanților (de obicei 298K). Cu toate acestea, adesea

Procese spontane și nespontane
Din prima lege a termodinamicii și legile schimbului de energie între corpurile care decurg din aceasta în timpul diferitelor procese, este imposibil de concluzionat dacă, în general, acest proces este posibil și în

A doua lege a termodinamicii
Cele mai frecvente și cu siguranță spontane procese sunt transferul de căldură de la un corp fierbinte la unul rece (conducție termică) și trecerea muncii în căldură (frecare). Viață veche de secole

Metode de calcul al variației de entropie
Ecuațiile (II, 12) și (II, 13), care determină entropia, sunt singurele ecuații inițiale pentru calculul termodinamic al modificării entropiei sistemului. Înlocuirea căldurii elementare în ecuație

postulatul lui Planck
Prin ecuația (II, 3) este imposibil să se calculeze valoarea absolută a entropiei sistemului. Această posibilitate este oferită de o propoziție nouă, nedemonstrabilă, care nu decurge din cele două legi ale termodinamicii, care a fost formulată

Valori de entropie absolută
Postulatul lui Planck este utilizat în studiul termodinamic al proceselor chimice pentru a calcula valorile absolute ale entropiei compușilor chimici - cantități care sunt de mare importanță atunci când

entropia standard. Modificarea entropiei în timpul unei reacții chimice
Entropia, ca și alte funcții termodinamice, se referă de obicei la starea standard a materiei. Amintiți-vă că starea standard este caracterizată de condițiile standard

Interpretarea statistică a entropiei
Conceptul de entropie ca funcție de stare se bazează pe un concept macroscopic. Valabilitatea celei de-a doua legi a termodinamicii este legată de realitatea proceselor ireversibile. Spre deosebire de ireversibil

Energia Helmholtz
Amintim că a doua lege a termodinamicii definește criteriile pentru apariția spontană a proceselor în sisteme izolate. Cu toate acestea, astfel de condiții (lipsa schimbului de energie și materie cu mediul)

Energia Gibbs
Dorind să luăm în considerare și alte tipuri de lucrări, pe lângă lucrările de extindere, într-o formă generală, reprezentăm munca elementară ca sumă a lucrărilor de extindere și a altor tipuri de lucrări: dW = PdV + dW" (III, 15)

Funcții caracteristice. Ecuații fundamentale (canonice) de stare
Anterior, am determinat următoarele funcții termodinamice - proprietăți ale sistemului: energia internă U, entalpia H, entropia S, energia Helmholtz F, energia Gibbs G

relațiile lui Maxwell
Considerăm acum derivatele a doua mixte ale funcțiilor caracteristice. Ținând cont de ecuațiile (III, 26), putem scrie:

Ecuația Gibbs-Helmholtz
Ecuația Gibbs-Helmholtz face posibilă determinarea modificării energiei Gibbs care însoțește reacțiile chimice la orice temperatură dată, dacă dependența căldurii reacțiilor chimice de

Energia Gibbs a unui amestec de gaze ideale. Determinarea potențialului chimic
Energia Gibbs este o funcție extinsă, care face posibilă calcularea valorii sale pentru un amestec de gaze ideale. Imaginați-vă un rezervor împărțit de partiții în secțiuni, așa cum se arată

Potenţial chimic
Pentru a clarifica semnificația conceptului de „potențial chimic”, diferențiem expresia (III.51) ca produs la constanta P și T:

Tranziții de fază. Ecuația Clausius-Clapeyron
Într-un sistem format din mai multe faze ale unei substanțe pure care sunt în echilibru, sunt posibile tranzițiile unei substanțe de la o fază la alta. Astfel de tranziții se numesc tranziții de fază.

Tranziții de fază de primul fel. Topire. Evaporare
Tranziții de fază caracterizate prin egalitatea potențialelor izobare a două faze care coexistă în echilibru și o schimbare bruscă a primelor derivate în raport cu energia Gibbs (entropie și volum) la ne

Tranziții de fază de al doilea fel
O tranziție de fază de al doilea fel este o tranziție de echilibru a unei substanțe de la o fază la alta, în care doar derivatele secunde ale energiei Gibbs în raport cu temperatură și presiune se schimbă brusc.

Presiunea vaporilor saturați în funcție de temperatură
Presiunea vaporilor de saturație a unui lichid crește brusc odată cu creșterea temperaturii. Acest lucru poate fi observat din Figura 12, care prezintă curbele de presiune a vaporilor ale unor lichide începând de la punctele de topire.

Condiții generale de echilibru
Orice sistem închis aflat în echilibru la presiune și temperatură constante este caracterizat de relația:

regula fazei Gibbs
În 1876, Gibbs a derivat o formulă simplă care raportează numărul de faze (F) în echilibru, numărul de componente (K) și numărul de grade de libertate (C) ale sistemului. În echilibru, ar trebui

Aplicarea regulii fazei Gibbs la sistemele cu o singură componentă. Diagrame de stare a apei și a sulfului
Pentru un sistem monocomponent, K = 1 iar regula fazei se scrie ca: C = 3 - F Dacă F = 1, atunci C = 2, se spune că sistemul este bivariant;

Diagrama fazelor de sulf
Sulful cristalin există sub formă de două modificări - rombic (Sp) și monoclinic (Sm). Prin urmare, este posibilă existența a patru faze: rombic, mo

Legea maselor active. Constanta de echilibru pentru reacțiile în fază gazoasă
Să presupunem că o reacție reversibilă din punct de vedere chimic are loc între substanțele gazoase A1, A2 ... Ai, A’1, A’2 ... A’i conform ecuației:

Ecuația izotermei reacției chimice
Să presupunem că o reacție chimică are loc într-un amestec de gaze ideale conform ecuației Să presupunem că în momentul aplicării

Conceptul de afinitate chimică
Din faptul că unele substanțe reacționează între ele ușor și rapid, altele cu dificultate, iar altele nu reacționează deloc, se naște o presupunere despre prezența sau absența unei afinități chimice speciale.

Utilizarea legii acțiunii masei pentru a calcula compoziția amestecurilor de echilibru
Pentru a determina compoziția sistemului la echilibru în stare de echilibru și, în consecință, randamentul produsului(lor) de reacție, este necesar să se cunoască constanta de echilibru și compoziția amestecului inițial. Compus

Echilibre chimice eterogene
Legea acțiunii în masă a fost derivată folosind legea stării gazelor ideale și este aplicabilă în primul rând amestecurilor de gaze. Cu toate acestea, poate fi aplicat fără modificări semnificative la semnificative

Efectul temperaturii asupra echilibrului chimic. Ecuația izobară a reacției chimice
Pentru a determina dependența lui K0 de temperatură în formă diferențială, folosim ecuația Gibbs-Helmholtz (III, 41)

Principiul Le Chatelier-Brown
Sistemul, scos din starea de echilibru, revine din nou la starea de echilibru. Le Chatelier și Brown au afirmat un principiu simplu care poate fi folosit pentru a prezice unde, de exemplu,

Teorema Nernst termică
Un calcul direct și simplu al modificării energiei Gibbs și, în consecință, constantele de echilibru ale reacțiilor chimice nu provoacă dificultăți dacă se cunosc căldura reacției chimice și valorile absolute.

Echilibrul chimic în sisteme non-ideale
Legea acțiunii masei (V, 5) este aplicabilă, așa cum sa menționat deja, numai gazelor ideale (sau soluțiilor ideale). Pentru astfel de sisteme, produsul presiunilor parțiale relative de echilibru este reactiv

Dependența entalpiei substanțelor și efectele termice ale reacțiilor chimice de presiune
Când luăm în considerare dependența entalpiei de presiune, folosim expresia binecunoscută pentru diferența sa totală (III, 27): dH = VdP + TdS

La k n= 1 ecuația regulii fazei va lua forma:

C \u003d 3 - F,

Dacă există 1 fază în echilibru, atunci C = 2, spune că sistemul bivariant;

2 faza C \u003d 1, sistem monovariant;

3 faze C \u003d 0, sistem invariant.

Se numește o diagramă care exprimă dependența stării unui sistem de condițiile externe sau de compoziția sistemului diagramă de fază. Relația dintre presiune ( R), temperatura ( T) și volum ( V) fazele pot fi reprezentate printr-o diagramă de fază tridimensională. Fiecare punct (numit punct figurat) pe o astfel de diagramă descrie o stare de echilibru. De obicei, este mai convenabil să lucrați cu secțiuni ale acestei diagrame printr-un plan r - T(la V = const) sau avion p-V(la T = const). Să analizăm mai detaliat cazul unei secțiuni cu un plan r - T(la V=const).

Luați în considerare, ca exemplu, diagrama de fază a unui sistem monocomponent - apă (Fig. 8).

Diagrama de fază a apei

Diagrama de fază a apei în coordonate r - T prezentate în Fig.8. Este format din 3 câmpuri de fază- zone de diferite ( p, T)-valori la care există apă sub forma unei anumite faze - gheață, apă lichidă sau abur (indicate în Fig. 8 prin literele L, W și respectiv P). Pentru aceste regiuni monofazate, numărul de grade de libertate este două, echilibrul este bivariant ( C \u003d 3 - 1 \u003d 2). Aceasta înseamnă că pentru a descrie sistemul, două variabile independente - temperatura si presiunea. Aceste variabile pot fi modificate în aceste zone în mod independent, fără a modifica tipul și numărul de faze.

Câmpurile de fază sunt separate prin 3 curbe de limită.

Curba AB - curba de evaporare, exprimă dependență presiunea vaporilor apei lichide la temperatură(sau, invers, reprezintă dependența punctului de fierbere al apei de presiune). Cu alte cuvinte, această linie corespunde în două faze echilibrul apă lichidă-abur, iar numărul de grade de libertate calculat conform regulii fazei este C \u003d 3 - 2 \u003d 1. Un asemenea echilibru monovariant. Aceasta înseamnă că, pentru o descriere completă a sistemului, este suficient să se definească numai o variabilă fie temperatura, fie presiunea. A doua variabilă este dependentă, este dată de forma curbei AB . Astfel, pentru o temperatură dată, există o singură presiune de echilibru, sau pentru o presiune de vapori dată, o singură temperatură de echilibru.

La presiuni și temperaturi corespunzătoare punctelor sub linia AB, lichidul se va evapora complet, iar această regiune este regiunea vaporilor.

La presiuni și temperaturi corespunzătoare punctelor de deasupra liniei AB, vaporii sunt complet condensați într-un lichid ( C = 2). Limita superioară a curbei de evaporare AB este în punctul B, care se numește punct critic(pentru apa 374 o C si 218 atm). Peste această temperatură, fazele lichide și de vapori devin indistinse (dispare o interfață limpede lichid/vapor), deci Ф=1.

linie AC- acestcurba de sublimare a ghetii(numită uneori linia de sublimare), reflectând dependența presiunea vaporilor de apă deasupra gheții la temperatură. Această linie corespunde monovariant echilibru gheață-vapori ( C=1). Deasupra liniei AC se află regiunea gheții, sub regiunea aburului.

Linia AD - curba de topire, exprimă dependență temperatura de topire a gheții la presiune si corespunde monovariant echilibrul gheață-apă lichidă. Pentru majoritatea substanțelor, linia AD deviază de la verticală la dreapta, dar comportamentul apei este anormal: apa lichidă ocupă un volum mai mic decât gheața. Pe baza principiului Le Chatelier, se poate prezice că o creștere a presiunii va determina o schimbare a echilibrului către formarea unui lichid, adică. punctul de îngheț va scădea.

Fig.8. Diagrama de fază a apei

Studiile efectuate de Bridgman pentru a determina cursul curbei de topire a gheții la presiuni mari au arătat că există șapte modificări cristaline diferite ale gheții, fiecare dintre acestea, cu excepția primei, mai dens decât apa. Astfel, limita superioară a dreptei AD este punctul D, unde gheața I (gheața obișnuită), gheața III și apa lichidă sunt în echilibru. Acest punct este la -22 0 C și 2450 atm.

Punct triplu de apă(un punct care reflectă echilibrul a trei faze - lichid, gheață și abur) în absența aerului este la 0,0100 o C și 4,58 mm Hg. Numărul de grade de libertate CU=3-3=0 și se numește un astfel de echilibru invariant. Când se modifică orice parametru, sistemul încetează să mai fie trifazat.

În prezența aerului, cele trei faze sunt în echilibru la 760 mm Hg. iar la 0 o C. Scăderea temperaturii punctului triplu din aer este cauzată de următoarele motive:

1. solubilitatea componentelor gazoase ale aerului in apa lichida la 1 atm, ceea ce duce la scaderea punctului triplu cu 0,0024 o C;

2. creşterea presiunii de la 4,58 mm Hg. până la 1 atm, ceea ce reduce punctul triplu cu încă 0,0075 o C.

În primul rând, să fim de acord că termenul „apă” va însemna H2O în oricare dintre posibilele sale stări de fază.

În natură, apa poate fi în trei stări: fază solidă (gheață, zăpadă), fază lichidă (apă), fază gazoasă (abur).

Luați în considerare apa fără interacțiunea energetică cu mediul, de exemplu. într-o stare de echilibru.

Aburul este întotdeauna prezent la suprafața gheții sau a lichidului. Fazele de contact sunt în echilibru termodinamic: moleculele rapide zboară din faza lichidă, depășind forțele de suprafață, iar moleculele lente trec din faza de vapori în faza lichidă.

Într-o stare de echilibru, fiecărei temperaturi îi corespunde o anumită presiune a vaporilor - totală (dacă sunt prezenți numai vapori deasupra lichidului) sau parțială (dacă există un amestec de vapori cu aer sau alte gaze). Un vapor care se află în echilibru cu faza lichidă din care s-a format se numește vapori saturati, iar temperatura corespunzătoare acestuia se numește temperatura de saturație, iar presiunea–presiunea de saturație.

Acum luați în considerare stările de neechilibru ale apei:

a) Lăsați presiunea vaporilor peste lichid să scadă sub presiunea de saturație. În acest caz, echilibrul este perturbat, prin interfață are loc o tranziție necompensată a substanței de la faza lichidă la faza gazoasă datorită celor mai rapide molecule.

Procesul de tranziție necompensată a unei substanțe de la o fază lichidă la una gazoasă se numește evaporare.

Procesul de tranziție necompensată a unei substanțe din faza solidă în faza gazoasă se numește sublimare sau sublimare.

Intensitatea evaporării sau a sublimării crește odată cu îndepărtarea intensivă a vaporilor rezultați. În acest caz, temperatura fazei lichide scade din cauza evadării moleculelor cu cea mai mare energie din aceasta. Acest lucru se poate realiza fără a scădea presiunea, pur și simplu prin suflarea fluxului de aer.

b) Să existe o alimentare cu căldură unui lichid într-un vas deschis. În acest caz, temperatura și, în consecință, presiunea vaporilor saturați deasupra lichidului crește și poate atinge presiunea externă totală (Р=Р n). se creează condiţii pentru formarea aburului în grosimea lichidului.

Procesul de trecere a unei substanțe din faza lichidă în faza de vapori direct în interiorul lichidului se numește fierbere.

Procesul de nucleare a bulelor de vapori în cea mai mare parte a unui lichid este complex. Pentru ca apa să fiarbă, este necesar să existe centre de vaporizare pe suprafața de alimentare cu căldură - depresiuni, proeminențe, nereguli etc. La suprafața de încălzire, în timpul fierberii, diferența de temperatură dintre apă și aburul saturat la presiunea care predomină aici depinde de intensitatea aportului de căldură și poate ajunge la zeci de grade.

Acțiunea forțelor de tensiune superficială a lichidului determină supraîncălzirea lichidului la interfață atunci când fierbe cu 0,3-1,5 ° C în raport cu temperatura vaporilor saturati de deasupra acestuia.

Orice proces de tranziție a unei substanțe de la o fază lichidă la o fază de vapori se numește vaporizare.

Procesul opus vaporizării, adică. trecerea necompensată a unei substanțe de la o fază de vapori la una lichidă se numește condensare.

La presiunea vaporilor constantă, condensul are loc (ca fierberea) la o temperatură constantă și este rezultatul eliminării căldurii din sistem.

Procesul opus sublimării, adică. trecerea unei substanțe din faza de vapori direct la faza solidă se numește desublimare.

Amintiți-vă că conceptele introduse anterior de vapori saturați și temperatură de saturație, transferate în procesul de fierbere, explică egalitatea temperaturilor vaporilor și lichidului în timpul fierberii. În acest caz, atât presiunea, cât și temperatura fazelor lichide și de vapori sunt aceleași.

Faza lichidă a apei la punctul său de fierbere se numește lichid saturat..

Aburul la punctul de fierbere (saturație) se numește abur saturat uscat..

Un amestec în două faze de „lichid + abur” în stare de saturație se numește abur saturat umed.

În termodinamică, acest termen se extinde la sistemele cu două faze în care vaporii saturati pot fi peste nivelul lichidului sau reprezintă un amestec de vapori cu picături de lichid suspendate în acesta. Pentru a caracteriza aburul saturat umed, conceptul de grad de uscăciuneX, care este raportul dintre masa aburului saturat uscat, m s.n.p., la greutatea totală a amestecului, m cm \u003d m s.n.p + m zh.s.n, acesta cu lichidul în stare de saturație:

Raportul dintre masa fazei lichide a apei în stare de saturație și masa amestecului se numește grad de umiditate.(1-x):

Furnizarea de căldură aburului saturat umed la presiune constantă duce la trecerea fazei lichide a amestecului în abur. În acest caz, temperatura amestecului (saturația) nu poate fi crescută până când tot lichidul a fost transformat în vapori. Furnizarea suplimentară de căldură numai în faza de vapori în starea de saturație duce la o creștere a temperaturii vaporilor.

Aburul peste temperatura de saturație la o anumită presiune se numește abur supraîncălzit. Diferența de temperatură a aburului supraîncălzit t și abur saturat de aceeași presiune t n se numeste gradul de supraincalzire a aburului Dt p \u003d t -t n.

Odată cu creșterea gradului de supraîncălzire a aburului, volumul acestuia crește, concentrația de molecule scade, în ceea ce privește proprietățile sale se apropie de gaze.

6.2. Diagrame de fază P, t-, P, v- și T, s pentru H2O

Diagramele de fază sunt utilizate pe scară largă pentru a analiza diferite procese termodinamice de schimbare a stării H2O.

Pentru a vă familiariza cu diagramele de fază P, t- și P, v, imaginați-vă că într-un cilindru sub un piston care creează o presiune constantă (Fig. 6.1), există gheață la o temperatură inițială t 1. Căldura Q este furnizată prin pereții cilindrului, procesul de încălzire și tranzițiile de fază ale H2O sunt prezentate în diagrama t, Q. Gheața este încălzită la temperatura de topire t pl (procesul 1a), după care gheața se topește la o temperatură constantă și se transformă în apă (aa "), apoi apa este încălzită la temperatura de fierbere (saturație) t n (a" c ), apoi are loc procesul de evaporare și transformarea apei în abur saturat uscat (vv "), apoi are loc procesul de supraîncălzire a aburului (v" 2) la temperatura t 2.

Același proces (12) de obținere a aburului supraîncălzit din gheață la presiune constantă este prezentat în Fig. 6.2 în sistemul de coordonate P,t. Deoarece procesele de topire (aa") și vaporizare (vv") au loc la o temperatură constantă, în Fig. 6.2 se concentrează în punctele a și c. În diagrama P,t, aceste puncte caracterizează echilibrul termodinamic al amestecurilor în două faze. Geometric, locația acestor puncte la diferite presiuni și temperaturile corespunzătoare este linia tranzițiilor de fază.

Linia AB este linia de tranziție de fază a fazelor solide și lichide. Aceasta este o linie anormală, pentru că Pentru majoritatea substanțelor, cu creșterea presiunii, crește și punctul de topire, pentru apă, dimpotrivă.

Linia AK este linia tranziției de fază a fazelor lichide și de vapori; odată cu creșterea presiunii, temperatura de fierbere (saturație) a apei și aburului crește, de asemenea.

Odată cu scăderea presiunii, diferența dintre temperaturile de topire și de saturație scade, iar în punctul A curbele indicate converg. Acest punct A se numește punctul triplu al apei; coordonatele sale determină condiţiile fizice(P o u t o) , la care toate cele trei faze ale substanței sunt în echilibru termodinamic și pot exista simultan. Parametrii punctului triplu al apei: t despre = 0,01 o C sau 273,16 K Și R o \u003d 611,2 Pa .

Curba AC situată sub punctul triplu este linia de tranziție de fază și de echilibru a fazelor solide și de vapori, adică. linie de sublimare și desublimare. Deci, la o presiune corespunzătoare procesului de, când faza solidă este încălzită (de), în punctul c, faza solidă trece în vapori - sublimare, în timp ce se răcește (procesed) în punctul c, vaporii trec în solid faza – desublimare. În ambele cazuri, tranziția ocolește faza lichidă.

Curbele de tranziție de fază împart întregul câmp al diagramei P,t în trei zone: la stânga liniilor BAC, zona în stare solidă (gheață), între curbele VA și KA, zona lichidă și la dreapta a CAS, zona de vapori supraîncălziți. În acest caz, linia AK se termină în vârf cu punctul K, determinat de parametrii critici. La presiuni peste valoarea critică, nu există o tranziție de fază vizibilă a lichidului în vapori.

Apa se referă la substanțe care au mai multe modificări ale fazelor cristaline. În prezent, sunt cunoscute șase modificări ale gheții de apă. La presiuni realizate în dispozitivele tehnice convenționale se obține o singură modificare a gheții. Toate celelalte modificări pot fi obținute la presiuni mari. Pentru astfel de substanțe, diagrama P,t are nu unul, ci mai multe puncte triple, deoarece starea de echilibru a mai mult de trei faze ale unei substanțe pure este imposibilă. Principalul punct triplu dintr-o astfel de diagramă este cel în care are loc echilibrul fazei lichidă, gazoasă și una dintre fazele solide (punctul A, Fig. 6.2).

Pentru substanțele cu un model normal de modificare a volumului(acestea includ majoritatea substanțelor găsite în natură, dar apa nu este una dintre ele.) la presiune constantă, pe măsură ce temperatura crește, volumul crește continuu. Pentru astfel de substanțe, la P=const, volumul fazei solide este mai mic decât volumul lichidului, iar volumul lichidului este mai mic decât volumul vaporilor. În acest caz, modificarea volumului în timpul tranziției de fază poate fi reprezentată în Fig. 6.3.

La punctul 1 - o fază solidă cu un volum v 1, la punctul a - o fază solidă la o temperatură de topire cu un volum v t p, la punctul a "- o fază lichidă la o temperatură de topire cu un volum v l p, la punctul c - o fază lichidă la o temperatură de saturație (fierbere) cu volumul v", la punctul c" - abur cu temperatura de saturație cu volumul v", la punctul 2 - abur supraîncălzit cu volumul v 2. Raportul volumelor v 2 >v">v">v f p >v t p >v 1, adică. se observă o scădere regulată normală a volumului de la v 2 - abur la v 1 - fază solidă.

În conformitate cu această regularitate, este posibil să se construiască o diagramă de fază Р,v pentru materie normală(fig.6.4). Acest lucru se realizează prin efectuarea de experimente similare cu procesul 12 (Fig. 6.3) la diferite presiuni constante, în urma cărora se obțin linii de tranziție de fază pentru o substanță normală în diagrama P, v (Fig. 6.4): DC - faza solida la temperatura de topire; AE - lichid la punctul de topire; AK - lichid la temperatura de saturație (punct de fierbere, x=0); КL – abur saturat uscat (x=1), ВС – fază solidă la temperatura de sublimare.

În stânga liniei SVD este regiunea solidului; între liniile VD și AE - fază solidă + lichidă; între liniile AE și AK - zona lichidă; între liniile AK și KN - lichid + abur; între liniile CB, BN și NL - solid + abur; în dreapta liniei KL este regiunea fazei de vapori. Orizontala BAN corespunde punctului triplu al materiei normale din diagrama P,t.

Diagrama de fază T,s arată similar cu diagrama P,v pentru materie normală(fig.6.5). Aici, în stânga liniei DBC este faza solidă, între liniile BD și AE este starea în două faze, solid + lichid, între AE și AK - fază lichidă, între BC și NL - stare bifazată, solid + abur; în dreapta liniei KL - abur supraîncălzit; între AK și KN - stare bifazată lichid + aburîn stare de saturație (abur saturat umed).

Aceste diagrame de fază nu pot fi extinse în întregime la apă. Apă– substanță anormalăîn timpul tranziției sale izobare de la o stare lichidă la o stare solidă, volumul specific de apă crește (gheața plutește la suprafața apei). Prin urmare, în diagrama P, v, aria stării în două faze gheata+lichid suprapus parțial pe zona de vapori umezi și lichid.

Pe fig. 6.6 prezintă la scară mărită o parte din regiunea diagramei de fază P,v pentru apă în zona de trecere a fazei solide în faza lichidă la temperaturi scăzute. Aici linia orizontală ABN este izoterma corespunzătoare punctului triplu al apei din diagrama P,t. Verticala AE este izoterma corespunzătoare temperaturii punctului triplu pentru lichid, iar verticala BD este aceeași izotermă a gheții. Între ele este o zonă de stare în două faze lichid+gheata.

Curba AMNL reprezintă linia lichidului la temperatura de saturație (x=0). Odată cu creșterea presiunii și a temperaturii, pornind de la valorile punctului triplu al apei A, volumul specific de apă clocotită scade mai întâi, atingând un minim în punctul M (aproximativ 4 ° C și 800 Pa), și cu o creșterea suplimentară a presiunii și a temperaturii, volumul specific de apă clocotită crește continuu. La o temperatură de aproximativ 8 ° C (punctul N), atinge un volum specific în punctul A, iar două izoterme ale lichidului (0 și 8 ° C) coincid pe verticala NE. În mod similar, deasupra liniei MN, verticalele vor corespunde la două izoterme ale fazei lichide a apei. După cum am menționat mai devreme, lichidul este o fază slab compresibilă, prin urmare, în regiunea apei, izotermele sunt linii drepte aproape verticale.

Faza solidă a apei este, de asemenea, slab compresibilă; izotermele pentru gheață din diagrama P,v sunt practic linii verticale drepte. În plus, volumul fazei solide la 0 ° C este aproape de volumul de gheață în stare de topire la temperaturi sub 0 ° C, iar volumul fazei lichide la 0 ° C este aproape de volumul lichidului în stare de saturaţie la temperaturi negative. Dependența modificării punctului de topire al gheții de presiune este slab exprimată în comparație cu modificarea temperaturii de saturație pe presiune, astfel încât la -20 ° C gheața se topește la o presiune de 187,3 MPa, iar la +20 ° C apa fierbe la o presiune de 2,33 kPa. Toate cele de mai sus ne permit să acceptăm izoterme 0 ° C pentru lichid - linia AE - și gheață în stare de topire - BD în diagrama P, v - ca curbe de limită între faza lichidă, starea bifazată gheata+lichid si faza solida pentru toate presiunile peste presiunea punctului triplu a apei. În acest caz, în intervalul de temperatură mai mic de 0 ° C, faza solidă va fi la stânga liniei BD, iar faza lichidă va fi la stânga liniei AE, deoarece pe măsură ce temperatura scade, volumul ambelor faze lichide și solide scade, iar presiunea de topire a gheții este mai mare decât presiunea punctului triplu al apei. Cu toate acestea, aceste abateri în cadrul presiunilor utilizate în practică sunt foarte mici.

Linia de tranziție de fază a gheții direct în vapori (linia de sublimare) este situată la presiuni sub presiunea punctului triplu - linia BC. Pe această linie, pe măsură ce presiunea scade, temperatura gheții și volumul acesteia scad. La stânga liniei BC este doar faza solidă, la dreapta - solid + abur.

Ca urmare, diagrama de fază P,v pentru apă are forma prezentată în Fig. 6.7, a. Aici, la stânga liniei CBD este faza solidă a apei, la stânga liniei AK este faza lichidă a apei, iar între liniile EABD este starea în două faze. lichid+gheata, între liniile CBNL - stare bifazată gheata+abur, deasupra liniei KL - abur supraîncălzit. Datorită proprietăților anormale ale apei, există o suprapunere a zonelor cu diferite stări de fază ale apei în diagrama P, v: zona stării în două faze gheata+lichid EABD se suprapune regiunii lichide EAMD și regiunii de stare în două faze lichid + abur AMBA, în plus, există o suprapunere pe zona fazei solide din stânga liniei BD. Trebuie remarcat faptul că imaginea acestor regiuni din Fig. 6.7, dar pentru o mai mare claritate, mărit, nu la scară. În realitate, volumele de lichid și gheață sunt mult mai mici decât în ​​punctele A și B; în același timp, cu o scădere a temperaturii și o creștere a presiunii, volumele acestor stări de fază scad, adică. În stânga liniei AE, regiunea lichidă crește odată cu creșterea presiunii, iar faza solidă, fiind în stânga liniei AE, nu poate fi situată în stânga fazei lichide a apei la temperaturi negative.

Pentru a ilustra suprapunerea diferitelor faze ale apei în diagrama P, v din fig. 6.7, a, b prezintă două izoterme (linii întrerupte) având o temperatură mai mare decât (t> t o) și mai mică (t

Izoterma 1234 are o temperatură mai mică de 0 ° C și trece în diagrama P, v pe linia 12 în regiunea lichidă, pe linia 22 "- în regiunea unei stări bifazate lichid+gheata, pe linia 2"3 - în zona gheții, pe linia 33" - în zona unei stări în două faze gheata+abur, pe linia 3 "4 - în zona aburului supraîncălzit.

Izoterma 567 are o temperatură mai mare de 0 ° C și trece în diagrama P, v pe linia 56 în regiunea lichidă, pe linia 66 "în regiunea unei stări bifazate lichid + abur, pe linia 6 "7 - în zona aburului supraîncălzit.

Punctele de intersecție ale acestor izoterme din diagrama P,v indică suprapunerea diferitelor stări de fază ale apei una peste alta. În aceste puncte, aceste stări de fază au aceleași volume specifice la aceleași presiuni și temperaturi diferite. Deci lichidul de pe izoterma 56 are același volum specific cu lichid+gheata cu unul dintre punctele de pe izoterma 22" și gheața de pe izoterma 2"3 are același volum cu lichid + abur dintr-unul dintre punctele izotermei de 66".

Atunci când se construiește o fază T,s-diagramă a apei, punctul de referință al entropiei este ales la parametrii punctului triplu al apei (t o =0,01 o C și P o =611,2 Pa) pentru un lichid în stare de saturație (x =0).

În viitor, din cauza diferenței mici de temperatură a punctului triplu al apei de la 0 ° C, se va folosi în principal valoarea de zero grade Celsius (înseamnă temperatura punctului triplu al apei).

Entropiile fazei lichide a apei la o temperatură de 0 ° C pentru diferite presiuni (de la presiunea punctului triplu al apei și mai mult) vor avea aproape aceleași valori numerice apropiate de zero. Egalitatea entropiilor fazei lichide a apei la 0 ° C și a diferitelor presiuni se explică prin compresibilitatea slabă a fazei lichide a apei. Deoarece entropia, ca orice parametru de stare, este determinată de doi parametri de stare independenți, atunci egalitatea temperaturilor și a volumelor specifice de lichid pe izoterma 0 ° C va corespunde egalității enropiilor din aceste puncte. Abaterile valorilor entropiei numerice în aceste puncte de la zero sunt miimi de 1 kJ/(kg·K). Pe baza celor de mai sus, izoterma fazei lichide a apei 0 o C din diagrama T, s va reprezenta punctul A (Fig. 6.8, a).

Căldura specifică de topire a gheții este o valoare pozitivă, deci la 0 ° C este de 335 kJ/kg, prin urmare punctul B, corespunzător fazei solide la temperatura și presiunea punctului triplu al apei, va fi la stânga a punctului A, adică cu o valoare negativă a entropiei.

Proprietățile anormale ale apei vor schimba natura diagramei sale de fază T,s în comparație cu diagrama T,s pentru o substanță normală în regiunile lichid, solid și bifazic de echilibru. solid + lichidȘi solid + abur state. În primul rând, aceste zone vor fi sub izoterma punctului triplu a apei, așa cum gheața poate exista doar la temperaturi mai mici (sau egale cu) 0 o C. În al doilea rând, acestea vor fi suprapuse regiunii de sublimare, unde se află simultan fazele solide și vapori. Faza lichidă a apei poate fi, de asemenea, la temperaturi sub 0 ° C, adică. la aceste temperaturi, va exista din nou o suprapunere în diagrama T, s a regiunii fazei lichide pe regiunea stărilor bifazate lichid+gheataȘi abur+gheata.

Căldura specifică pozitivă de topire a gheții și temperaturile negative (în grade Celsius) în timpul tranziției de fază de la gheață la lichid explică locația liniilor de delimitare ale tranzițiilor de fază: BC este linia de sublimare, AE este linia lichidului la temperatura de topire, BD este linia de gheață la temperatura de topire (Fig. .6.8, a). Natura liniilor de tranziție de fază din această regiune este explicată prin dependența capacității termice izobare a lichidului și a gheții de presiune (liniile cu capacitate termică mai mică în diagrama T, s sunt mai abrupte decât liniile cu capacitate termică mai mare). Linia de sublimare BC este mai plată decât linia HP, deoarece capacitatea de căldură izobară a gheții crește odată cu scăderea presiunii, iar la aceleași temperaturi, presiunea pe linia BC este mai mică decât presiunea pe linia HP. La rândul său, linia VD este mai abruptă decât linia AE, deoarece la aceleași temperaturi capacitatea de căldură izobară a gheții este mai mică decât capacitatea de căldură a lichidului.

Diagrama fazei T,s pentru apă va fi prezentată în fig. 6.8, a. În stânga liniei KAE va exista o zonă a fazei lichide a apei, între liniile DBAE - zona unei stări în două faze lichid+gheata, între liniile T despre BD - aria fazei solide, între liniile CBNL - aria fază solidă+abur, deasupra liniei KL este zona de abur supraîncălzit. Zona de stat în două faze lichid+gheata DBAE este suprapus pe zona stării în două faze gheata+abur CBNL.

La rândul său, pe regiunea stării în două faze abur+gheata CBNL se suprapune regiunii de gheață CBD. În plus, pe regiunea gheții și a stărilor bifazate gheata+aburȘi lichid+gheata zonă suprapusă a lichidului în stânga liniei AE. Pe linia BD există o zonă de gheață în stare de topire, pe linia AE - lichide la o temperatură de topire, pe linia BC - o zonă de sublimare, granița dintre gheață și feribotul+gheata, pe linia AK - zona de lichid în stare de saturație, pe linia KL - abur saturat uscat. Pentru a vizualiza transformările de fază ale apei în diagrama T, s din fig. 2.8, iar linia punctată arată izobare cu presiune mai mare decât (P> P o) și mai mică (P<Р o), чем давление в тройной точке воды. Те же изобары показаны на рис. 6.8, б в Р,t- диаграмме.

În viitor, atenția principală va fi acordată proprietăților fazelor lichide și vaporoase ale apei la temperaturi mai mari sau egale cu 0 ° C. Prin urmare, în diagramele de fază, vom reprezenta doar aceste zone, adică. în practică, aceasta este partea dreaptă față de verticala trasată prin punctul A. În acest caz, în diagrama P, v, izoterma de 0 ° C în regiunea lichidului poate fi considerată ca curba limită stângă a lichidului faza, din moment ce este aproape verticală. În diagrama T,s, parametrii punctului triplu al fazei lichide a apei sunt luați ca punct de referință al entropiei. Deoarece volumul fazei lichide a apei la 0 o C este practic egal cu volumul ei în punctul triplu, iar temperatura punctului triplu al apei este foarte apropiată de 0 o C, constanța acestor doi parametri va da o valoarea constantă a entropiei fazei lichide a apei la diferite presiuni și t = 0 o C Astfel, toate izobarele din zona fazei lichide a apei vor ieși din punctul A din diagrama T, s.

Astfel, liniile și procesele principale pentru fazele lichide și de vapori ale apei din diagrama P, v pot fi prezentate în Fig. 6.9. Aici, izotermele subcritice din regiunea lichidă (12) sunt apropiate de linii drepte verticale cu o ușoară deplasare spre stânga. În regiunea de abur umed (23), izoterma coincide cu izobara de saturație. În regiunea aburului supraîncălzit (34), izoterma reprezintă o curbă convexă în jos. Izoterma critică are un punct de inflexiune în punctul critic. Izotermele la t > t cr pot avea și un punct de inflexiune, care dispare la temperaturi ridicate.

Liniile de entropii constante sunt curbe convexe în jos. Mai mult, liniile s< s кр пересекают только линию x = 0, а линии s >s cr intersectează numai dreapta x = 1.

Construcția dreptelor x=const corespunde raportului segmentelor:

Volumul specific de lichid este foarte diferit de volumul specific de abur uscat saturat. Deci, în punctul triplu al apei, lichidul (punctul A) are v o "= 0,00100022 m 3 / kg, iar aburul - v o" = 206,175 m 3 / kg, în punctul critic v cr = 0,003147 m 3 / kg. La o presiune de 1 bar, v"=0,0010434 m3/kg şi v"=1,6946 m3/kg. Ca rezultat, linia x=0 este mai abruptă decât linia x=1.

Imaginea diagramei T,s pentru fazele lichide și vaporoase ale apei cu trasarea liniilor principalelor procese și parametrii va fi dată după un studiu detaliat al proprietăților termodinamice ale fazelor lichide și vaporoase ale apei.

Starea intermediară a materiei dintre starea unui gaz real și starea unui lichid este denumită în mod obișnuit vaporos sau pur și simplu BAC. Transformarea lichidului în vapori este faza de tranzitie de la o stare agregată la alta. În timpul unei tranziții de fază, se observă o schimbare bruscă a proprietăților fizice ale unei substanțe.

Un exemplu de astfel de tranziții de fază este procesul fierbere lichide cu abur saturat umedși trecerea sa ulterioară la lipsă de umiditate abur saturat uscat sau procesul invers de fierbere condensare abur saturat.

Una dintre principalele proprietăți ale aburului saturat uscat este că furnizarea suplimentară de căldură duce la o creștere a temperaturii aburului, adică tranziția acestuia la starea de abur supraîncălzit, iar eliminarea căldurii duce la trecerea la starea de abur saturat umed. ÎN

Stări de fază ale apei

Figura 1. Diagrama de fază pentru vaporii de apă în coordonatele T, s.

Regiuneeu- stare gazoasă (abur supraîncălzit, care are proprietățile unui gaz real);

RegiuneII– starea de echilibru a apei si a vaporilor de apa saturati (stare bifazata). Regiunea II mai este numită și regiunea de vaporizare;

RegiuneIII- stare lichidă (apă). Regiunea III este delimitată de izoterma EK;

RegiuneIV– starea de echilibru a fazelor solide și lichide;

RegiuneV- stare solidă;

Regiunile III, II și I sunt separate linii de frontieră AK (linia din stânga) și KD (linia din dreapta). Punctul comun K pentru liniile de limită AK și KD are proprietăți speciale și se numește punct critic. Acest punct are parametri pkr, vkrȘi T cr, la care apa clocotită trece în abur supraîncălzit, ocolind regiunea în două faze. Prin urmare, apa nu poate exista la temperaturi peste Tcr.

Punctul critic K are parametri:

pkr= 22,136 MPa; vkr\u003d 0,00326 m 3 / kg; tkr\u003d 374,15 ° С.

Valori p, t, vȘi s pentru ambele linii de limită sunt date în tabele speciale de proprietăți termodinamice ale vaporilor de apă.

Procesul de obținere a vaporilor de apă din apă

Figurile 2 și 3 prezintă procesele de încălzire a apei până la fierbere, vaporizarea și supraîncălzirea aburului în p,v- Și T, s-diagrame.

Starea inițială a apei lichide sub presiune p 0 și având o temperatură de 0 °C, este reprezentat în diagrame p,vȘi T, s punct A. Când căldura este furnizată la p= const temperatura acestuia creste si volumul specific creste. La un moment dat, temperatura apei atinge punctul de fierbere. În acest caz, starea sa este indicată printr-un punct b. Cu o alimentare suplimentară de căldură, vaporizarea începe cu o creștere puternică a volumului. În acest caz, se formează un mediu în două faze - un amestec de apă și abur, numit abur saturat umed. Temperatura amestecului nu se modifică, deoarece căldura este cheltuită pentru evaporarea fazei lichide. Procesul de vaporizare în această etapă este izobaric-izotermic și este indicat pe diagramă sub formă de secțiune bc. Apoi, la un moment dat, toată apa se transformă în abur, numit uscat saturat. Această stare este indicată în diagramă printr-un punct. c.

Figura 2. Diagrama P, v pentru apă și abur.

Figura 3. Diagrama T, s pentru apă și abur.

Cu o alimentare suplimentară de căldură, temperatura aburului va crește și procesul de supraîncălzire a aburului va continua. c - d. punct d indică starea aburului supraîncălzit. Distanța punctului d din punct de vedere Cu depinde de temperatura aburului supraîncălzit.

Indexare pentru a desemna cantități legate de diferite stări ale apei și aburului:

• valoarea cu indicele „0” se referă la starea inițială a apei;
• valoarea cu indicele „′” se referă la apa încălzită până la punctul de fierbere (saturație);
• valoarea cu indicele „″” se referă la abur saturat uscat;
• valoare cu index " X» se referă la abur saturat umed;
• valoarea fără indice se referă la abur supraîncălzit.

Proces de vaporizare la presiune mai mare p1 > p0 se poate observa că ideea A, reprezentând starea inițială a apei la o temperatură de 0 ° C și o nouă presiune, rămâne practic pe aceeași verticală, deoarece volumul specific de apă este aproape independent de presiune.

Punct b'(starea apei la temperatura de saturație) se deplasează la dreapta cu p,v-chartează și urcă pe T,s-diagramă. Acest lucru se datorează faptului că, pe măsură ce presiunea crește, crește temperatura de saturație și, prin urmare, volumul specific de apă.

Punct c'(starea aburului saturat uscat) se deplasează spre stânga, deoarece odată cu creșterea presiunii, volumul specific de abur scade, în ciuda creșterii temperaturii.

Conectarea mai multor puncte bȘi c la diferite presiuni dă curbele limită inferioară și superioară akȘi kc. Din p,v-diagrama arată că pe măsură ce presiunea crește, diferența de volume specifice v″Și v' scade și la o anumită presiune devine egală cu zero. În acest punct, numit punct critic, curbele limită converg akȘi kc. Starea corespunzătoare unui punct k, se numește critic. Se caracterizează prin faptul că, împreună cu el, aburul și apa au aceleași volume specifice și nu diferă în proprietăți unul de celălalt. Regiunea situată într-un triunghi curbiliniu bkc(V p,v-diagrama), corespunde aburului saturat umed.

Starea aburului supraîncălzit este reprezentată de punctele situate deasupra curbei de limita superioară kc.

Pe T, s- zona graficului 0 abdomene corespunde cantității de căldură necesară pentru a încălzi apa lichidă la temperatura de saturație.

Cantitatea de căldură furnizată, J/kg, egală cu căldura de vaporizare r, exprimată pe zonă s'bcs, si are relatia:

r = T(s″ - s′).

Cantitatea de căldură furnizată în procesul de supraîncălzire a vaporilor de apă este reprezentată de zonă s″cd-uri.

Pe T, s- diagrama arată că pe măsură ce presiunea crește, căldura de vaporizare scade și devine egală cu zero în punctul critic.

De obicei T, s-diagrama este folosită în studiile teoretice, deoarece utilizarea sa practică este foarte îngreunată de faptul că cantitățile de căldură sunt exprimate prin ariile figurilor curbilinii.

Pe baza materialelor notelor mele de curs despre termodinamică și a manualului „Fundamentals of Energy”. Autorul G. F. Bystritsky. Ed. a II-a, rev. si suplimentare — M.: KNORUS, 2011. — 352 p.