Suyun buhara geçiş diyagramı. Suyun faz durumları ve dönüşümleri. Buz erime eğrisi VI
Faz diyagramı (veya faz diyagramı), bir sistemin durumunu karakterize eden nicelikler ile sistemdeki faz dönüşümleri (katıdan sıvıya, sıvıdan gaza geçiş vb.) arasındaki ilişkinin grafiksel bir temsilidir.
Tek bileşenli sistemler için genellikle faz dönüşümlerinin sıcaklık ve basınca bağımlılığını gösteren faz diyagramları kullanılır; bunlara P-t koordinatlarında faz diyagramları denir.
İncirde. Şekil 10.1, suyun durumunun bir diyagramını şematik biçimde (ölçeğe tam olarak uymadan) göstermektedir. Diyagramdaki herhangi bir nokta belirli sıcaklık ve basınç değerlerine karşılık gelir.
Pirinç. 10.1. Alçak basınç bölgesindeki suyun durumunun diyagramı
Diyagram, belirli sıcaklık ve basınç değerlerinde termodinamik olarak kararlı olan suyun durumlarını göstermektedir. Olası tüm sıcaklık ve basınçları buz, sıvı ve buhara karşılık gelen üç bölgeye ayıran üç eğriden oluşur.
OA eğrisi, doymuş su buharı basıncının sıcaklığa bağımlılığını temsil eder: eğrinin noktaları, sıvı su ve su buharının birbirleriyle dengede olduğu sıcaklık ve basınç değerleri çiftlerini gösterir. OA eğrisine sıvı-buhar denge eğrisi denir veya kaynama eğrisi.
OS eğrisi - katı-sıvı denge eğrisi veya erime eğrisi, - buz ve sıvı suyun dengede olduğu sıcaklık ve basınç değerleri çiftlerini gösterir.
OB eğrisi - katı hal - buhar denge eğrisi veya süblimleşme eğrisi. Buz ve su buharının dengede olduğu sıcaklık ve basınç değerleri çiftlerine karşılık gelir.
Her üç eğri de O noktasında kesişir. Bu noktanın koordinatları, üç fazın da dengede olabileceği tek sıcaklık ve basınç değeri çiftidir: buz, sıvı su ve buhar. Buna denir üçlü nokta.
Üçlü nokta, 0,610 kPa (4,58 mm Hg) su buharı basıncına ve O, O GS sıcaklığına karşılık gelir.
Suyun durum diyagramı, gıda ürünlerinin üretimine yönelik teknolojik rejimlerin geliştirilmesinde önemlidir. Örneğin diyagramdan da anlaşılacağı gibi buz 0,610 kPa'dan (4,58 mm Hg) daha düşük bir basınçta ısıtılırsa doğrudan buhara dönüşür. Bu, gıda ürünlerinin dondurarak kurutma yoluyla üretilmesine yönelik yöntemlerin geliştirilmesinin temelidir.
Suyu diğer maddelerden ayıran özelliklerinden biri de basınç arttıkça buzun erime noktasının düşmesidir. Bu durum diyagrama yansıtılmıştır. Su diyagramındaki OC erime eğrisi sola doğru giderken hemen hemen tüm diğer maddeler için sağa doğru gider.
Atmosfer basıncındaki su ile meydana gelen dönüşümler, 101,3 kPa'ya (760 mm Hg) karşılık gelen yatay çizgi üzerinde yer alan noktalar veya bölümler halinde diyagrama yansıtılır. Böylece, buzun erimesi veya suyun kristalleşmesi D noktasına, suyun kaynaması - E noktasına, suyun ısıtılması veya soğutulması - DE segmentine vb. karşılık gelir.
Suyun durumu geniş bir sıcaklık ve basınç aralığında incelenmiştir. Yüksek basınçlarda buzun en az on kristal modifikasyonunun varlığı tespit edilmiştir. En çok incelenen buz I'dir - buzun doğada bulunan tek modifikasyonu.
Bir maddenin çeşitli modifikasyonlarının varlığı - polimorfizm - durum diyagramlarının karmaşıklığına yol açar.
Koordinatlarda suyun faz diyagramı R – TŞekil 15'te sunulmuştur. 3'ten oluşur faz alanları- çeşitli alanlar R, T- suyun belirli bir faz formunda bulunduğu değerler - buz, sıvı su veya buhar (şekilde sırasıyla L, F ve P harfleriyle gösterilmiştir). Bu faz alanları 3 sınır eğrisiyle ayrılmıştır.
AB Eğrisi - buharlaşma eğrisi, bağımlılığı ifade eder sıcaklıktan sıvı suyun buhar basıncı(veya tersine, suyun kaynama noktasının dış basınca bağımlılığını temsil eder). Başka bir deyişle bu hat iki fazlı bir hattın karşılığıdır. denge.
Sıvı su ↔ buhar ve faz kuralına göre hesaplanan serbestlik derecesi sayısı İLE= 3 – 2 = 1. Bu dengeye denir tek değişkenli. Bu, sistemin tam bir açıklaması için yalnızca belirlemenin yeterli olduğu anlamına gelir. bir değişken- Ya sıcaklık ya da basınç, çünkü belirli bir sıcaklık için yalnızca bir denge basıncı vardır ve belirli bir basınç için yalnızca bir denge sıcaklığı vardır.
AB çizgisinin altındaki noktalara karşılık gelen basınç ve sıcaklıklarda sıvı tamamen buharlaşacaktır ve bu bölge buhar bölgesidir. Belirli bir tek fazlı bölgedeki bir sistemi tanımlamak için iki bağımsız değişkene ihtiyaç vardır: sıcaklık ve basınç ( İLE = 3 – 1 = 2).
AB çizgisinin üzerindeki noktalara karşılık gelen basınç ve sıcaklıklarda, buhar tamamen sıvıya yoğunlaşır ( İLE= 2). AB buharlaşma eğrisinin üst sınırı, kritik nokta olarak adlandırılan B noktasındadır (su için 374.2°С ve 218.5 ATM.). Bu sıcaklığın üzerinde sıvı ve buhar fazları ayırt edilemez hale gelir (sıvı/buhar arayüzü kaybolur), dolayısıyla F = 1.
AC Hattı - bağımlılığı yansıtan bu buz süblimasyon eğrisi (bazen süblimasyon çizgisi olarak da adlandırılır) sıcaklık üzerindeki buzun üzerindeki su buharı basıncı. Bu çizgi, tek değişkenli buz ↔ buhar dengesine karşılık gelir ( İLE= 1). AC çizgisinin üstünde buz alanı, altında ise buhar alanı bulunur.
AD Çizgisi - erime eğrisi, bağımlılığı ifade eder buzun erime sıcaklığına karşı basınç ve tek değişkenli buz ↔ sıvı su dengesine karşılık gelir. Çoğu madde için AD çizgisi dikeyden sağa doğru sapar, ancak suyun davranışı anormaldir: sıvı su buzdan daha az hacim kaplar. Basınçtaki bir artış dengenin sıvı oluşumuna doğru kaymasına neden olur, yani donma noktası düşer.
Yüksek basınçlarda buzun erime eğrisini belirlemek için Bridgman'ın öncülüğünü yaptığı çalışmalar şunu gösterdi: mevcut Buzun kristalin modifikasyonları, birincisi hariç, sudan daha yoğundur. Dolayısıyla AD çizgisinin üst sınırı, buz I (sıradan buz), buz III ve sıvı suyun dengede bir arada bulunduğu D noktasıdır. Bu nokta –22ºС ve 2450'de bulunur. ATM.
Pirinç. 15. Suyun faz diyagramı
Su örneğini kullanırsak, faz diyagramının her zaman Şekil 15'te gösterildiği kadar basit olmadığı açıktır. Su, kristal yapılarında farklılık gösteren birçok katı faz formunda mevcut olabilir (bkz. Şekil 16).
Pirinç. 16. Geniş bir basınç değerleri aralığında suyun genişletilmiş faz diyagramı.
Havanın yokluğunda suyun üçlü noktası (üç fazın - sıvı, buz ve buhar - dengesini yansıtan bir nokta) 0,01ºС'de bulunur ( T = 273,16k) ve 4,58 mmHg. Serbestlik derecesi sayısı İLE= 3-3 = 0 ve böyle bir dengeye değişmez denir.
Havanın varlığında üç faz 1'de dengededir. ATM. ve 0°С ( T = 273,15k). Havadaki üçlü noktanın azalması aşağıdaki nedenlerden kaynaklanmaktadır:
1. Havanın sıvı sudaki çözünürlüğü 1 ATM bu üçlü noktada 0,0024ºС oranında bir azalmaya yol açar;
2. Basınçta 4,58'den artış mmHg. 1'e kadar ATM bu da üçlü noktayı 0,0075ºС daha azaltır.
Alınan materyalle ne yapacağız:
Bu materyal sizin için yararlı olduysa, onu sosyal ağlardaki sayfanıza kaydedebilirsiniz:
| Cıvıldamak |
Bu bölümdeki tüm konular:
Fiziksel kimyanın konusu ve önemi
Fiziksel kimya, kimyasal ve fiziksel olaylar arasındaki ilişkiyi inceler. Kimyanın bu bölümü kimya ve fizik arasındaki sınır çizgisidir. Teorik ve deneysel yöntemlerin kullanılması
Fiziksel kimyanın gelişim tarihinin kısa özeti
"Fiziksel kimya" terimi ve bu bilimin tanımı ilk kez 1752-1754'te M.V. Lomonosov tarafından yapılmıştır. Bilimler Akademisi öğrencilerine fizikokimya dersi verdi ve bu dersin taslağını bıraktı: “Vve
Enerji. Enerjinin korunumu ve dönüşümü kanunu
Maddenin ayrılmaz bir özelliği (niteliği) harekettir; maddenin kendisi gibi yok edilemez. Maddenin hareketi, birbirine dönüşebilen farklı formlarda kendini gösterir. Hareketleri ölç
Termodinamiğin konusu, yöntemi ve sınırları
Dikkatini çok çeşitli süreçlerde enerji aktarım biçimleri olarak ısı ve işe odaklayan termodinamik, değerlendirme çemberinde çok sayıda enerji bağımlılığını içerir.
Isı ve iş
Bir vücuttan diğerine geçiş sırasında hareket biçimindeki değişiklikler ve buna karşılık gelen enerji dönüşümleri çok çeşitlidir. Hareketin kendisinin geçişinin biçimleri ve onunla ilişkili enerji dönüşümleri
Isı ve iş eşitliği
Isı ve iş arasındaki karşılıklı geçişler sırasındaki sabit eşdeğer ilişki, D.P. Joule'un (1842-1867) klasik deneylerinde kurulmuştur. Tipik bir Joule deneyi aşağıdaki gibidir (
İçsel enerji
Dairesel olmayan bir süreç için sistem orijinal durumuna dönmediğinden eşitlik (I, 1) sağlanmaz. Bunun yerine dairesel olmayan bir süreç için eşitlikler yazılabilir (katsayı atlanarak)
Termodinamiğin birinci yasası
Termodinamiğin birinci yasası (birinci yasası) doğrudan enerjinin korunumu yasasıyla ilgilidir. Kimyasal olanlar da dahil olmak üzere çeşitli işlemler sırasında enerji dengesini hesaplamanıza olanak tanır.
Devlet Denklemleri
Dengedeki bir sistemin birçok özelliği ve onu oluşturan fazlar birbirine bağlıdır. Birindeki değişiklik diğerlerinde de değişikliğe neden olur. arasındaki niceliksel işlevsel bağımlılıklar
Çeşitli süreçlerin işletilmesi
Pek çok enerji süreci iş adı altında birleşiyor; Bu süreçlerin ortak özelliği, dışarıdan etki eden kuvveti yenmek için sistemin enerji harcamasıdır. Bu tür süreçler şunları içerir:
Isı kapasitesi. Çeşitli proseslerin ısısının hesaplanması
Bir cismin spesifik (s) veya molar (C) ısı kapasitesinin deneysel olarak belirlenmesi, bir maddenin bir gramı veya bir molünü ısıtırken emilen Q ısısının ölçülmesinden oluşur.
Kalori katsayıları
U sisteminin iç enerjisi, durumun bir fonksiyonu olarak, sistemin bağımsız değişkenlerinin (durum parametrelerinin) bir fonksiyonudur. En basit sistemlerde iç faktörleri dikkate alacağız.
Termodinamiğin birinci yasasının ideal bir gaza uygulanması
İdeal bir gazı, yani bir mol durumu Mendeleev-Clapeyron denklemiyle tanımlanan bir gazı ele alalım:
Gazlarda adyabatik süreçler
Bir termodinamik sistemin, tersinir olması ve sistem ile sistem arasında ısı alışverişi olmayacak şekilde termal olarak izole edilmesi durumunda, adyabatik bir süreçten geçtiği söylenir.
Entalpi
Sadece genleşme işinin yapıldığı prosesler için termodinamiğin birinci kanununun denklemi şu şekli alır: δQ = dU + PdV (I, 51) Eğer proses sabit bir hızda meydana geliyorsa
Kimyasal değişken. Kimyasal ve faz dönüşümlerinin eşlik ettiği süreçler için termodinamiğin birinci yasasının formülasyonu
Denklemler (I, 27), (I, 28) ve termodinamiğin birinci yasasının daha önce verilen formülasyonları, kimyasal veya kimyasal olup olmadığına bakılmaksızın herhangi bir denge kapalı sistemi için geçerlidir.
Termokimya. Hess yasası
Kimyasal dönüşümler sırasında reaksiyon ürünlerinin iç enerjisinin başlangıç maddelerinin iç enerjisinden farklı olması nedeniyle sistemin iç enerjisinde bir değişiklik meydana gelir.
Termal etkinin sıcaklığa bağımlılığı. Kirchhoff denklemi
Hess kanununa göre, bir reaksiyonun termal etkisini, tüm reaktantların oluşum veya yanma ısılarının bilindiği sıcaklıkta (genellikle 298K) hesaplamak mümkündür. Ancak sıklıkla
Kendiliğinden ve kendiliğinden olmayan süreçler
Termodinamiğin birinci yasasından ve çeşitli süreçler sırasında bundan kaynaklanan cisimler arasındaki enerji alışverişi yasalarından, genel olarak bu sürecin mümkün olup olmadığı konusunda bir sonuca varmak imkansızdır.
Termodinamiğin ikinci yasası
En yaygın ve kesinlikle kendiliğinden gerçekleşen süreçler, ısının sıcak bir cisimden soğuk olana aktarılması (termal iletim) ve işin ısıya geçişidir (sürtünme). Asırlardır süren hayat
Entropi değişimini hesaplama yöntemleri
Entropiyi belirleyen denklemler (II, 12) ve (II, 13), sistemin entropisindeki değişimin termodinamik hesabı için tek başlangıç denklemleridir. Denklemdeki elemental ısının değiştirilmesi.
Planck'ın varsayımı
Denklem (II, 3) kullanılarak sistemin entropisinin mutlak değerini hesaplamak imkansızdır. Bu olasılık, formüle edilen termodinamiğin iki kanunundan kaynaklanmayan yeni, kanıtlanamaz bir konum tarafından sağlanmaktadır.
Mutlak entropi değerleri
Planck'ın varsayımı, kimyasal bileşiklerin entropisinin mutlak değerlerini hesaplamak için kimyasal süreçlerin termodinamik çalışmasında kullanılır - büyük önem taşıyan miktarlar
Standart entropi. Kimyasal reaksiyon sırasında entropi değişimi
Entropi, diğer termodinamik fonksiyonlar gibi genellikle maddenin standart durumu olarak anılır. Standart durumun standart koşullarla karakterize edildiğini hatırlayın
Entropinin istatistiksel yorumu
Durumun bir fonksiyonu olarak entropi kavramı makroskobik bir kavrama dayanmaktadır. Termodinamiğin ikinci yasasının geçerliliği, geri dönüşü olmayan süreçlerin gerçekliği ile ilişkilidir. Geri dönüşü olmayanın aksine
Helmholtz enerjisi
Termodinamiğin ikinci yasasının, yalıtılmış sistemlerde süreçlerin kendiliğinden ortaya çıkmasıyla ilgili kriterleri belirlediğini hatırlayalım. Ancak bu tür koşullar (çevreyle enerji ve madde alışverişinin olmaması)
Gibbs'in enerjisi
Genişletme işine ek olarak diğer iş türlerini genel bir biçimde hesaba katmak isteyerek, temel işi genişletme işi ve diğer iş türlerinin toplamı olarak sunuyoruz: dW = PdV + dW" (III, 15)
Karakteristik fonksiyonlar. Temel (kanonik) durum denklemleri
Daha önce sistemin aşağıdaki termodinamik fonksiyonlarını - özelliklerini tanımlamıştık: iç enerji U, entalpi H, entropi S, Helmholtz enerjisi F, Gibbs enerjisi G
Maxwell'in ilişkileri
Şimdi karakteristik fonksiyonların ikinci karma türevlerini ele alalım. Denklemleri (III, 26) dikkate alarak şunu yazabiliriz:
Gibbs-Helmholtz denklemi
Gibbs-Helmholtz denklemi, kimyasal reaksiyonların ısısının sıcaklığa bağımlılığı durumunda, herhangi bir sıcaklıkta kimyasal reaksiyonlara eşlik eden Gibbs enerjisindeki değişikliğin belirlenmesine olanak tanır.
İdeal gaz karışımının Gibbs enerjisi. Kimyasal potansiyelin belirlenmesi
Gibbs enerjisi, ideal gazların bir karışımı için değerinin hesaplanmasını mümkün kılan kapsamlı bir fonksiyondur. Gösterildiği gibi bölmelerle bölümlere ayrılmış bir tank hayal edelim.
Kimyasal potansiyel
“Kimyasal potansiyel” kavramının anlamını açıklığa kavuşturmak için, (III.51) ifadesini P ve T sabitinde bir çarpım olarak ayırt edelim:
Faz geçişleri. Clapeyron-Clausius denklemi
Saf bir maddenin dengede olan birçok fazından oluşan bir sistemde, maddenin bir fazdan diğerine geçişleri mümkündür. Bu tür geçişlere faz geçişleri denir.
Birinci dereceden faz geçişleri. Erime. Buharlaşma
Dengede bir arada bulunan iki fazın izobarik potansiyellerinin eşitliği ve Gibbs enerjisinin ilk türevlerinde (entropi ve hacim) ani bir değişiklik ile karakterize edilen faz geçişleri
İkinci dereceden faz geçişleri
İkinci dereceden faz geçişi, bir maddenin bir fazdan diğerine denge geçişidir; burada Gibbs enerjisinin sıcaklık ve basınca göre yalnızca ikinci türevleri aniden değişir.
Doymuş buhar basıncının sıcaklığa bağımlılığı
Bir sıvının doymuş buhar basıncı artan sıcaklıkla keskin bir şekilde artar. Bu, bazı sıvıların erime noktalarından başlayarak buhar basıncı eğrilerini gösteren Şekil 12'de görülebilir.
Genel denge koşulları
Sabit basınç ve sıcaklıkta dengede olan herhangi bir kapalı sistem aşağıdaki ilişkiyle karakterize edilir:
Gibbs faz kuralı
1876'da Gibbs, sistemin dengedeki faz sayısını (F), bileşen sayısını (K) ve serbestlik derecesi sayısını (C) birbirine bağlayan basit bir formül türetti. Dengede şunları yapmalıyız
Gibbs faz kuralının tek bileşenli sistemlere uygulanması. Su ve kükürtün faz diyagramları
Tek bileşenli bir sistem için K = 1 ve faz kuralı şu şekilde yazılmıştır: C = 3 – F Eğer F = 1 ise C = 2 ise sistemin iki değişkenli olduğunu söylerler;
Kükürt faz diyagramı
Kristalin kükürt iki modifikasyon formunda mevcuttur - ortorombik (Sp) ve monoklinik (Sm). Bu nedenle dört fazın varlığı mümkündür: eşkenar dörtgen, mo
Kitlesel eylem yasası. Gaz fazı reaksiyonları için denge sabiti
Aşağıdaki denkleme göre gaz halindeki A1, A2 ... Ai, A'1, A'2 ... A'i maddeleri arasında kimyasal olarak tersinir bir reaksiyonun meydana geldiğini varsayalım:
Kimyasal reaksiyon izoterm denklemi
İdeal gazların bir karışımında denkleme göre bir kimyasal reaksiyonun meydana geldiğini varsayalım.
Kimyasal afinite kavramı
Bazı maddelerin birbirleriyle kolay ve hızlı bir şekilde reaksiyona girmesi, bazılarının zorlukla ve bazılarının ise hiç reaksiyona girmemesi gerçeğinden, özel bir kimyasal afinitenin varlığı veya yokluğu varsayımı ortaya çıkar.
Denge karışımlarının bileşimini hesaplamak için kütle etki yasasını kullanma
Kararlı durum dengesindeki sistemin bileşimini ve dolayısıyla reaksiyon ürününün/ürünlerinin verimini belirlemek için denge sabitinin ve başlangıç karışımının bileşiminin bilinmesi gerekir. Birleştirmek
Heterojen kimyasal dengeler
Kütle etkisi yasası, ideal gazların hal yasası kullanılarak türetilmiştir ve öncelikle gaz karışımlarına uygulanabilir. Bununla birlikte, önemli değişiklikler olmaksızın önemli durumlara uygulanabilir.
Sıcaklığın kimyasal dengeye etkisi. Bir kimyasal reaksiyonun izobar denklemi
K0'ın sıcaklığa bağımlılığını diferansiyel biçimde belirlemek için Gibbs-Helmholtz denklemini kullanıyoruz (III, 41)
Le Chatelier-Brown ilkesi
Dengeden çıkan bir sistem tekrar denge durumuna döner. Le Chatelier ve Brown, nasıl yapılacağını tahmin etmek için kullanılabilecek basit bir ilke önerdiler.
Nernst'in termal teoremi
Gibbs enerjisindeki değişimin ve dolayısıyla kimyasal reaksiyonların denge sabitlerinin doğrudan ve basit hesaplanması, kimyasal reaksiyonun ısısı ve mutlak değerler biliniyorsa zorluklara neden olmaz
İdeal olmayan sistemlerde kimyasal denge
Kütle etkisi yasası (V, 5), daha önce de belirtildiği gibi, yalnızca ideal gazlara (veya ideal çözümlere) uygulanabilir. Bu tür sistemler için reaksiyona giren sistemin denge bağıl kısmi basınçlarının çarpımı
Maddelerin entalpisine bağımlılık ve kimyasal reaksiyonların basınç üzerindeki termal etkileri
Entalpinin basınca bağımlılığını değerlendirirken, toplam diferansiyeli için iyi bilinen ifadeyi kullanacağız (III, 27): dH = VdP + TdS Divide e
Şu tarihte: k N= 1 faz kuralının denklemi şu şekli alacaktır:
C = 3 - F,
Dengede 1 faz varsa, o zaman C = 2 sistem diyorlar iki değişkenli;
2 faz C = 1, sistem tek değişkenli;
3 faz C = 0, sistem değişmez.
Bir sistemin durumunun dış koşullara veya sistemin bileşimine bağımlılığını ifade eden diyagrama denir. faz diyagramı. Basınç arasındaki ilişki ( R), sıcaklık ( T) ve hacim ( V) fazlar üç boyutlu bir faz diyagramı ile temsil edilebilir. Her nokta (adlandırılır) mecazi nokta) böyle bir diyagramda bazı denge durumlarını gösterir. Bu diyagramın bölümleriyle bir düzlem kullanarak çalışmak genellikle daha uygundur. p-T(saatte V = sabit) veya uçak p-V(saatte T = sabit). Bir düzlemin kesiti durumunu daha ayrıntılı olarak inceleyelim p-T(saatte V=sabit).
Örnek olarak tek bileşenli bir sistemin (su) faz diyagramını ele alalım (Şekil 8).
Suyun faz diyagramı
Koordinatlarda suyun faz diyagramı p-TŞekil 8'de sunulmuştur. 3'ten oluşur faz alanları- çeşitli alanlar ( r, T) -suyun belirli bir faz formunda bulunduğu değerler - buz, sıvı su veya buhar (Şekil 8'de sırasıyla L, F ve P harfleriyle gösterilmiştir). Bu tek fazlı bölgeler için serbestlik derecesi sayısı ikidir, denge iki değişkenlidir ( C = 3 - 1 = 2). Bu, sistemi tanımlamak için gerekli olduğu anlamına gelir iki bağımsız değişken - sıcaklık ve basınç. Bu değişkenler bu alanlarda bağımsız olarak değişebilir ve aşamaların türünde veya sayısında herhangi bir değişiklik olmayacaktır.
Faz alanları 3 sınır eğrisiyle ayrılmıştır.
AB eğrisi - buharlaşma eğrisi, bağımlılığı ifade eder sıcaklıktan sıvı suyun buhar basıncı(veya tam tersi, suyun kaynama noktasının basınca bağımlılığını temsil eder). Başka bir deyişle, bu satır cevap verir iki fazlı sıvı su-buhar dengesi ve faz kuralıyla hesaplanan serbestlik derecesi sayısı C = 3 - 2 = 1. Böyle bir denge tek değişkenli. Bu, sistemin tam bir açıklaması için yalnızca belirlemenin yeterli olduğu anlamına gelir. bir değişken- sıcaklık veya basınç. İkinci değişken bağımlıdır, AB eğrisinin şekliyle belirlenir. . Dolayısıyla, belirli bir sıcaklık için yalnızca bir denge basıncı veya belirli bir buhar basıncı için yalnızca bir denge sıcaklığı vardır.
AB çizgisinin altındaki noktalara karşılık gelen basınç ve sıcaklıklarda sıvı tamamen buharlaşacaktır ve bu bölge buhar bölgesidir.
AB çizgisinin üzerindeki noktalara karşılık gelen basınç ve sıcaklıklarda, buhar tamamen sıvıya yoğunlaşır ( C = 2). AB buharlaşma eğrisinin üst sınırı B noktasındadır ve buna denir kritik nokta(374 o C ve 218 atm su için). Bu sıcaklığın üzerinde sıvı ve buhar fazları ayırt edilemez hale gelir (berrak sıvı/buhar fazı sınırı kaybolur), dolayısıyla Ф=1.
AC hattı- Bubuz süblimleşme eğrisi(bazen süblimasyon çizgisi olarak da adlandırılır), bağımlılığı yansıtır sıcaklık üzerindeki buzun üzerindeki su buharı basıncı. Bu satır karşılık gelir tek değişkenli buz-buhar dengesi ( C=1). AC çizgisinin üstünde buz alanı, altında ise buhar alanı bulunur.
Astar AD - erime eğrisi, bağımlılığı ifade eder buzun erime sıcaklığına karşı basınç ve karşılık gelir tek değişkenli buz-sıvı su dengesi. Çoğu madde için AD çizgisi dikeyden sağa doğru sapar ancak suyun davranışı anormaldir: sıvı su buzdan daha az hacim kaplar. Le Chatelier ilkesine dayanarak, basınçtaki bir artışın dengede sıvı oluşumuna doğru bir kaymaya neden olacağı tahmin edilebilir. donma noktası düşecektir.
Şekil 8. Suyun faz diyagramı
Bridgman'ın yüksek basınçlarda buzun erime eğrisini belirlemek için yaptığı çalışmalar şunu gösterdi: buzun yedi farklı kristal modifikasyonu, birincisi hariç her biri, sudan daha yoğun. Dolayısıyla AD çizgisinin üst sınırı, buz I (sıradan buz), buz III ve sıvı suyun dengede olduğu D noktasıdır. Bu nokta -22 0 C ve 2450 atm de bulunmaktadır.
Suyun üçlü noktası(üç fazın - sıvı, buz ve buhar - dengesini yansıtan bir nokta) hava yokluğunda 0,0100 o C ve 4,58 mm Hg'dir. Serbestlik derecesi sayısı İLE=3-3=0 ve böyle bir dengeye denir değişmez. Herhangi bir parametre değiştiğinde sistem trifaze olmaktan çıkar.
Havanın varlığında üç faz 760 mmHg'de dengededir. ve 0 o C'de. Havadaki üçlü noktanın sıcaklığındaki azalma aşağıdaki nedenlerden kaynaklanır:
1. 1 atm'de havanın gaz halindeki bileşenlerinin sıvı suda çözünürlüğü, bu da üçlü noktada 0.0024 o C'lik bir azalmaya yol açar;
2. Basınçta 4,58 mm Hg'den artış. 1 atm'ye kadar, bu da üçlü noktayı 0,0075 o C daha azaltır.
İlk olarak, "su" terimiyle olası faz durumlarından herhangi birinde H2O'yu kastettiğimizi kabul edelim.
Doğada su üç halde olabilir: katı faz (buz, kar), sıvı faz (su), gaz fazı (buhar).
Çevre ile enerji etkileşimi olmayan suyu ele alalım, yani. denge durumunda.
Buzun veya sıvının yüzeyinde her zaman buhar bulunur. Temas eden fazlar termodinamik dengededir: hızlı moleküller sıvı fazdan uçarak yüzey kuvvetlerinin üstesinden gelir ve yavaş moleküller buhar fazından sıvı faza geçer.
Denge durumunda, her sıcaklık belirli bir buhar basıncına karşılık gelir - toplam (sıvı üzerinde yalnızca buhar varsa) veya kısmi (buharın hava veya diğer gazlarla karışımı varsa). Oluştuğu sıvı faz ile dengede olan buhara doymuş buhar denir ve buna karşılık gelen sıcaklığına doyma sıcaklığı ve basıncı denir.–doyma basıncı.
Şimdi suyun dengesiz durumlarını düşünün:
a) Sıvının üzerindeki buhar basıncının doyma basıncının altına düşmesine izin verin. Bu durumda denge bozulur, en hızlı moleküller nedeniyle maddenin faz arayüzü üzerinden sıvı fazdan gaz fazına telafisiz bir geçişi meydana gelir.
Bir maddenin sıvı fazdan gaz fazına telafisiz geçiş sürecine buharlaşma denir.
Bir maddenin katı fazdan gaz fazına telafisiz geçiş sürecine süblimasyon veya süblimasyon denir.
Buharlaşma veya süblimleşmenin yoğunluğu, ortaya çıkan buharın yoğun bir şekilde uzaklaştırılmasıyla artar. Bu durumda, en yüksek enerjiye sahip moleküllerin ayrılmasından dolayı sıvı fazın sıcaklığı düşer. Bu, basıncı düşürmeden, yalnızca bir hava akımı üfleyerek başarılabilir.
b) Açık bir kaptaki sıvıya ısı verilmesini sağlayın. Bu durumda sıcaklık ve buna bağlı olarak doymuş buharın sıvı üzerindeki basıncı artar ve tam dış basınca (P = P n) ulaşabilir.P = P n olması durumunda ısıtma yüzeyinde sıcaklık, Buradaki hakim basınçta sıvının doymuş buharın sıcaklığının üzerine çıkması. sıvının kalınlığında buhar oluşumu için koşullar yaratılır.
Bir maddenin sıvı fazdan doğrudan sıvı içerisinde buhar fazına geçmesi işlemine kaynama denir.
Bir sıvının kalınlığında buhar kabarcıklarının çekirdeklenmesi süreci karmaşıktır. Suyun kaynaması için, ısı kaynağının yüzeyinde buharlaşma merkezlerinin (çöküntüler, çıkıntılar, düzensizlikler vb.) olması gerekir. Isıtma yüzeyinde, kaynama sırasında, buradaki hakim basınçta su ile doymuş buhar arasındaki sıcaklık farkı, ısı kaynağının yoğunluğuna bağlıdır ve onlarca dereceye ulaşabilir.
Bir sıvının yüzey gerilimi kuvvetlerinin etkisi, üzerindeki doymuş buharın sıcaklığına göre 0,3-1,5 o C kadar kaynadığında, sıvının faz arayüzünde aşırı ısınmasına neden olur.
Bir maddenin sıvı fazdan buhar fazına geçişine buharlaşma denir.
Buharlaşmanın tersi olan süreç, yani. Bir maddenin buhar fazından sıvı faza kompanzasyonsuz geçişine yoğuşma denir.
Sabit buhar basıncında, sabit sıcaklıkta yoğuşma (kaynama gibi) meydana gelir ve sistemden ısının uzaklaştırılmasının bir sonucudur.
Süblimleşmenin tersi olan süreç, yani. Bir maddenin buhar fazından doğrudan katı faza geçişine desüblimasyon denir.
Kaynama işlemine aktarılan, daha önce tanıtılan doymuş buhar ve doyma sıcaklığı kavramlarının, kaynama sırasında buhar ve sıvı sıcaklıklarının eşitliğini açıkladığını hatırlayalım. Bu durumda sıvı ve buhar fazlarının hem basıncı hem de sıcaklığı aynıdır.
Suyun kaynama noktasındaki sıvı fazına doymuş sıvı denir.
Kaynama (doyma) sıcaklığındaki buhara kuru doymuş buhar denir..
Doymuş haldeki iki fazlı sıvı + buhar karışımına ıslak doymuş buhar denir.
Termodinamikte bu terim, doymuş buharın sıvı seviyesinin üzerinde olabildiği veya içinde asılı sıvı damlacıkları bulunan bir buhar karışımını temsil ettiği iki fazlı sistemleri kapsar. Islak doymuş buharı karakterize etmek için kullanılır kuruluk derecesi kavramıXkuru doymuş buharın kütlesinin oranıdır, m snp, karışımın toplam kütlesine, m cm = m s.n.p + m w.s.n., doymuş durumdaki sıvı ile:
Doymuş haldeki suyun sıvı fazının kütlesinin karışımın kütlesine oranına nem derecesi denir.(1'ler):
Sabit basınçta nemli doymuş buhara ısı sağlanması, karışımın sıvı fazının buhar fazına geçişine yol açar. Bu durumda karışımın sıcaklığı (doyma), sıvının tamamı buhara dönüşene kadar artırılamaz. Sadece doymuş durumdaki buhar fazına daha fazla ısı verilmesi, buhar sıcaklığının artmasına neden olur.
Belirli bir basınçta doyma sıcaklığının üzerinde bir sıcaklığa sahip olan buhara aşırı ısıtılmış buhar denir. Kızgın buharın sıcaklık farkı T ve aynı basınçta doymuş buhar t n buharın aşırı ısınma derecesi denir Dt p = t -t n.
Buharın aşırı ısınma derecesi arttıkça hacmi artar, molekül konsantrasyonu azalır ve özellikleri gazlarınkine yaklaşır.
6.2. H 2 O için faz diyagramları P,t-, P,v- ve T,s
H2O durumundaki değişikliklerin çeşitli termodinamik süreçlerini analiz etmek için faz diyagramları yaygın olarak kullanılmaktadır.
P,t- ve P,v faz diyagramlarını tanımak için, bir pistonun altındaki bir silindirde, t 1 başlangıç sıcaklığında sabit basınç oluşturan (Şekil 6.1) bir buzun bulunduğunu hayal edin. Isı Q, silindir duvarlarından sağlanır, H2O'nun ısıtılması ve faz geçişleri süreci t, Q diyagramında gösterilir. Buz, erime sıcaklığı tpl'ye kadar ısıtılır (işlem 1a), ardından buz sabit bir sıcaklıkta erir ve suya (aa") dönüşür, ardından su kaynama (doyma) sıcaklığı tn (a"b)'ye ısıtılır, daha sonra buharlaşma işlemi meydana gelir ve suyun kuru doymuş buhara (vv") dönüşümü, ardından buharın (v"2) t2 sıcaklığına aşırı ısıtılması işlemi gerçekleşir.
Sabit basınçta buzdan aşırı ısıtılmış buhar elde etmeye yönelik aynı işlem (12), Şekil 6.2'de P,t koordinat sisteminde gösterilmektedir. Erime (aa") ve buharlaşma (vv") süreçleri sabit bir sıcaklıkta meydana geldiğinden, Şekil 2'de görülmektedir. 6.2 a ve b noktalarında yoğunlaşırlar. P,t diyagramında bu noktalar iki fazlı karışımların termodinamik dengesini karakterize eder. Geometrik olarak bu noktaların farklı basınçlardaki ve bunlara karşılık gelen sıcaklıklardaki konumu, faz geçiş çizgilerini temsil eder.
AB Hattı – katı ve sıvı fazların faz geçiş hattı. Bu anormal bir çizgi çünkü Çoğu madde için basınç arttıkça erime noktası da artar; su için ise bunun tersi doğrudur.
AK çizgisi, sıvı ve buhar fazlarının faz geçiş çizgisidir; artan basınçla birlikte su ve buharın kaynama (doyma) sıcaklığı da artar.
Basınç azaldıkça erime ve doyma sıcaklıkları arasındaki fark azalır ve A noktasında bu eğriler yakınsar. Bu A noktasına suyun üçlü noktası denir; koordinatları fiziksel koşulları belirler(P o i to o) Bir maddenin üç fazının da termodinamik dengede olduğu ve aynı anda var olabileceği durum. Suyun üçlü noktasının parametreleri: ile = 0,01°C veya 273.16 bin Ve Ro =611,2 Pa .
Üçlü noktanın altında bulunan AC eğrisi, katı ve buhar fazlarının faz geçişi ve dengesi çizgisidir; süblimleşme ve desüblimleşme çizgisi. Böylece, de prosesine karşılık gelen bir basınçta, katı faz (de) c noktasında ısıtıldığında, katı faz buhar - süblimasyona geçer; c noktasında soğutulduğunda (proses ed), buhar katı faza geçer. - desüblimasyon. Her iki durumda da geçiş sıvı fazı atlar.
Faz geçiş eğrileri P,t diyagramının tüm alanını üç bölgeye ayırır: BAC çizgilerinin solunda katı hal bölgesi (buz), BA ve KA eğrileri arasında sıvı bölge ve sağında ise katı hal bölgesi (buz) bulunur. KAS aşırı ısıtılmış buhar bölgesidir. Bu durumda üstteki AK doğrusu, kritik parametrelerle belirlenen K noktasıyla biter. Kritik değerin üzerindeki basınçlarda sıvıdan buhara gözle görülür bir faz geçişi olmaz.
Su, kristal fazların çeşitli modifikasyonlarına sahip olan maddeleri ifade eder. Şu anda su buzunun altı modifikasyonu bilinmektedir. Geleneksel teknik cihazlarda ulaşılan basınçlarda buzun yalnızca bir modifikasyonu elde edilir. Diğer tüm modifikasyonlar yüksek basınçlarda elde edilebilir. Bu tür maddeler için P,t-diyagramında bir değil birkaç üçlü nokta vardır, çünkü saf bir maddenin üçten fazla fazının denge durumu imkansızdır. Böyle bir diyagramdaki ana üçlü nokta, sıvı, gaz ve katı fazlardan birinin dengesinin olduğu noktadır (A noktası, Şekil 6.2).
Normal hacim değişimine sahip maddeler için(bunlara doğada bulunan çoğu madde dahildir, ama su onlardan biri değil) sabit basınçta, sıcaklık arttıkça hacim sürekli olarak artar. P=sabit olan bu tür maddeler için katı fazın hacmi sıvının hacminden, sıvının hacmi ise buharın hacminden küçüktür. Bu durumda faz geçişi sırasında hacimdeki değişim Şekil 2'de gösterilebilir. 6.3.
1 noktasında - hacim v 1 olan katı faz, a noktasında - hacim v t p ile erime sıcaklığında katı faz, a" noktasında - hacim v l p ile erime sıcaklığında sıvı faz, c noktasında - sıcaklıkta doygunlukta sıvı faz (kaynama) v" hacmiyle, b" noktasında - v" hacmiyle doyma sıcaklığına sahip buhar, 2 noktasında - v2 hacmiyle aşırı ısıtılmış buhar. Hacim oranı v 2 >v">v">v w p >v t p >v 1, yani. hacimde v2 – buhardan v1 – katı faza doğru normal, doğal bir azalma gözlenir.
Bu örneğe uygun olarak, P,v faz diyagramını oluşturmak mümkündür. normal madde(Şekil 6.4). Bu, çeşitli sabit basınçlarda işlem 12'ye (Şekil 6.3) benzer deneyler gerçekleştirerek gerçekleştirilir ve P, v diyagramında (Şekil 6.4) normal bir madde için faz geçiş çizgileri elde edilir: DC - erime sıcaklığında katı faz ; AE – erime noktasında sıvı; АК – doyma sıcaklığında sıvı (kaynama, x=0); КL – kuru doymuş buhar (x=1), ВС – süblimleşme sıcaklığında katı faz.
SVD çizgisinin solunda katı hal bölgesi bulunur; VD ve AE hatları arasında – katı faz + sıvı; AE ve AK çizgileri arasında - sıvı bölge; AK ve KN çizgileri arasında – sıvı + buhar; CB, BN ve NL hatları arasında – katı faz + buhar; KL çizgisinin sağında buhar fazı bölgesi bulunur. BAN yatay çizgisi P,t diyagramında normal maddenin üçlü noktasına karşılık gelir.
Faz diyagramı T,s P,v diyagramına benzer. normal madde(Şekil 6.5). Burada, DВС çizgisinin solunda - katı faz, ВD ve АЭ çizgileri arasında - iki fazlı bir durum, katı faz+sıvı, AE ile AK arasında – sıvı faz, BC ile NL arasında – iki fazlı durum, katı faz+buhar; KL hattının sağında – aşırı ısıtılmış buhar; AK ve KN arasında - iki fazlı durum sıvı+buhar doymuş durumda (nemli doymuş buhar).
Bu faz diyagramları tamamen suya genişletilemez. su– anormal madde sıvıdan katı duruma izobarik geçiş sırasında suyun özgül hacmi artar (buz suyun yüzeyinde yüzer). Bu nedenle P,v diyagramında iki fazlı durumun bölgesi buz+sıvı kısmen ıslak buhar ve sıvı bölgesi üzerine bindirilmiştir.
İncirde. Şekil 6.6, düşük sıcaklıklarda katı fazın sıvıya geçiş bölgesindeki su için P,v faz diyagramının bölgesinin büyütülmüş ölçekli bir kısmını göstermektedir. Burada yatay ABN, P,t diyagramında suyun üçlü noktasına karşılık gelen izotermdir. Dikey AE, sıvı için üçlü noktanın sıcaklığına karşılık gelen izotermdir ve dikey ВD, buzun aynı izotermidir. Aralarında iki fazlı bir durum bölgesi var sıvı+buz.
AMNL eğrisi doyma sıcaklığındaki (x=0) sıvı hattını temsil eder. Basınç ve sıcaklığın artmasıyla, suyun üçlü noktasından (A) başlayarak, kaynar suyun özgül hacmi önce azalır, M noktasında minimuma ulaşır (yaklaşık 4 o C ve 800 Pa) ve basınçta daha fazla bir artışla ve Sıcaklık arttıkça kaynayan suyun özgül hacmi sürekli olarak artar. Yaklaşık 8 o C sıcaklıkta (N noktası), A noktasında özgül hacme ulaşır ve sıvının iki izotermi dikey NE üzerinde (0 ve 8 o C) çakışır. Benzer şekilde, MN çizgisinin üzerindeki dikeyler suyun sıvı fazının iki izotermine karşılık gelecektir. Daha önce de belirtildiği gibi, sıvı sıkıştırılabilirliği zayıf bir fazdır, bu nedenle su bölgesinde izotermler neredeyse dikey düz çizgilerdir.
Suyun katı fazı da zayıf bir şekilde sıkıştırılabilir; P,v diyagramında buzun izotermleri neredeyse düz dikey çizgilerdir. Ayrıca 0 o C'deki katı fazın hacmi, 0 o C'nin altındaki sıcaklıklarda erime halindeki buzun hacmine, sıvı fazın 0 o C'deki hacmi ise sıvının hacmine yakındır. negatif sıcaklıklarda doygunluk durumunda. Buzun erime sıcaklığındaki değişimin basınca bağımlılığı, doyma sıcaklığının basınca bağlı değişimine kıyasla zayıf bir şekilde ifade edilir, bu nedenle -20 o C'de buz 187.3 MPa basınçta erir ve +20 o C'de su 187.3 MPa basınçta kaynar. 2,33 kPa'lık bir basınç. Yukarıdakilerin tümü, sıvı - hat AE - ve erime durumundaki buz - P, v diyagramında BD - için 0 o C izotermlerini, sıvı faz ile iki fazlı durum arasındaki sınır eğrileri olarak kabul etmemizi sağlar. buz+sıvı ve katı faz suyun üçlü nokta basıncının üzerindeki tüm basınçlar için. Bu durumda, 0 o C'nin altındaki sıcaklık aralığında, katı faz ВD çizgisinin solunda, sıvı faz ise АЭ çizgisinin solunda olacaktır, çünkü sıcaklık düştükçe hem sıvı hem de katı fazların hacmi azalır ve buzun erime basıncı suyun üçlü noktasının basıncından daha yüksektir. Ancak pratikte kullanılan basınç sınırları içindeki bu sapmalar çok küçüktür.
Buzun doğrudan buhara faz geçişi çizgisi (süblimleşme çizgisi), üçlü nokta - BC çizgisinin basıncının altındaki basınçlarda bulunur. Bu hatta basınç azaldıkça buzun sıcaklığı ve hacmi azalır. BC çizgisinin solunda yalnızca katı faz vardır, sağında ise - katı faz+buhar.
Sonuç olarak suyun P,v faz diyagramı Şekil 2’de gösterilen forma sahiptir. 6.7, a. Burada CVD çizgisinin solunda suyun katı fazı, AK çizgisinin solunda suyun sıvı fazı, EABD çizgileri arasında ise iki fazlı durum bulunmaktadır. sıvı+buz, CBNL hatları arasında – iki fazlı durum buz+buhar KL çizgisinin üstünde – aşırı ısıtılmış buhar. Suyun anormal özelliklerinden dolayı, suyun farklı faz durumlarındaki bölgeler P, v diyagramında örtüşür: iki fazlı durum bölgesi buz+sıvı EABD, sıvı bölge EAMD ve iki fazlı durum bölgesi üzerine bindirilmiştir sıvı+buhar AMVA, buna ek olarak, ВD çizgisinin solundaki katı faz bölgesinde bir kaplama vardır. Bu alanların görselinin Şekil 2'de yer aldığına dikkat edilmelidir. 6.7, ancak ölçeğe uyulmadan daha fazla netlik sağlamak için büyütüldü. Gerçekte, sıvı ve buzun hacimleri A ve B noktalarından çok daha küçüktür, aynı zamanda sıcaklık azaldıkça ve basınç arttıkça bu faz durumlarının hacimleri azalır, yani. AE çizgisinin solunda basınç arttıkça sıvı bölge artar ve AE çizgisinin solundaki katı faz negatif sıcaklıklarda suyun sıvı faz bölgesinin solunda bulunamaz.
Şekil 2'deki P,v diyagramında suyun farklı fazlarının örtüşmesini göstermek için. Şekil 6.7, a, b, sıcaklığı daha büyük (t>to) ve daha küçük (t) olan iki izotermi (kesikli çizgiler) göstermektedir. İzoterm 1234, 0 o C'den daha düşük bir sıcaklığa sahiptir ve P, v diyagramında sıvı bölgede 12. satırda, 22. satırda - iki fazlı durum bölgesinde geçer sıvı+buz, 2"3 hattında - buz bölgesinde, 33" hattında - iki fazlı durum bölgesinde buz+buhar, 3"4 hattında - aşırı ısıtılmış buhar alanında. İzoterm 567, 0 o C'den daha büyük bir sıcaklığa sahiptir ve P, v diyagramında sıvı bölgede 56. satırda, 66. satırda - iki fazlı durum bölgesinde geçer sıvı+buhar, 6"7 hattında - aşırı ısıtılmış buhar alanında. P,v diyagramında bu izotermlerin kesişme noktaları suyun farklı faz durumlarının birbiri üzerine bindirilmesini gösterir. Bu noktalarda bu faz durumları aynı basınç ve farklı sıcaklıklarda aynı özgül hacimlere sahiptir. Yani izoterm 56'daki sıvı ile aynı özgül hacme sahiptir. sıvı+buz 22" izoterm üzerindeki noktalardan birinden itibaren ve 2"3 izoterm üzerindeki buz ile aynı hacme sahiptir. sıvı+buhar 66" izoterm üzerindeki noktalardan birinden. Suyun faz T,s diyagramını oluştururken, entropinin kökeni, doygunluk durumundaki (x) sıvı için suyun üçlü noktası (to =0,01 o C ve P o =611,2 Pa) parametrelerinde seçilir. = 0). Gelecekte, suyun üçlü noktasının sıcaklığı ile 0 o C arasındaki küçük fark nedeniyle, esas olarak sıfır santigrat derece değeri kullanılacaktır (bununla suyun üçlü noktasının sıcaklığını kastediyoruz). Farklı basınçlar için (suyun üçlü noktasının basıncından ve daha fazlası) 0 o C sıcaklıktaki suyun sıvı fazının entropileri, sıfıra yakın neredeyse aynı sayısal değerlere sahip olacaktır. 0 o C'de ve farklı basınçlarda suyun sıvı fazının entropilerinin eşitliği, suyun sıvı fazının zayıf sıkıştırılabilirliği ile açıklanmaktadır. Entropi, herhangi bir durum parametresi gibi, iki bağımsız durum parametresi tarafından belirlendiğinden, 0 o C izotermindeki sıcaklıkların ve belirli sıvı hacimlerinin eşitliği, bu noktalardaki entropilerin eşitliğine karşılık gelecektir. Bu noktalardaki sayısal entropi değerlerinin sıfırdan sapması 1 kJ/(kg K) binde biridir. Yukarıdakilere dayanarak, T,s diyagramındaki 0 o C suyun sıvı fazının izotermi A noktasını temsil edecektir (Şekil 6.8, a). Buzun özgül erime ısısı pozitif bir değerdir, dolayısıyla 0 o C'de 335 kJ/kg'a eşittir, bu nedenle suyun üçlü noktasının sıcaklık ve basıncında katı faza karşılık gelen B noktası bulunacaktır. A noktasının solunda, yani. negatif entropi değerinde. Suyun anormal özellikleri, sıvı, katı ve iki fazlı denge alanlarındaki normal bir maddenin T,s diyagramına kıyasla T,s faz diyagramının doğasını değiştirecektir. katı + sıvı Ve katı + buhar devletler. İlk olarak bu alanlar suyun üçlü nokta izoterminin altında olacaktır çünkü buz yalnızca 0 o C'den düşük (veya ona eşit) sıcaklıklarda mevcut olabilir. İkinci olarak, katı ve buhar fazlarının aynı anda bulunduğu süblimasyon bölgesi üzerine bindirileceklerdir. Suyun sıvı fazı aynı zamanda 0 o C'nin altındaki sıcaklıklarda da olabilir; bu sıcaklıklarda sıvı faz bölgesinin T,s diyagramında iki fazlı durum bölgeleriyle yine bir örtüşme olacaktır. sıvı+buz Ve buhar+buz. Buzdan sıvıya faz geçişi sırasında buzun erimesinin pozitif özgül ısısı ve negatif (Santigrat derece cinsinden) sıcaklık değerleri, faz geçişlerinin sınır çizgilerinin konumunu açıklar: BC - süblimasyon çizgisi, AE - erime noktasındaki sıvı çizgisi sıcaklık, ВD – erime sıcaklığındaki buz çizgisi (Şekil .6.8, a). Bu bölgedeki faz geçiş çizgilerinin doğası, sıvı ve buzun izobarik ısı kapasitesinin basınca bağımlılığıyla açıklanmaktadır (T,s diyagramında daha düşük ısı kapasitesine sahip çizgiler, daha yüksek ısı kapasitesine sahip çizgilerden daha diktir). BC süblimasyon çizgisi VD çizgisinden daha düzdür, çünkü buzun izobarik ısı kapasitesi basınç azaldıkça artar ve aynı sıcaklıklarda BC çizgisi üzerindeki basınç VD çizgisi üzerindeki basınçtan daha azdır. Aynı sıcaklıklarda buzun izobarik ısı kapasitesi sıvının ısı kapasitesinden daha az olduğundan VD çizgisi AE çizgisinden daha diktir. Su için T,s faz diyagramı Şekil 2'de sunulacaktır. 6.8, a. KAE hattının solunda suyun sıvı fazında bir bölge olacak, DBAE hatları arasında iki fazlı bir bölge olacak sıvı+buz, Т o ВD çizgileri arasında - katı fazın bölgesi, СВNL çizgileri arasında - bölge katı faz+buhar KL çizgisinin üstünde aşırı ısıtılmış buhar bölgesi bulunur. İki fazlı bölge sıvı+buz DBAE, iki fazlı durumun bölgesi üzerine bindirilmiştir buz+buhar SVNL. Buna karşılık, iki fazlı durum bölgesine buhar+buz CBNL, CBD buz alanının üzerine bindirilmiştir. Ayrıca buz bölgesinde ve iki fazlı hallerde buz+buhar Ve sıvı+buz AE çizgisinin solundaki sıvı alan üst üste bindirilmiştir. ВD hattında erime durumunda bir buz bölgesi var, AE hattında - erime sıcaklığındaki sıvı, ВС hattında - süblimleşme bölgesi, buz ve buz arasındaki sınır feribot+buz, AK hattında - doymuş durumdaki sıvı bölgesi, KL hattında - kuru doymuş buhar. Suyun faz dönüşümlerinin netliği için Şekil 2'deki T diyagramında yer almaktadır. 2.8 ve noktalı çizgi, basıncın daha büyük (P>P o) ve daha düşük (P) olduğu izobarları göstermektedir.<Р o), чем давление в тройной точке воды. Те же изобары показаны на рис. 6.8, б в Р,t- диаграмме. Gelecekte, 0 o C'ye eşit veya daha yüksek sıcaklıklarda suyun sıvı ve buhar fazlarının özelliklerine asıl dikkat gösterilecektir. Bu nedenle, faz diyagramlarında yalnızca bu alanları göstereceğiz, yani. pratikte bu, A noktasından geçen dikey çizgiye göre sağ taraftır. Bu durumda, P, v diyagramında, sıvı bölgedeki 0 o C izotermi, sıvı fazın sol sınır eğrisi olarak düşünülebilir, çünkü neredeyse dikey bir çizgidir. T,s diyagramında suyun sıvı fazının üçlü noktasının parametreleri entropinin başlangıç noktası olarak alınmıştır. Suyun sıvı fazının 0 o C'deki hacmi, pratik olarak üçlü noktadaki hacmine eşit olduğundan ve suyun üçlü noktasının sıcaklığı 0 o C'ye çok yakın olduğundan, bu iki parametrenin sabitliği, Farklı basınçlarda suyun sıvı fazının entropisinin sabit değeri ve t = 0 o C Böylece suyun sıvı fazı bölgesindeki tüm izobarlar T,s diyagramında A noktasından ayrılacaktır. Böylece P, v diyagramında suyun sıvı ve buhar fazlarına ilişkin ana hatlar ve işlemler Şekil 2'de sunulabilmektedir. 6.9. Burada sıvı bölgedeki (12) kritik altı izotermler sola doğru hafif bir kayma ile dikey düz çizgilere yakındır. Islak buhar (23) bölgesinde izoterm, doyma izobarıyla çakışır. Aşırı ısıtılmış buhar (34) bölgesinde izoterm, aşağıya doğru dışbükey bir eğriyi temsil eder. Kritik izotermin kritik noktada bir bükülme noktası vardır. t > tcr'deki izotermler aynı zamanda yüksek sıcaklıklarda kaybolan bir bükülme noktasına da sahip olabilir. Sabit entropi çizgileri aşağı doğru dışbükey eğrilerdir. Üstelik çizgiler< s кр пересекают только линию x = 0, а линии s >s cr yalnızca x = 1 doğrusuyla kesişiyor. x=const çizgilerinin yapısı bölümlerin oranına karşılık gelir: Sıvının özgül hacmi, kuru doymuş buharın özgül hacminden çok farklıdır. Yani suyun üçlü noktasında, sıvı (A noktası) v o "=0,00100022 m3 /kg'a ve buhar - v o "=206,175 m3 /kg'a sahiptir, kritik noktada v cr =0,003147 m3 /kg. 1 bar basınçta, v"=0,0010434 m3/kg ve v"=1,6946 m3/kg. Sonuç olarak x=0 doğrusu x=1 doğrusundan daha diktir. Suyun sıvı ve buhar fazları için T,s diyagramının ana proses çizgileri ve parametrelerle birlikte bir görüntüsü, suyun sıvı ve buhar fazlarının termodinamik özelliklerinin ayrıntılı bir çalışmasının ardından verilecektir. Bir maddenin gerçek gaz durumu ile sıvı durumu arasındaki ara durumuna genellikle denir. buharlı ya da sadece feribot. Sıvının buhara dönüşümü faz geçişi bir toplanma durumundan diğerine. Faz geçişi sırasında maddenin fiziksel özelliklerinde ani bir değişiklik gözlenir. Bu tür faz geçişlerine örnek olarak süreç kaynamak Görünüşüyle akıcı ıslak doymuş buhar ve bunun ardından nemsiz ortama geçiş kuru doymuş buhar veya ters kaynatma işlemi yoğunlaşma doymuş buhar. Kuru doymuş buharın temel özelliklerinden biri, ona daha fazla ısı verilmesinin buharın sıcaklığında bir artışa, yani aşırı ısıtılmış buhar durumuna geçişine ve ısının uzaklaştırılmasının ıslak duruma geçişe yol açmasıdır. doymuş buhar. İÇİNDE Şekil 1. T, s koordinatlarında su buharının faz diyagramı.
BölgeBEN– gaz hali (gerçek bir gazın özelliklerine sahip aşırı ısıtılmış buhar); BölgeII– suyun ve doymuş su buharının denge durumu (iki fazlı durum). Bölge II'ye buharlaşma bölgesi de denir; BölgeIII– sıvı hal (su). Bölge III, EK izotermiyle sınırlıdır; BölgeIV– katı ve sıvı fazların denge durumu; BölgeV- katı hal; Bölge III, II ve I ayrıldı sınır çizgileri AK (sol çizgi) ve KD (sağ çizgi). AK ve KD sınır çizgileri için ortak K noktası özel özelliklere sahiptir ve denir. kritik nokta. Bu noktanın parametreleri var Pcr,
vcr Ve T cr Kaynayan suyun iki fazlı bölgeyi atlayarak aşırı ısıtılmış buhara dönüştüğü yer. Sonuç olarak Tcr'nin üzerindeki sıcaklıklarda su bulunamaz. Kritik nokta K aşağıdaki parametrelere sahiptir: Pcr= 22,136 MPa; vcr= 0,00326 m3 /kg; Tcr= 374,15 °C. Değerler p, t, v Ve S her iki sınır çizgisi için de su buharının termodinamik özelliklerine ilişkin özel tablolarda verilmiştir. Şekil 2 ve 3, suyun kaynama noktasına kadar ısıtılması, buhar oluşumu ve buharın aşırı ısıtılması işlemlerini göstermektedir. p, v- Ve T, s-diyagramlar. Basınç altındaki sıvı suyun başlangıç durumu P 0 ve 0 °C sıcaklığa sahip olan diyagramlarda gösterilmiştir. p, v Ve T, s nokta A. Isı verildiğinde P= sıcaklığı artar ve özgül hacmi artar. Bir noktada suyun sıcaklığı kaynama noktasına ulaşır. Bu durumda durumu bir nokta ile gösterilir B. Daha fazla ısı sağlanmasıyla buharlaşma hacimde güçlü bir artışla başlar. Bu durumda, iki fazlı bir ortam oluşur - adı verilen su ve buhar karışımı ıslak doymuş buhar. Isı, sıvı fazın buharlaşmasına harcandığından karışımın sıcaklığı değişmez. Bu aşamadaki buharlaşma süreci izobarik-izotermaldir ve diyagramda bir bölüm olarak gösterilir. M.Ö. Daha sonra bir noktada tüm su buhara dönüşür. kuru doymuş. Bu durum diyagramda bir nokta ile gösterilir C. Şekil 2. Su ve su buharı için P, v diyagramı. Şekil 3. Su ve su buharı için T, s diyagramı. Daha fazla ısı beslemesi ile buharın sıcaklığı artacak ve buharın aşırı ısınma süreci meydana gelecektir. c-d. Nokta D aşırı ısınmış buharın durumunu gösterir. Nokta mesafesi D noktadan İle aşırı ısıtılmış buharın sıcaklığına bağlıdır. Su ve buharın farklı durumlarına ilişkin miktarları gösteren indeksleme: Daha yüksek basınçta buharlaştırma işlemi p 1 > p 0 noktanın şu olduğu belirtilebilir A, Suyun 0 ° C sıcaklıkta ve yeni bir basınçta başlangıç durumunu gösteren, suyun özgül hacmi neredeyse basınçtan bağımsız olduğundan pratik olarak aynı dikeyde kalır. Nokta B'(suyun doyma sıcaklığındaki durumu) sağa doğru kayar. p, v-diyagram ve yükselir T'ler-diyagram. Bunun nedeni, basınç arttıkça doyma sıcaklığının ve dolayısıyla suyun özgül hacminin artmasıdır. Nokta C'(kuru doymuş buhar durumu) sola kayar, çünkü artan basınçla birlikte sıcaklıktaki artışa rağmen spesifik buhar hacmi azalır. Birçok noktayı birleştirme B Ve C farklı basınçlarda alt ve üst sınır eğrilerini verir tamam Ve kc.İtibaren p, v- Diyagram, basınç arttıkça belirli hacimlerdeki farkın arttığını göstermektedir v″ Ve v′ azalır ve belli bir basınçta sıfıra eşit olur. Kritik olarak adlandırılan bu noktada sınır eğrileri birleşir. tamam Ve kc. Noktaya karşılık gelen durum k, isminde kritik.İçinde buhar ve suyun aynı spesifik hacimlere sahip olması ve özelliklerinde birbirinden farklı olmaması ile karakterize edilir. Eğrisel bir üçgende yer alan bölge bkc(V p, v-diyagram), nemli doymuş buhara karşılık gelir. Aşırı ısıtılmış buharın durumu, üst sınır eğrisinin üzerinde yer alan noktalarla temsil edilir kc. Açık T, s-diyagram alanı 0 karın kasları sıvı suyu doyma sıcaklığına kadar ısıtmak için gereken ısı miktarına karşılık gelir. Sağlanan ısı miktarı, J/kg, buharlaşma ısısına eşittir R, alana göre ifade edilir s'bcs, ve bunun için aşağıdaki ilişki geçerlidir: R = T(s″ — s′).
Su buharının aşırı ısıtılması sürecinde sağlanan ısı miktarı alanla temsil edilir. s″cd'ler. Açık T, s Diyagram, basınç arttıkça buharlaşma ısısının azaldığını ve kritik noktada sıfıra eşit olduğunu göstermektedir. Genellikle T, s-diyagram teorik çalışmalarda kullanılır, çünkü pratik kullanımı, ısı miktarlarının eğrisel şekillerin alanlarıyla ifade edilmesi gerçeği nedeniyle büyük ölçüde engellenmektedir. Termodinamik ders notlarımdaki materyallere ve “Enerjinin Temelleri” ders kitabına dayanmaktadır. Yazar G. F. Bystritsky. 2. baskı, rev. ve ek - M.: KNORUS, 2011. - 352 s.
Suyun faz durumları
Sudan su buharı elde etme işlemi
