Линии фазового перехода

Изобразим рассмотренный в предыдущем подразделе процесс парообразования графически в системе vP -координат. Допустим, что при заданном давлении Р ₁ и температуре 0 ^оС удельный объем воды равен . Это состояние воды изобразим на диаграмме точкой (рис. 5.3). Так как процесс парообразования происходит при постоянном давлении, то линия такого процесса будет являться изобарой, идущей из точки вправо. Положим, что в момент начала кипения, когда температура подогреваемой воды станет равной , состояние воды (жидкости) определяется точкой ; в этот момент удельный объем воды увеличится до v’. При дальнейшем подводе теплоты будет получаться влажный пар, а когда вся вода перейдет в пар, он станет сухим (точка ). Так как в процессе получения насыщенного пара температура его остается постоянной, то участок изобары является одновременно и изотермой. Итак, точка показывает начало кипения, а точка – конец его; поэтому в точке степень сухости х = 0, а в точке степень сухости х = 1. Все промежу-точные точки относятся к влажному пару. Понятно, что чем правее на линии располагается точка, определяющая состояние влажного пара, тем этот пар суше.

Если сухому пару сообщить некоторое количество теплоты, то он перейдет в перегретый пар, состояние которого может определяться, например, точкой . Чем теплоты будет подведено больше, тем удельный объем перегретого пара v будет также больше, и точка расположится дальше от точки .

Если подобный процесс парообразования повторить при более высоком давлении (например, увеличив нагрузку на поршень), то соответствующая этому давлению изобара расположится выше.

Воду (жидкость) считают практически несжимаемой и полагают, что удельный объем ее не зависит от давления. Поэтому без заметной погрешности можно точку , определяющую состояние воды при давлении и температуре 0 ^оС, расположить на одной вертикали с точкой . Строго же говоря, точка должна быть расположена несколько левее точки .

Рис. 5.3. Изображение в осях vP процессов парообразования,

протекающих при постоянных давлениях

Как уже говорилось, с увеличением давления температура насыщения повышается. Поэтому для того, чтобы довести воду до температуры кипения при более высоком давлении, ей нужно сообщить больше теплоты. При этом вода больше расширится и удельный объем жидкости v’ ₂ станет больше, чем v’₁. Ясно, что и точка , определяющая состояние воды в момент начала кипения, должна быть расположена на изобаре правее точки .

Точка , определяющая на диаграмме состояние сухого пара при давлении , расположится на изобаре левее точки , так как опыт показывает, что с увеличением давления объем сухого пара уменьшается.

Проводя процесс парообразования при еще более высоком давлении , получим точки , определяющие состояние воды соответственно при 0 ^оС, при начале кипения и в конце кипения, когда получится сухой пар.

Если одноименные точки на диаграмме соединить, то получим линию АВ удельных объемов воды при 0 ^оС и две линии МК и NK, сходящиеся в точке К. Линия МК представляет собой геометрическое место точек, обозначающих состояния воды в моменты начала кипения, а линия NK – геометрическое место точек, соответствующих состояниям сухого пара. Таким образом, линии МК и NK делят всю диаграмму на три области: область воды, лежащую левее МК, область влажного пара, расположенную между линиями МК и NK, и область перегретого пара, находящуюся правее линии NK. Кривая MK называется линией жидкости, а кривая NK – линией сухого насыщенного пара. Очевидно, что в точке К вода и насыщенный пар обладают одними и теми же значениями параметров р, v и t, которые обозначаются ; v_k; и называются критическими, а сама точка К – критической точкой.

Критическую точку имеет не только вода, но и все вообще вещества, что впервые было установлено Д.И. Менделеевым. Это открытие имеет чрезвычайно важное значение для всего дальнейшего развития теории реальных газов и поэтому представляет ценный вклад в мировую науку.

В настоящее время установлено, что для воды:

– критическое давление = 225,65 ≈ 225 ата;

– критическая температура = 374,15 ≈ 374 ^оС и

– критический удельный объем v_k = 0,0031 м³/кг.

Критическая точка лежит на границе трех состояний: перегретого и насыщенного паров и воды. Если, не изменяя объема, уменьшить давление (повести процесс по стрелке, идущей вниз на рис. 5.4), то получим влажный пар.

Рис. 5.4. Критическая точка К лежит на границе трех состояний: воды,

влажного пара и перегретого пара

Если, также не изменяя объема, увеличить давление (стрелка вверх), то получим перегретый пар, и, наконец, если, не изменяя давления, уменьшить объем (стрелка влево), то получим воду.

Поиск по сайту: