Главная | Обратная связь

Основные сведения о процессах изменения фазового состояния воды.

 

На рис.1 изображено, так называемое фазовое пространство. Заштрихованные области на рис.1 – это фазовые поверхности. Например, область Ж+П соответствует точкам одновременного сосуществования двух фаз: жидкой и паровой.

Рис.1 Фазовое пространство

 

Рис. 2 Фазовая P-υ диаграмма

 

Рис. 3 Фазовая Р-Т диаграмма воды 1 – процесс плавления; 2 – кристаллизация (отвердевание); 3 – парообразование;

4 – конденсация; 5 – сублимация (возгонка); 6 – десублимация (конденсация)

Фаза – однородная часть системы. У воды фазовые состояния совпадают с агрегатными состояниями: твердым, жидким и газообразным (собственно газовым или паровым).

Обозначение фаз: Т – твердая, Ж – жидкая, Г – газообразная.

Пар (П) – газообразное состояние вещества при температуре ниже критической (Т_кр).

На рис. 2 и 3 приведены проекции фазового пространства на плоскости PV и РТ, соответственно.

Процесс перехода из жидкости в пар называется парообразованием.

Испарение - парообразование со свободной поверхности вещества.

Кипение- парообразование внутрь пузырьков, образующихся по всему объему жидкости.

Процесс перехода из паровой фазы в жидкую называется конденсацией.

Процесс перехода твердой фазы в жидкую называется плавлением, обратный – кристаллизацией (отвердеванием).

Процесс перехода вещества из твердой фазы в газообразную называется сублимацией (возгонкой), а процесс перехода из паровой фазы в твердую – десублимацией (конденсацией). Твердая и жидкая фазы называются конденсированными фазами.

Сублимация – парообразование со свободной поверхности твердого вещества. Например, при атмосферном давлении углекислый газ и нафталин переходят из твердого состояния сразу в парообразное.

Испарение происходит всегда, но при низких температурах количество молекул, вылетающих со свободной поверхности, не будет равно количеству молекул, возвращающихся обратно.

Если при Р = const повышать температуру, то наступит момент равенства этих процессов, называемый насыщением.

При температуре насыщения давление водяного пара над поверхностью жидкости равно давлению окружающей среды. В этом состоянии жидкость и пар называются насыщенными. Значение температуры насыщения зависит от величины давления. Например, при нормальном физическом давлении (101325 Па, 760 мм. рт.ст.) температура насыщения равна 100°С. Чем выше давление, тем больше температура насыщения. Повышение температуры кипения воды свыше 100°С обеспечивается за счет создания повышенного давления (принцип действия скороварки и автоклава). Между давлением насыщения и температурой насыщения существует однозначная зависимость, задаваемая уравнением Клайперон-Клаузиуса (рассматривается далее). Значения давления и температуры насыщения содержатся в специальных таблицах насыщенного водяного пара. Вход в эти таблицы либо по давлению, либо по температуре (см. Приложение). Связь между давлением и температурой насыщения – это линия АК на рис. 3, каждая точка которой соответствует уравнению Клайперона-Клаузиуса. Линия АК называется кривой парообразования.

Точка А – тройная точка, где сосуществуют одновременно все три фазы. Эта точка для воды имеет строго фиксированные параметры: t_тр = 0.01°С, P_тр = 610,8 Па.

Точка К – критическая точка, выше которой одновременное сосуществование двух фаз невозможно. При температуре выше критической различий между жидкостью и газом данного вещества нет: свойства совпадают.

Параметры точки К для воды: Р_кр = 22,129МПа, t_кр= 374,14°С.

Если надо превратить лед в перегретый пар, то вода должна пройти через 6 состояний: вода твердая (лед), недогретая жидкость (t<t_нас), насыщенная (кипящая) жидкость (t=t_нас , начало парообразования) влажный насыщенный пар, сухой насыщенный пар, перегретый пар.

Точки на кривой АК (рис. 2) соответствуют кипящей жидкости. Линия АК – линия насыщения жидкости (или нижняя пограничная кривая), на которой точки принято обозначать одним штрихом (например С′).

Точки на линии KF (рис. 2), называемой верхней пограничной кривой, соответствуют сухому насыщенному пару.

Между кривыми АК и KF (рис. 2) лежит область влажного насыщенного пара.

Влажный насыщенный пар – механическая смесь капелек жидкости и сухого насыщенного пара.

Степенью сухости пара (х) называется массовая доля сухого насыщенного пара во влажном насыщенном паре.

Точки на кривой KF соответствуют состоянию, когда капелек кипящей жидкости во влажном насыщенном паре уже нет.

Перегретым называется пар, температура которого больше температуры насыщения при данном давлении.

Влагосодержанием (степенью влажности) называется величина У=1–x , то есть массовая доля кипящей жидкости во влажном насыщенном паре.

У=1 на линии АК и У=0 на линии KF.

У воды твердой известно 5 кристаллических модификаций: III₁, III₂, III₃, III₅, III₆.

Модификация III₁ – обычный лед, остальные модификации существуют только при высоких давлениях.

Вода относится к аномальным веществам, у которых удельный объем твердой фазы больше, чем удельный объем жидкой фазы. Аномальные вещества: чугун, висмут и др. У аномальных веществ кривая плавления на рис. 3 идет из точки А влево вверх, у нормальных веществ – вправо вверх. У аномальных веществ с ростом давления температура плавления понижается (это свойство используется в коньках и лыжах). Правее верхней пограничной кривой (х=1) пар находится в перегретом состоянии. В расчетах процессов водяного пара используется температура t(°С) и Т(°К). Во всех формулах используется абсолютное давление Р. Если в системе давления выше атмосферного В, то Р=Р_ман+В, если в системе разряжение (вакуум), то абсолютное давление Р=В–Р_вак, где Рвак – показания вакуумметра.

В практических расчетах используется понятие удельной энтальпии водяного пара i, (Дж/кг):

,

где V – удельный объем.

Внутренняя энергия идеального газа (U) зависит только от температуры. Энтальпия же, в отличии от внутренней энергии, учитывает еще и потенциальную энергию сжатой системы (РV). В процессах при постоянной температуре изменение удельной энтропии S, (Дж/(К·кг)) характеризует теплоту (q_Т), которой обменивается система и окружающая среда.

Так как , то q_Т = ТΔS