Линии фазового перехода

Изобразим рассмотренный в предыдущем подразделе процесс парообразования графически в системе vP-координат. Допустим, что при заданном давлении Р₁ 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.