Диаграммы состояния однокомпонентных систем

Диаграммы состояния однокомпонентных систем имеют общий вид. В

качестве примера рассмотрим диаграмму состояния Н₂О (рисунок 7.1). Участки отделенные линиями соответствуют одной из фаз: кристаллической (К), жидкой (Ж), газообразной (Г). Линии на диаграмме состояния соответствуют двум фазам: кристаллической и жидкой (К, Ж), жидкой и газообразной (Ж, Г), кристаллической и газообразной (К, Г). Точка соединения трех линий соответствует трем фазам (К, Ж, Г). Рассмотрим фазовые переходы.

Фактором, определяющим фазовый переход, является давление паров вещества. Давление паров зависит от температуры и внешнего давления. Температура фазового перехода при определенном давлении является константой соответствующей

Рисунок 7.1 Диаграмма состояния воды

данному веществу. Для воды при давлении 1 атм: 0 ^оС – плавление и 100 ^оС – кипение, являются реперными точками и основой температурной шкалы в градусах Цельсия. Тройная точка для воды имеет температуру 0,078 ^оС, то есть несколько больше чем 0 ^оС, так как линия К–Ж для воды имеет некоторый наклон влево. Особый интерес для холодильной техники представляет критическая точка «К», после которой обрывается линия Ж–Г. Это связано с тем, что после точки К разница между жидкостью и паром исчезает. Для воды она имеет значение – 374,2 ^оС, 217 атм. Критическая точка «К» для аммиака имеет значения: 11,8 атм и 132,2 ^оС.

Проведем анализ диаграммы состояния воды по правилу фаз Гиббса. На линиях Ф = 2 и f = 1 – 2 + 2 = 1, т.е. каждой температуре соответствует строго определенная величина давления насыщенного пара. Эти линии разделяют всю диаграмму на 3 поля (жидкость, пар, твердая фаза). В пределах каждого поля Ф = 1, f = 1 – 1 + 2 = 2, т.е. можно изменять одновременно в определенных пределах давление и температуру. Все три линии пересекаются в одной точке (тройная точка), здесь Ф = 3, f = 1 – 3 + 2 = 0, система инвариантна. Это означает, что все 3 фазы могут находиться в равновесии лишь строго постоянных значениях температуры и давления.

Математически зависимость изменения давления пара от температуры описывается уравнением Клаузиуса – Клапейрона

(dР⁄dТ)_равн. = ∆S ⁄ ∆V. (7.2)

Обычно этот индекс(равн.) для краткости записи формул опускается.

В состоянии равновесие ΔG = ΔH – TΔS = 0 и отсюда ΔS_ф.п. = ΔH_ф.п. ⁄ T_ф.п.. Подставляя ΔS в общее уравнение Клаузиуса – Клапейрона получаем

dР⁄dТ = ∆Н ⁄ (∆V·T). (7.3)

В такой форме уравнение чаще используется на практике.

Значения давлений и температур фазовых переходов необходимы в первую очередь для выбора необходимой конструкции холодильного аппарата, а для холодопроизводительности важен тепловой эффект фазовых переходов.