Физический смысл диаграммы состояния воды
Для выяснения физического смысла рис. 7.2 подробней остановимся на ее
разделительных линиях иточке их пересечения.
1. а)Линия ОСсоответствует ситуации, когда внешнее давление Р (со стороны поршня) совпадает с давлением насыщенного пара над жидкой водой:
б) С увеличением температуры, как известно, давление насыщенного пара
возрастает. Так что линия ОС – это фактически график зависимости давления насыщенного пара над жидкой водой от температуры:
в) Рассмотрим вариант с фиксированной температурой — например, t1.
I. Пусть 
: давление поршня больше давления насыщенного пара, и фигуративная точка лежит выше кривой ОС. В таком случае пар образовываться не может — просто потому, что его давления недостаточно, чтобы приподнять
поршень и занять какой-то объем. Вся вода находится в жидком состоянии.
II. Если 
(точка лежит на кривой ОС), то пар уже может обратимо поднимать поршень и создавать газовую фазу, т.е. две фазы находятся в равновесии друг с другом, что соответствует состоянию кипения.
III. Если же 
(точка — под кривой ОС), то внешнее давление так мало, что поршень неудержимо поднимается вверх и вся вода превращается в пар, расширяющийся до давления Р. Система опять становится однородной.
г) Итак, кривая ОС описываетзависимость (7.2,б). Но из только что изложенного следует, что эта криваяопределяет еще одну зависимость
— температуры кипения от внешнего давления:
Tк = f--1 (Pex). (7.2,в)
2. Линия ОА. а) При температурах ниже нуля вода находится уже не в жидком, а в твердом состоянии (лед, снег). Но и лед тоже способен испаряться, минуя жидкое состояние.
Переход вещества из твердого состояния сразу в газообразное называется
сублимацией, или возгонкой. Для воды это возможно, что подтверждает простой
пример. Так, мокрое белье, вывешенное на мороз, вначале затвердевает (вода
переходит в твердое состояние), а затем постепенно сохнет. Это-то высыхание
и есть ни что иное, как возгонка воды.
б) Так вот, на линии ОА внешнее давление Р совпадает с давлением насы-
щенного пара надо льдом. Это давление вновь зависит от температуры; следовательно, линия ОА — это зависимость вида
в) В отношении точек, прилегающих к линии ОА, можно провести рассмотрение, как в случае линии ОС:
- выше линии ОА внешнее давление не позволяет образовываться газовой фазе – имеется только твёрдая фаза;
- на линии ОА существует обратимое равновесие между твёрдой и газообразной фазами;
- а ниже этой линии, из-за малости внешнего давления, вся вода из твёрдой фазы возгоняется в газообразную.
3. а)Линия ОВ отражает равновесие в системе лед - вода. Как известно, при
атмосферном давлении плавление льда происходит при 0°С. Это точка К на
линии ОВ.
б) Однако температура плавления льда, хотя и очень слабо, зависит
от внешнего давления в системе:
Тпл = Ψ(Р) (7.4)
А именно: при резком уменьшении давления Тпл немного увеличивается,
что является одним из проявлений принципа Ле Шателье (п. 6.4).
II. Действительно, согласно этому принципу, понижение давления должно
сдвигать равновесие процесса
Состояние 1 (лёд) 
Состояние 2 (вода) (7.5)
в сторону состояния с бóльшим объемом (что отчасти компенсирует снижение внешнего давления).
III. Как известно, объём льда больше объёма воды аналогичной массы (при t ≈ 0o C). Следовательно, при уменьшении давления (ΔP < 0) равновесие сдвигается в сторону льда. Поэтому для перехода льда в воду требуется более высокая (чем при прежнем давлении) температура (ΔTпл > 0). Значит, изменения ΔP и ΔTпл противоположны по знаку. Наклон кривой ΔTпл(P) — отрицательный.
в) Таким образом, кривая ОВ отличается по своему характеру от кривой АО:
она (ОВ) отражает не зависимость Р от Т (давления насыщенного пара от
температуры), а, наоборот, зависимость Т от Р (температуры плавления от
давления).
Кривая же ОС, напомним, описывает обе зависимости: 
от Т и Tк от Pex.
г) Если фигуративная точка лежит левее кривой ОВ, то вся вода находится в виде льда, а если правее — вся вода в жидком состоянии.
4. Точка О. Допустим, что, оставаясь на кривой ОВ (где твердая и жидкая
фаза находятся в равновесии), мы сильно снижаем внешнее давление — до
того момента, пока оно не сравняется с давлением насыщенного пара надо
льдом и над водой. Тогда появится возможность для образования и третьей
фазы: пар сможет приподнять поршень и создать свою фазу.
Данное состояние и описывается тройной точкой О. Ее координаты:
Таким образом, диаграмма состояния воды (рис. 7.2) рассмотрена не только
с формальной (исходя из правила фаз Гиббса), но и с физической стороны.
Приведем еще один пример однокомпонентных систем.
Дата добавления: 2016-03-20; просмотров: 667;