Кривая равновесия жидкость – пар

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 5Следующая ⇒

Кривая равновесия жидкость – пар представляет собой зависимость давлений насыщенных паров от температуры. Построить эту кривую можно, пользуясь рис. 47. Для этого каждой экспериментальной изотерме сопоставим два числа: давление насыщенных паров (горизонтальный участок изотермы) и температуру изотермы. Эти два числа определяют точку на графике . Совокупность этих точек для всех изотерм установят, таким образом, зависимость давления насыщенных паров от температуры (рис. 49).

Р и с. 49

Рост давления насыщенных паров с увеличением температуры виден из рис. 49 и объясняется тем, что, во-первых, давление всякого газа увеличивается с повышением температуры вследствие увеличения скорости движения молекул, и, во-вторых, при увеличении температуры часть жидкости испаряется, из-за чего пар становится более плотным, следовательно, большее число молекул ударяет при своем движении в стенки сосуда, что приводит к увеличению давления. Эта зависимость является одной из важнейших характеристик вещества. Рассмотрим подробнее поведение насыщенных паров в различных условиях.

Пусть имеется закрытый поршнем цилиндрический сосуд, часть которого заполнена жидкостью. В зависимости от температуры жидкости и сил сцепления между молекулами и в соответствии с законом распределения Максвелла с единицы поверхности жидкости в единицу времени будет испаряться в пространство между жидкостью и поршнем определенное количество молекул, создавая некоторые плотность и давление пара над жидкостью. В то же время идет и обратный процесс: часть молекул пара в зависимости от его плотности и температуры будет захватываться обратно силами притяжения молекул жидкости. При некоторой плотности и давлении пара, соответствующих данной температуре, количество молекул, испаряющихся с поверхности жидкости в единицу времени, сравняется с числом молекул, возвращающихся в нее, и наступит динамическое равновесие между жидкостью и ее паром, т. е. пар станет насыщенным. Давление, при котором наступит равновесие, называется давлением насыщенного пара. Уменьшим теперь объем пара при постоянной температуре, давление пара возрастет, и равновесие будет нарушено, приэтом часть пара перейдет в жидкое состояние, и давление насыщенного пара будет восстановлено. Если же увеличить объем пара при той же температуре, то часть жидкости перейдет в газообразное состояние, и вновь давление паров примет прежнее значение, равное давлению насыщенных паров. Таким образом, увеличение или уменьшение объема не изменяет давление насыщенных паров, т. е. давление насыщенных паров не зависит от объема (см. участок BC изотермы на рис. 47).

Проведем на диаграмме рис. 49 прямую AB, параллельную оси давлений. Точкам этой прямой соответствуют состояния вещества при одинаковой температуре. Рассмотрим состояние вещества, отвечающее точке A. Это состояние ненасыщенного пара, так как давление меньше давления насыщенного пара . Состояние ненасыщенного пара возможно только в том случае, если в сосуде под поршнем нет жидкости, в противном случае жидкость испарялась бы до тех пор, пока давление пара не стало равным давлению насыщенного пара при данной температуре. Следовательно, любым точкам, расположенным ниже кривой равновесия отвечают газообразные состояния вещества – ненасыщенный пар.

Возьмем теперь точку B, расположенную выше кривой равновесия. Ей отвечает более высокое давление, чем давление насыщенного пара при той же температуре. При таком давлении пар существовать не может (см. участок CD изотермы рис. 47), он сжимается в жидкость, и поэтому всем точкам, расположенным выше кривой равновесия, отвечают жидкие состояния вещества.

Возьмем снова точку A, отвечающую ненасыщенному пару. Пусть этот ненасыщенный пар заключен в цилиндре под поршнем. Станем уменьшать объем пара, опуская поршень при постоянной температуре. Тогда давление пара будет расти, и точка A начнет продвигаться по прямой AB вертикально вверх (рис. 49). Когда точка A совпадет с точкой M, сжимаемый пар станет насыщенным. При дальнейшем уменьшении объема пар постепенно превращается в жидкость, и давление его не меняется. Поэтому все время, пока под поршнем находится насыщенный пар, соприкасающийся с жидкостью, точка A совпадает с точкой M, хотя объем уменьшается. При этом давление насыщенного пара постоянно (оно не зависит от объема), так как температура при сжатии поддерживается постоянной.

Когда объем уменьшится настолько, что весь пар будет превращен в жидкость, дальнейшее уменьшение объема приведет к сжатию жидкости, и точка M, изображающая это состояние, будет перемещаться по направлению к точке B.

Таким образом, кривая равновесия жидкость – пар разделяет плоскость P, T на две области, точки которых соответствуют однофазным состояниям вещества. Точки, расположенные слева от этой кривой, определяют жидкое состояние, а точки, расположенные справа от нее – газообразное состояние вещества. Точки, лежащие на самой кривой, соответствуют равновесному состоянию жидкости и насыщенного пара над ней.

Характерной особенностью кривой равновесия является то, что она имеет начало и конец. Она не может быть продолжена выше критической температуры, так как при температурах больших T_к не существует двух фаз, и, естественно, не может быть речи об их равновесии. Кривая равновесия жидкость – пар начинается в так называемой тройной точке (T_тр) – состоянии, в котором вещество находится в трех равновесно существующих фазах: твердой, жидкой и газообразной (см. п. 6.6.). Если давление, под которым находится вещество, меньше, чем давление в тройной точке, то оно не может существовать в жидком состоянии ни при каких температурах.

⇐ Предыдущая 123 4 5 Следующая ⇒