Фазовые переходы I рода

Известно, что все вещества, в зависимости от условий (давление и температура), могут находиться в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Эти три различных агрегатных состояния ввиду резкого различия их свойств и наличия резкой границы раздела уже могли бы рассматриваться как фазы, однако понятие фазы является более общим, так как жидкое и особенно твёрдое состояния вещества характеризуются при определённых условиях различными физическими свойствами. Но для многих веществ в не очень больших пределах изменения внешних условий понятия агрегатного состояния и фазы совпадают. В дальнейшем под фазами мы будем понимать именно агрегатные состояния.

Если фазовый переход сопровождается выделением или поглощением энергии, то он называется фазовым переходом I рода в отличие от фазовых переходов II рода, которые не сопровождаются поглощением или выделением энергии, а связаны со скачкообразным изменением таких физических свойств как теплоёмкость, тепло- и электропроводность, вязкость и т.д. Примеры фазовых переходов II рода: переход в сверхтекучее или в сверхпроводящее состояние, переход ферромагнетик – парамагнетик и др.

Мы будем рассматривать только фазовые переходы I рода, во время которых происходит изменение агрегатного состояния, а точнее, переход "жидкость - пар", который наблюдается в тепловых машинах. Обычно подразумевается, что фазовый переход происходит при постоянном давлении и постоянной температуре, хотя в общем случае это не является обязательным.

5.9. Фазовый переход "жидкость - пар"

Рассмотрим процесс фазового перехода "жидкость - пар". Пусть в цилиндре под поршнем находится 1 кг химически чистой, т.е. без примесей и растворенных в ней газов, жидкости, например воды (рис.6.1). Если пренебречь изменением гидростатического давления в жидкости, вызванного действием силы тяжести, то давление в жидкости будет постоянной по высоте величиной, равной внешнему давлению p. Изобразим состояние жидкости в диаграммах точкой а (рис. 6.2). Будем медленно (обратимо) подводить к жидкости теплоту через стенки цилиндра. Температура жидкости будет медленно возрастать, объём её также будет увеличиваться, но чрезвычайно мало ввиду малости коэффициента объёмного расширения жидкостей . Энтропия жидкости также будет возрастать. Давление жидкости, очевидно, останется постоянным ввиду подвижности поршня и постоянства внешней нагрузки. Такое положение вещей будет сохраняться до некоторого предела, обозначенного на диаграммах одним штрихом ('). Начиная с этого момента дальнейший подвод теплоты не приводит больше к изменению температуры в цилиндре. Жидкость закипает, т.е. начинается фазовый переход – превращение жидкости в пар. Но не вся жидкость мгновенно переходит в пар, количество жидкости, превратившейся в пар, оказывается пропорциональным подведённому с начала кипения количеству теплоты. Поршень теперь заметно поднимается вверх, так как удельный объём пара значительно выше удельного объёма жидкости. Физически постоянство температуры во время фазового перехода при постоянном давлении объясняется тем, что в этом случае энергия, подведённая к жидкости извне в форме теплоты, тратится не на увеличение кинетической энергии молекул жидкости (пропорциональной температуре), а на изменение их потенциальной энергии взаимодействия, на разрыв связей между молекулами. Так продолжается до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар. Это состояние на диаграмме обозначено двумя штрихами ('').

Двухфазное состояние "жидкость - пар" носит название состояния насыщения, а температура и давление такого состояния называются параметрами насыщения T _s, p _s. Равновесная смесь жидкости и пара в состоянии насыщения называется влажным паром. Пар в состоянии (") называется сухим насыщенным. При дальнейшем подводе тепла внешняя энергия будет вновь затрачиваться на интенсификацию хаотического движения молекул, т.е. температура пара будет возрастать. Такой пар с температурой, превышающей температуру насыщения, называется перегретым паром. При изменении внешнего давления p процесс фазового перехода происходит подобным образом с тем отличием, что с увеличением давления точки начала кипения (') смещаются в диаграммах вправо, а точки окончания кипения (") смещаются влево. Такая тенденция имеет место до некоторого давления p _кр, называемого критическим, при котором точки начала кипения (') и его окончания (") совпадают. Такое состояние называется критическим. Температура и удельный объём в критической точке также строго определены. Для воды критические параметры имеют следующие значения:

p _кр = 221.15 бар, T _кр = 647.27 К = 374.12 ^оС, v _кр = 0.00315 м³/кг.

Геометрическое место точек начала кипения (') в диаграммах называется нижней пограничной кривой, а геометрическое место точек окончания кипения (") - верхней пограничной кривой (см. рис. 6.2). Вместе они составляют просто пограничную кривую. Верхняя и нижняя ветви пограничной кривой сходятся в критической точке. Область на диаграммах , ограниченная пограничной кривой, называется областью влажного пара, это область двухфазного состояния вещества. В этой области давление и температура однозначно связаны, т.е. и обратно .

Тепло, затраченное на фазовый переход при постоянном давлении, может быть легко подсчитано. Ввиду изотермичности (и одновременно изобарности) процесса фазового перехода имеем из диаграммы :

(6.13)

Величина r, представляющая собой количество теплоты, затраченное на превращение единицы массы кипящей жидкости (') в сухой насыщенный пар (") при постоянном давлении, носит название удельной (или скрытой) теплоты парообразования.