Тройные точки. Кипение и перегревание жидкостей

Тройные точки.

Кипение и перегревание жидкостей.

    Мы уже говорили, что простые вещества могут существовать в виде трех фаз: твердой, жидкой и газообразной (твердых фаз может быть несколько, соответственно различной структуре кристалла.) Кривая фазового равновесия между всеми тремя фазами на плоскости (температура-давление) имеет следующий характер, как показано на рисунке; и делят диаграмму на три смежные области: область твердого, жидкого и газообразного состояния, пересекаясь в общей точке, называемой тройной точкой.

    Произвольные количества всех трех фаз могут существовать, находясь в равновесии друг с другом, лишь при единственных значениях температуры и давления тройной точки. (Это свойство тройной точки делает тройную точку воды удобным и легко воспроизводимым эталоном температуры).

    Кривая равновесия жидкость-газ оканчивается в точке Т_С называемой критической точкой. В этой точке разность объемов ΔV данного количества жидкости и газа становится равной нулю. За точкой Т_С нет фазовых переходов, здесь существует лишь одна «жидкая» фаза. Давление здесь столь велико, что плотный газ и жидкость неразличимы. Только благодаря этому возможен непрерывный переход вещества из жидкого состояния в газообразное и обратно, т.е. такой переход, который не сопровождается фазовыми превращениями. Это связано с тем, что различие между газом и жидкостью является чисто количественным. Газ и жидкость отличаются друг от друга только большей или меньшей ролью взаимодействия между молекулами. Но оба эти состояния изотропны и характеризуются одинаковой симметрией внутреннего строения. Совсем другой характер имеет различие между кристаллической и жидкой фазами или между двумя различными кристаллическими фазами. Эти фазы отличаются друг от друга не только количественно, но и качественно, а именно симметрией внутреннего строения. О всяком же свойстве симметрии можно сказать, что оно либо есть, либо его нет. То или иное свойство симметрии может появиться или исчезнуть только сразу, скачком, а не непрерывно. В каждом состоянии тело будет обладать либо одной, либо другой симметрией, а потому можно указать, к которой из двух фаз оно относится. Кривая равновесия таких фаз поэтому не может обрываться в изолированной (критической) точке. Она может либо заканчиваться в точке пересечения ее с другой кривой равновесия, либо уходить в бесконечность.

    Если жидкость в сосуде нагревать при постоянном внешнем давлении, то сначала образование пара носит спокойный характер. Оно идет лишь со свободной поверхности жидкости. Такой процесс парообразования называется испарением. По достижении определенной температуры, называемой температурой кипения, образование пара начинает происходить не только со свободной поверхности, но и изнутри жидкости. Внутри жидкости возникают, растут и поднимаются на поверхность пузыри пара, увлекая за собой и саму жидкость. Процесс парообразования приобретает бурный неспокойный характер. Это явление называется кипением.

    По существу кипение есть особый вид испарения. Дело в том, что жидкость никогда не бывает физически однородной. В ней всегда имеются пузырьки воздуха или других газов, часто настолько малые, что они невидимы невооруженным глазом. На поверхности каждого пузырька непрерывно идет испарение жидкости и конденсация пара, пока не наступит состояние динамического равновесия, в котором эти два противоположно направленные процесса компенсируют друг друга. В состоянии механического равновесия сумма давлений воздуха и пара внутри пузырька должна равняться внешнему давлению вне пузырька. Последнее слагается из давления атмосферы и гидростатического давления окружающей жидкости. Если нагреть жидкость до такой температуры, чтобы давление насыщенного пара превзошло давление вне пузырька, то пузырек начнет расти за счет испарения жидкости с его внутренней поверхности и поднимется вверх под действием архимедовой подъемной силы. Двухфазная система – жидкость с воздушными пузырьками становится механически неустойчивой, и начинается процесс кипения. Граница устойчивости определяется такой температурой, при которой давление насыщенного пара равно сумме атмосферного и гидростатического давлений на рассматриваемой высоте. Это и есть температура кипения.

    В отличие от температуры тройной точки, которая для всякого вещества является вполне определенной величиной, температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. Она повышается при увеличении внешнего давления и понижается при уменьшении.

    Из изложенного следует, что кипение возможно только тогда, когда внутри жидкости имеются пузырьки газа. Если же таковых нет, т.е. жидкость вполне физически однородна, то парообразование внутри жидкости, т.е. кипение, становится невозможным. Такую жидкость можно нагреть выше температуры кипения. Физически однородная жидкость, температура которой при заданном внешнем давлении превосходит температуру кипения, называется перегретой.  

    Возникает, однако, следующий вопрос. Сколько бы ни очищать воду от растворенного в ней воздуха, последний всегда остается в каком-то, хотя и ничтожном количестве, в виде мельчайших пузырьков. Почему же в таком случае воду еще можно перегреть?