Главная > Физика > Введение в физику (А. И. Китайгородский)
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 247. Превращения газ жидкость

Испарение состоит в отрыве от поверхности жидкости быстрейших молекул. Отсюда сразу рчевидны две закономерности: испарение растет с возрастанием температуры и испарение требует подвода тепла. Если испаряющиеся молекулы все время отводятся от поверхности, то процесс испарения будет продолжаться до полного превращения жидкости в пар.

Рассмотрим испарение, происходящее внутри закрытого сосуда. В этом случае наряду с явлением отрыва молекул от поверхности жидкости возникает и обратный процесс — возвращение молекул пара в жидкость. Процесс испарения будет продолжаться до тех пор, пока не установится подвижное равновесие, характерное для данной температуры. Разумеется, жидкость может испариться полностью, так и не дойдя до равновесия с пзром.

Если равновесие достигнуто, то говорят о насыщенном паре. Давление насыщенного пара в соответствии с кривой фазового равновесия будет функцией температуры. Изменяя температуру, мы будем испарять дополнительное количество жидкости в сосуд или, наоборот, конденсировать некоторое количество пара. При этом будет меняться давление пара.

Вполне понятно, почему плотность и давление насыщенного пара растут с увеличением температуры. При увеличении кинетической энергии движения молекул резко возрастает число молекул, выходящих из жидкости. В то же время число молекул,

возвращающихся в жидкость, почти не зависит от температуры, поскольку для перехода молекулы пара в жидкость энергии не требуется.

Плотности насыщенных паров при одной и той же температуре резко различны для разных веществ. При комнатной температуре плотность насыщенных паров воды равна а плотность насыщенных паров ртути — всего лишь

Ясное представление о процессах перехода газа в жидкость мы получим, рассматривая изотермическое сжатие газа — «вертикальные» процессы на диаграмме состояния. Чтобы увидеть объемные изменения, которые не отображаются диаграммой состояния, построим дополнительный график, на котором будем откладывать изменение давления в функции объема (рис. 281).

Рис. 281.

Если сжатие газа происходит при достаточно низкой температуре, то рано или поздно мы дойдем до точки пересечения с кривой фазового равновесия. В этот момент давление увеличится до величины, равной давлению насыщенного пара при температуре опыта. Появятся первые капли жидкости. Пока не закончится превращение пара в жидкость, сжимающее движение поршня не будет сопровождаться изменением давления, поскольку как в начале, так и в конце конденсации мы находимся в одной и той же точке диаграммы состояния. Что же касается кривой на диаграмме давление — объем, то она будет идти горизонтально до конца конденсации.

Точки прямолинейного отрезка на этом графике имеют ясный смысл: они характеризуют двухфазную систему вода — пар. При этом каждой точке прямолинейного отрезка соответствует определенное процентное содержание фаз, которое легко найти правилом «рычага». Действительно, обозначим через их объем жидкости, объем пара. Если доля вещества, находящегося в жидком состоянии, есть х, то объем смеси равен

Отсюда

что и дает правило «рычага».

После того как конденсация закончилась, кривая идет круто кверху, так как сжимаемости жидкостей весьма невелики.

Увеличим теперь температуру опыта и построим на том же графике следующую изотерму. Она будет почти такой же, однако мы отметим и одно существенное различие: конденсация начнется позже, поскольку при более высокой температуре давление насыщенного пара больше. Кроме того, конденсация и закончится раньше, так как из-за теплового расширения жидкости поршень не дойдет до предыдущего положения.

Повышая и далее температуру опыта, мы построим серию изотерм, у которых будут становиться все короче горизонтальные отрезки двухфазной системы. В конце концов этот отрезок исчезнет вовсе. Уменьшение горизонтального отрезка есть явление сближения удельных объемов жидкости и пара. При некоторой критической температуре эти объемы станут равными и изотерма потеряет горизонтальный участок. На диаграмме давление — объем критическая точка определяется без особого труда как вершина очерченной пунктиром двухфазной области. На диаграмме состояния критическая точка есть место обрыва кривой фазового равновесия жидкость — пар.

Изотермы для более высоких температур будут все меньше напоминать кривые с изломом и приближаться к гиперболам идеального газа.

Факт существования критической точки доказывает сделанное выше утверждение об отсутствии принципиального различия между газом и жидкостью. Мы видим, что возможен непрерывный переход из жидкого состояния в газообразное (в обход критической точки) без какого бы то ни было фазового превращения.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление