Властивості пари. Критичний стан речовини

Пароутворення – один з видів фазових переходів (ФП).

Пароутворення – процес перетворення речовини з рідкого стану в газоподібний. Пароутворення можливе двома шляхами:

1) випаровування – пароутворення з вільної поверхні рідини;

2) кипіння – пароутворення в товщі рідини всередину бульбашок.

Випаровування відбувається при довільній температурі. Якщо рідина теплоізольована, то внаслідок випаровування її температура знижується, оскільки рідину залишають найбільш швидкі часточки. Для того, щоб випаровування відбувалось при T = const, рідина повинна отримувати деяку кількість тепла. Інтенсивність випаровування mt – величина, яка чисельно рівна приросту маси газоподібної речовини за одиницю часу. Теплова потужність, яка необхідна для забезпечення сталої інтенсивності випаровування mt:

 

 ,

 

(Lп – питоме тепло пароутворення).

Кипіння рідини відбувається при сталій температурі кипіння Тк, яка визначається її хімічним складом та тиском Р, під яким вона перебуває. Для того, щоб кипіння почалося, у рідині повинні бути розчинені гази (наприклад, повітря), а також присутні мікроскопічні неоднорідності (порошинки, краплинки іншої рідини, іони, тощо). При підвищенні температури неоднорідності стають центрами кипіння: розчинені в рідині гази виділяються на них у вигляді бульбашок, всередину яких надалі відбувається випаровування.

Існує дві форми газоподібного стану – газ і пара. Пара – газоподібна речовина, яка при даній температурі може бути перетворена у рідину шляхом стискання. Газ – газоподібна речовина, яка при даній температурі не може бути перетворена в рідину лише одним стисканням: для цього необхідне попереднє зниження її температури нижче певної, так званої критичної Ткр. Газоподібна речовина, для якої Т>Ткр – газ; якщо ж Т<Ткр, – маємо справу з парою. Для Н2ОТкр = 674 К; для О2 – 154 К, N2 – 126 К, Н2 – 33 К, Не – 5, 3 К. Як видно, при температурах, близьких до Т0 = 273 К, маємо справу з парою води і газами – киснем, азотом, воднем; гелій лишається газом при зниженні Т аж до 5, 3 К.

Пара рідини насичена, якщо зменшення її об’єму зумовлює скраплення (утворення крапель рідини). Пара ненасичена, якщо при зменшенні її об’єму скраплення не відбувається. При наявності рідини пара насичена, якщо пароутворення і конденсація взаємно скомпенсовані, тобто рідина і її пара перебувають у стані термодинамічної рівноваги. При наявності рідини пара ненасичена, якщо інтенсивність пароутворення перевищує інтенсивність конденсації.

Тиск насиченої пари Рн даної рідини визначається її температурою Т: Рн = Рн (T)  (якісно залежність показана на малюнку).

 

При невеликих змінах температури DT насиченої пари її тиск змінюється на DРн таким чином, що:

 

де rн – густина насиченої пари, а Lп – питоме тепло пароутворення при даній температурі Т.

Оскільки при змінах термодинамічних параметрів стану пари вона непогано підлягає РМК аж до досягнення стану насичення, то густина насиченої пари дорівнює:

 

 .

 

Питоме тепло пароутворення Lп визначається температурою рідини Lп = Lп (Т) ; якщо Р = Р0 = 1, 01•105 Па то Тк і Lп можуть бути знайдені з таблиць. При Т = Тк тиск насиченої пари Рн практично дорівнює тиску, під яким перебуває рідина: Рн = Р. Зокрема, якщо поверхня рідини вільна, то Рн дорівнює атмосферному тиску; якщо рідина знаходиться під поршнем, то Рн = Ра + Р¢, де Ра і Р¢ – відповідно тиски атмосфери і поршня.

Рідина закипає, якщо тиск насиченої пари всередині бульбашок досягає тиску, під яким перебуває рідина. Оскільки Рн =Рн (Т), то температуру кипіння визначає рівняння Рн (Т) = Р, де Р – тиск, під яким перебуває рідина. Зміна цього тиску на DР приводить до зміни температури кипіння Тк на DТк:

 

 .

 

Однак, якщо центри кипіння відсутні (рідина очищена або з неї видалені гази), кипіння наступає при Тк¢ > Тк, характерної для даного тиску Р. Рідина при Тк < Т < Тк¢ – перегріта рідина.

При зменшенні об’єму V пари при Т = const її густина r (тиск Р) збільшується аж до досягнення rн (тиску Рн). Подальше зменшення V зумовлює конденсацію пари при незмінній густині (тиску) останньої. Якщо в середовищі над поверхнею рідини відсутні мікроскопічні неоднорідності – центри конденсації, то при даній Т для пари може бути досягнуто r > rн (Рп > Рн). Таку пару називають перенасиченою або переохолодженою. При появі неоднорідності відбувається бурхливе кипіння перегрітої рідини та інтенсивне скраплення (конденсація) переохолодженої пари. У цих випадках стан рівноваги пари і рідини нестійка і може існувати лише короткочасно (метастабільний стан).

У випадку зміни об’єму газоподібної речовини її ізотерми виглядають так, як зображено на малюнку (штрихова лінія відповідає рідині) :

 

1 – газ: Т > Ткр.

2 – критична ізотерма: Т = Ткр.

3 – пара: Т < Ткр.

 

Якщо при даній температурі Т < Ткр об’єм пари зменшуючись, досягає V = Vн, починається скраплення пари, яка повністю перетворюється у рідину при V = Vр. Якщо V>Vн то при даній Т пара ненасичена. При V   Vн застосування до неї РМК дає результати, які непогано узгоджуються з дослідом. Тобто при V Vн пару можна вважати ІГ.

Залежність тиску Рн і густини rн насиченої пари води від температури подана в таблицях; вони зв’язані наступним співвідношенням: rн =МРн/ (RT). Абсолютна вологість повітря – парціальний тиск (густина) водяної пари, наявної в повітрі. Відносна вологість повітря – відношення парціального тиску Р (густини r) водяної пари, яка є в повітрі, до тиску (густини) насиченої пари при температурі повітря:

 

  або  

 

Якщо В<1 – водяна пара в атмосфері ненасичена; якщо В=1 – досягається насичення. Зрозуміло, що при сталій абсолютній вологості відносна вологість може бути різною залежно від Т, оскільки Рн = Рн (Т) і rн = rн (Т). Якщо Т¯, то Рн¯ (rн¯) і при деякій Т досягається В=1. Теоретичний випадок В>1 (P > Pн; r > rн) у звичайних умовах не реалізується, оскільки в повітрі завжди присутні мікроскопічні неоднорідності (порошинки, краплинки, іони) – центри конденсації: якщо під час Т¯ досягнуто В = 1, то подальше зниження Т зумовлює появу крапель води в повітрі – туману або на твердих поверхнях (ґрунт; листя рослин, будівлі, тощо) – роси. Точка роси Тр – температура, при досягненні якої в процесі зниження температури водяна пара в атмосфері стає насиченою. Для людини сприятлива відносна вологість В = 60, 70%.

Властивості пари:

- тиск насиченої пари рідини при незмінній температурі – величина стала;

- концентрація молекул насиченої пари у закритому об’ємі з рідиною завжди встановлюється при даній температурі одна і та сама незалежно від обєму, який займає пара;

- тиск насиченої пари зростає з підвищенням температури.

Критична температура – температура Тк, при якій густини рідини і пари стають однаковими, при чому зникає межа розділу між рідиною і парою, перетворюється у нуль теплота пароутворення, пару і рідину не можна розрізнити. Стан, за якого відбувається це явище, називається критичним станом. Тиск насиченої пари рідини при її критичній температурі називають критичним тиском.

Для води, наприклад, критичний тиск дорівнює 2, 2. 107 Па (225, 6 атм), для оксиду вуглецю СО2 – 7, 35. 106 Па (75 атм), а для гелію – всього 0, 23. 106 Па (2, 3, атм).

Об`єм, що його займає речовина у критичному стані називають критичним об`ємом.

Він відповідає найбільшому значенню обєму, який може займати дана маса речовини у рідкому стані.

Пристрої для вимірювання вологості повітря:

- психрометри;

- гігрометри.

Психрометр складається з двох термометрів. Резервуар, що містить спирт, в одного з термометрів обгорнутий вологою тканиною, з якої випаровується вода, внаслідок чого відбувається охолодження спирту. Чим менш вологе повітря тим нижчу температуру показує термометр. За різницею показників термометрів з використанням психометричної таблиці визначають вологість повітря.