2. Диаграммы состояний насыщенных и ненасыщенных паров.

При описании свойств насыщенных и ненасыщенных паров весьма по­лезным и удобным оказывается представление состояния паров с помощью изотерм в плоскости P, V. Такие диаграммы отличаются большой нагляд­ностью и позволяют дать более полное описание свойств многофазных систем.

Одна из изотерм для паров воды, соответствующая T<T_, представлена на верхнем рисунке. Она заметно отличается от изотермы идеального газа наличием горизонтального участка, отвечающего области существования двухфазной системы. Давление пара на этом участке равно давлению на­сыщенных паров при данной температуре и не зависит от объема, зани­маемого паром. Совокупность точек, соответствующих краям горизон­тального участка изотерм, которая изображена на рисунке в виде коло­колообразной кривой, выделяет в плоскости P,V область существования двухфазной системы и отделяет ее от областей однородных состояний вещества. Правая относительно максимума часть этой колоколообразной кривой описывает состояния насыщенного пара и одновременно представ­ляет собой кривую конденсации. Изотермическое расширение насыщен­ного пара из состояния на кривой конденсации делает пар ненасыщенным, и изотермическое расширение такого пара протекает по расположенной справа от кривой конденсации красной кривой, не отличающейся от изо­термы обычного газа. Наоборот, изотермическое сжатие пара из того же состояния не меняет его давления, значение которого равно максимально возможному для данной жидкости при данной температуре, но вызывает выпадение росы и появление жидкости. Левая часть колоколообразной кривой представляет собой кривую, на которой заканчивается конденсация пара при изотермическом сжатии и остается одна жидкость. Поскольку в этой точке начинается испарение жидкости при изотермическом расшире­нии, то ее называют кривой испарения. Крутой рост давления при уменьшении объема жидкости на красной кривой левее кривой испарения соответствует малой сжимаемости жидкостей.

3. Критическая точка вещества

Обратим внимание на то, что при повышении температуры изотермы располагаются выше (см. рисунок), горизонтальные участки, соответст­вующие двухфазным состояниям системы, укорачиваются так, что в конце концов сходятся в точке, соответствующей максимуму колоколообразной кривой. Это легко понять. При нагревании давление насыщенных паров и их плотность увеличиваются, а объем, занимаемый единичной массой, при этом уменьшается. С другой стороны, нагревание вызывает расширение жидких тел и увеличение их объема. Поэтому при некоторой температуре удельные объемы и плотности жидкости и ее насыщенного пара соответ­ственно сравняются. Эту температуру принято называть критической температурой вещества T_. Состояние вещества при температуре T=T_, отвечающее на диаграмме состояний максимуму колоколообразной кри­вой, называют критическим состоянием вещества.

Критическое состояние вещества примечательно тем, что для него не существует границы раздела между жидкой и газообразной фазами, скры­тая теплота перехода жидкости в пар обращается в нуль. Соответствующие ему давление, температуру и удельный объем называют обычно критиче­скими параметрами. При температуре выше критической система одно­родна.

Существование критической температуры вещества объясняет, почему при обычных температурах одни вещества могут быть как жидкими, так и газообразными, а другие остаются газами. Дело в том, что для большин­ства газов комнатные температуры лежат выше их критических темпера­тур. Наоборот, для жидкостей они лежат значительно ниже критических температур. Это означает, что пар следует представлять как газообразное состояние вещества, находящегося при температуре ниже критической T_ . Поэтому из газов только пары могут превращаться в жидкость изотерми­ческим сжатием. Обычные газы для сжижения нужно сначала охладить до температуры ниже критической, а затем сжимать с выделением теплоты.

После изучения теории можно перейти ко второй части лабораторной работы.