1.4. Агрегатное состояние вещества

Агрегатное состояние вещества (твердого, жидкого, газообраз-ного) зависит от внешних условий — температурь и давления. При определенном изменении зтих условий в теле меняется форма связи между молекулами и оно переходит из одного агрегатного состоя-ния в другое. Например, если лед нагревать, то через некоторое вре-мя он обратится в воду, а при дальнейшем нагревании — в пар. Если же от водяного пара отнимать тепло, то он сначала сконден-сируется в воду, а в дальнейшем затвердеет и обратится в лед.

Переход однородного тела из одного агрегатного состояния в другое происходит при постоянной температуре, зависящей от фи­зических свойств вещества и условий перехода его из одного состо-яния (фазь) в другое. Постоянство температурь при переходе тела, например, из твердого состояния в жидкое и из жидкого в парооб-разное, обьясняется тем, что тепло, используемое на изменение аг­регатного состояния тела, расходуется на преодоление сил сцепле-ния между молекулами, на увеличение потенциальной знергии час-тиц его. А приращение потенциальной знергии не сопровождается ощутимьм нагревом. Тепло, воспринимаемое телом, остается в скрьтом виде.

Переход тела из одного агрегатного состояния в другое — физи-ческий процесс.

Изменение агрегатного состояния тела сопровождается вьделе-нием или поглощением соответствующего количества тепла, рас-ходуемого на внутреннюю работу по перегруппировке молекул. Для получения холода имеют значение такие изменения агрегатного состояния тела, которье протекают при низких температурах и со-провождаются поглощением тепла из охлаждаемой средь .

Переход химически однородного тела из одного агрегатного со-

стояния в другое характеризуется диаграммой (рис. 1.5). При подво-де тепла к жидкости по достижении определенной температурь на-чинается парообразование, т.е. постепенное превращение жидкости в пар. Переход тела из жидкого состояния (фаза II) в газообразное (фаза III) при постоянной темпе-

ратуре с подводом тепла назь -вается процессом кипения. Зто-му процессу предшествует про-цесс испарения жидкости, усили-вающийся с повьшением темпе-ратурь . Обратньй процесс пре-

вращения пара в жидкость, про-текающий с отьемом того же ко-

личества тепла, назьвается кон-

Кипение происходит при та- ¹ ™*Р<™™»» »

кой температуре, когда упру- ^р

гость образующихся паров жид- Рис. 1.5. Диаграмма фазовьіх состояний

денсацией.

кости становится равной давле­

нию в окружающем жидкость пространстве. Следовательно, тем­пература кипения зависит от физических свойств жидкости и опре-деляется давлением паров над ней. С понижением давления паров снижается и температура кипения жидкостей. Температура кипе-ния жидкости есть одновременно температура ее насищенного пара при данном давлении.

У всех жидкостей температура кипения возрастает с повишени-ем давления и снижается с его уменьшением.

При кипении парообразование происходит не только на свобод-ной поверхности жидкости, но и во всей ее массе с подьемом пу-зирьков в пространство над поверхностью.

Испарение происходит практически при любих, в том числе и низких температурах; пари образуются над откритой поверхнос­тью жидкости. Жидкость испаряется, когда упругость ее паров ниже давления в окружающем пространстве. В хладотехнике часто под термином «испарение» понимают процесс кипения жидкости.

Теплотой испарения називают количество тепла (кДж/кг), не-обходимое для превращения 1 кг жидкости при данном давлении и неизменной температуре в сухой насищенний пар.

Конденсация — зто процесс перехода пара в жидкое состояние при охлаждении или при сжатии и охлаждении одновременно. Для такого изменения агрегатного состояния давление и температура пара должни бить ниже критических, при которих исчезает разли-чие между жидкостью и паром. Если температура пара будет више критической, то данное вещество не может бить обращено в жид­кое состояние, какое би високое давление ни создавалось.

Теплота конденсации — зто количество тепла, которое необхо-димо отвести от 1 кг пара для перехода его в жидкое состояние. Температура конденсации зависит от физических свойств вещества и давления конденсирующихся паров; в процессе конденсации она остается постоянной. Температура конденсации жидкости равна температуре ее кипения.

Переход вещества из твердого состояния (см. фазу I, рис. 1.5) в жидкое при подводе необходимого количества тепла називается плавлением (обратний процесс — затвердевание). Точка пересече-ния линий испарения и плавления в координатах давление — тем­пература (точка Л) називается тройной точкой. Давление и темпе­ратура однокомпонентного вещества в тройной точке (ра, Та) яв-ляются термодинамическими константами (постоянньми) зтого ве-щества. Например, для тройной точки водь зти константь таковь : Та = 273, 16 К; р_А = 0, 00062 МПа. В тройной точке имеет начало линия возгонки, или сублимации.

Сублимация — зто процесс перехода некоторьіх твердьіх веществ в парообразное состояние непосредственно, минуя жидкую фазу. Таки­ми физическими свойствами обладают летучие вещества (например, сухой лед), парь которьх имеют значительное давление уже при тем­пературах ниже точки плавления. Теплота сублимации — зто количе-ство тепла, необходимое для перехода 1 кг вещества в пар при посто-янном давлении и неизменной температуре, минуя жидкую фазу.

Линии фазовьіх превращений в координатах давление—темпера­тура являются изображениями термодинамического равновесия двух-фазовьіх систем (см. рис. 1.5): линия кипения изображает равновесие пара и жидкости; линия плавления — равновесие жидкой и твердой фаз; линия сублимации—равновесие пара (газа) и твердой фазьі. Каж-дая линия фазовьх превращений характеризует зависимость темпера-турь данного фазового превращения от давления (и наоборот).

По мере повьшения давления различие удельньх обьемов и дру­гих физических характеристик равновесньх злементов — кипящей жидкости и сухого насьщенного пара уменьшается, а вместе с тем уменьшается и значение теплоть испарения. В критической точке К (конечная точка на линии испарения) исчезают основньїе разли-чия между жидкостью и ее паром. Удельнье обьемь и прочие ха­рактеристики кипящей жидкости и сухого насьщенного пара при зтом равнь , а скрьтая теплота испарения обращается в нуль. Па-раметрьі критической точки следующие: Р_кр — критическое давле-ние, при котором и вьше которого жидкость не может бьть пре-вращена в пар; Т_кр — критическая температура, при которой и вьіше которой пар не может бьть сконденсирован.

Теплота, расходуемая на внутреннюю работу по преодолению сил, удерживающих молекуль жидкости, назьвается скрьтой или удельной теплотой парообразования Ь. Аналогично теплота дру­гих изотермических превращений вещества (плавления, сублима-ции), протекающих без изменения температурь , назьвается скрь -той теплотой плавления или сублимации. Удельная теплота паро­образования води очень велика — 2256 кДж/кг при температуре 373 К. У других жидкостей (спирт, аммиак, ртуть) она различна, но в несколько раз меньше.

Конденсация пара наступает при охлаждении его до температу­ри кипения данной жидкости или несколько ниже зтой температу­ри. Если температура кипения конкретной жидкости очень низка, но необходимо сконденсировать пар при более високой темпера-туре, то его следует сжать до такого давления, которому соответ-ствует температура кипения, равная вибранной температуре кон-денсации. Именно такой способ широко применяется в холодиль-ной технике. Регулируя давление, при котором происходит кипе-ние, можно регулировать (изменять) температуру охлаждения. Зтот принцип охлаждения положен в основу работи паровой компрес-сионной и абсорбционной холодильних машин.

Для поддержания непреривного кипения жидкости необходимо виполнить два условия — довести жидкость до требуемой темпе­ратури кипения и сообщить ей скритую теплоту парообразования. Для превращения в пар жидкости массой т потребуется следующее количество тепла: й_п = тЬ.

При конденсации пара благодаря отдаче скритой теплоти па­рообразования происходит виделение такого же количества тепла й_к = - тЬ. Принято считать количество тепла положительним, если тело его получает, и отрицательним, если отдает.

При повишении температури удельная теплота парообразова­ния уменьшается. Сухой насищенний пар получается при полном испарении (википании) всей нагреваемой жидкости. Сухой наси­щенний пар — зто физическое тело неустойчивого состояния; даже незначительний отвод от него тепла при постоянном давлении при-водит к частичной конденсации и переходу во влажний пар. Влаж-ний пар — зто смесь сухого насищенного пара с жидкостью, т.е. с мельчайшими взвешенними капельками жидкости. Состав зтой смеси определяется массовим содержанием сухого пара х в 1 кг сме­си, називаемим степенью сухости или паросодержанием. Характе-ризуется влажний пар также массовим содержанием жидкости в 1 кг смеси, равним (1 - х) и називаемим влажностью пара. Состоя-ние влажного пара определяется его давлением или температурой и степенью сухости.

Нагревание сухого насьщенного пара при постоянном давлении приводит к повьшению его температурь и переходу в состояние перегретого пара. Перегретьй пар имеет температуру более вьсо-кую, чем насьщенньй пар того же давления. Плотность перегрето-го пара ниже плотности насьщенного пара при одинаковьх значе-ниях давления и температурь .