Тема. Понятие фазы вещества. Насыщенный и ненасыщенный пар. Влажность воздуха. Точка росы. Кипение. Критическое состояние вещества. Сжижение газа.

В XIXв. Были широко распространены тепловые машины, рабочим телом которых был пар (паровозы, тепловые машины, тепловые турбины). Паровая машина непрерывного действия разработана Ползуновым (1763г.) и как универсальный двигатель создана Дж. Уаттом (1774-1784гг.). Будучи первым и практически единственным двигателем до конца XIXв., паровая машина сыграла исключительную роль в прогрессе промышленности и транспорта. Знание свойств водяных паров необходимо и в метрологии. На данном занятии будут рассмотрены физические свойства насыщенных и ненасыщенных водяных паров.

Влажность воздуха является одним из основных факторов, определяющих состояние погоды и климата, поэтому знания о влажности воздуха необходимы в прогнозировании погоды. Большое практическое значение имеет умение измерять и регулировать содержание в воздухе водяных паров, т.е. влажность воздуха. Эти знания необходимы в металлургии, различных технологических процессах, архивах, книгохранилищах, при сушке зерна, фруктов и т.п.

1. Понятие фазы вещества.

В природе вещество существует в четырех фазах: твердом, жидком, газообразном и плазменном.

Фазой называется однородная по химическому составу и физическим свойствам некоторая часть термодинамической системы, отделенной от других частей, имеющих иные свойства, границами раздела, на которых происходит изменение свойств (лед, вода и пар – плавление льда, испарение воды, конденсация пара, кристаллизация воды).

2. Агрегатное состояние вещества и его фазы.

Существование различных фазовых состояний у вещества обусловлено так называемым его агрегатным состоянием, которое определяется тепловым движением молекул (атомов) и их взаимодействием.

Агрегатные состояния вещества – это энергетическое состояние кинетической и потенциальной энергий молекул (атомов). В зависимости от изменения кинетической и потенциальной энергий происходят переходы от одной фазы к другой, которые сопровождаются скачкообразными изменениями физических свойств.

3. Краткая характеристика агрегатных состояний вещества.

Газ – агрегатное состояние вещества, в котором кинетическая энергия теплового движения его частиц (атомов, молекул, ионов) значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействия между ними, в связи, с чем частицы движутся свободно, равномерно заполняя в отсутствии внешних полей весь предоставленный ему объем.

Жидкость – агрегатное состояние вещества, при котором кинетическая энергия теплового движения его частиц примерно одинакова с потенциальной энергией взаимодействия между ними, имеет ближний порядок в расположении частиц, частицы совершают колебания около положений равновесия и сравнительно редко совершают перескоки от одного равновесного положения к другому.

Твердое тело – агрегатное состояние вещества, в котором кинетическая энергия теплового движения его частиц значительно меньше потенциальной энергии взаимодействия между ними, имеет дальний порядок в расположении частиц и кристаллическое строение.

4. Понятие фазовых превращений вещества.

Фазовые превращения – переходы вещества из одной фазы в другую. В термодинамике рассматриваются только равновесные фазовые переходы, т.е. такие превращения, при которых физические свойства веществ меняются скачком, при этом выделяется или поглощается теплота фазового перехода.

5. Испарение. Понятие динамического равновесия жидкость-пар. Насыщенные и ненасыщенные пары.

Испарение – процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости.

Испарения объясняется вылетом из поверхностного слоя жидкости молекул, обладающих наибольшей скоростью и кинетической энергией, так что в результате испарения жидкость охлаждается.

Испарение происходит при любой температуре. Скорость испарение зависит от внешнего давления и движения газообразной фазы над свободной поверхностью жидкости.

Количество теплоты необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре, называется теплотой парообразования.

Величина, которая характеризует зависимость теплоты парообразования от рода вещества и от внешних условий называется удельной теплотой парообразования. .

При парообразовании .

Динамическое равновесие – процесс, при котором за одно и то же время число молекул, переходящих из жидкости в пар, и число молекул, возвращающихся из пара в жидкость, одинаково.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.

Ненасыщенный пар – пар, находящийся в динамическом неравновесном состоянии со своей жидкостью.

Свойства насыщенного пара.

Давление насыщенного пара над свободной поверхностью жидкости при постоянной температуре не зависит от объема.

Давление и плотность насыщенного пара однозначно определяются его температурой, т.е. закону Бойля-Мариотта насыщенный пар не подчиняется и закон Шарля к нему не применим, так как при любом процессе, происходящим с насыщенным паром, масса пара изменяется.

Ненасыщенный пар имеет свойства газов и чем дальше от порядка насыщения, тем точнее подчиняется газовым законам.

Чтобы обратить ненасыщенный пар в насыщенный необходимо: а) уменьшить его объем (увеличить давление); б) понизить температуру; в) одновременно увеличить давление и понизить температуру.