11. Фазові діаграми

Звичайно розглядають графічну залежність стану системи від зовніш-ніх умов. Такі графічні залежності називають фазовими діаграмами, діаграмами стану або Р-Т-діаграмами.

Розглянемо діаграму стану води і проаналізуємо її з позиції правила фаз (рис. 35). Оскільки вода є єдиною речовиною, присутньою в системі,

К = 1. Вода може існувати в трьох фазах: твердій (ділянка ВОС), рідкій (АОС) і газоподібній (АОВ). При цьому число фаз, які можуть існу-вати у рівновазі, залежить від температури і тиску. Крива ОА – крива залежності насиченої пари води від температури. Уздовж цієї лінії при всіх температурах, від точки О, вода і пара знаходяться у рівновазі одна з одною. Крива ОВ є кривою сублімації льоду. У всіх точках, які лежать на кривій ОВ, має місце рівновага

Рис. 35. Діаграма стану води: ОВ – крива сублімації; ОС – крива плав-лення; ОА – крива тиску

лід – пара, тому її можна назвати кривою залежності тиску насиченої пари над льодом від температури. Вище цієї кривої вода існує у вигляді льоду, а нижче – у вигляді пари. Крива ОС описує залежність температури плавлення льоду від тиску; лід і рідка вода уздовж цієї лінії знаходяться у рівновазі. Нахил кривої ОС відносно осі ординат вказує на те, що при збільшенні тиску температура плавлення льоду знижується. Три криві мають звичайно точку перетину О, відому під назвою “потрійної точки”, в якій у рівновазі знаходяться три фази.

Отже, фазова діаграма містить ділянки, криві і потрійну точку. Щоб показати відповідні ступені свободи, розглянемо табл. 14.

Таблиця 14. Значення К, Ф, С у різних частинах площини діаграми води

Частини площини	К	Ф	С
Ділянки	1	1	2
Криві	1	2	1
Потрійна точка	1	3	0

Усередині ділянки (С = 2) можуть одночасно варіювати без зміни числа фаз і температура і тиск. На кривій (С = 1), описуючи систему, можна змінити або температуру, або тиск.

Уздовж кривої ОВ тверда речовина – пара, так само, як і уздовж кривої ОА рідина – пара, при будь-якому значенні температури тиск пари може мати тільки одне значення, а при будь-якому тиску пари для льоду може існувати тільки одна температура плавлення (крива ОС). У потрійній точці не існує ступенів свободи; три фази можуть існувати у рівновазі тільки при одному визначеному значенні температури і тиску. Експериментально бу-ло знайдено, що в потрійній точці тиск пари дорівнює 6,1 кПа, а темпера-тура – 273,16 К.

Крива сублімації ОВ теоретично продовжується до абсолютного нуля, а крива тиску пари ОА завершується при критичній температурі 607,46 К і тиску 19,5 МПа. У верхній частині кривої плавлення ОС характерна поява різноманітних нових кристалічних форм льоду, густина яких, на відміну від звичайного льоду, більша, ніж у води. Ці нові фази на рис. 35 не показані.

Перетворення, які відбуваються з водою при атмосферному тиску, відбито на діаграмі точками або відрізками, розміщеними на горизонталі, що відповідає 101,3 кПа. Так, топлення льоду або кристалізація води відпо-відає точці D, кипіння води – точці E , нагрівання або охолодження води – відрізку DE і т.ін.