Изотерма пара.

При помощи установки изображённой на рисунке 10.3 а) можно выяснить поведение водяного пара под поршнем и, измеряя давление и объём, построить РV диаграмму. Пусть поршень движется вверх, тогда при некотором объёме V₁ вся жидкость испарится. До объёма V₁ пар будет насыщенным и его давление остаётся постоянным. Если продолжать движение поршня вверх, то давление пара будет уменьшаться. Уменьшение концентрации молекул уже не будет компенсироваться испарением жидкости. Такой пар мы назвали перегретым (ненасыщенным). При неизменной температуре его давление уменьшается, как и у любого газа, по закону Бойля-Мариотта. При обратном движении поршня при той же температуре мы будем сжимать перегретый пар. Его давление будет возрастать и при объёме V=V₁, оно снова станет равно давлению насыщенного пара. При дальнейшем уменьшении объёма часть пара будет конденсироваться, а давление будет оставаться прежним. При некотором объёме V<V₂ весь пар конденсируется и поршень соприкоснётся с жидкостью. Дальнейшее уменьшение объёма потребует колоссальных усилий, так как любая жидкость плохо сжимается.

Графически описанный процесс изображён на рисунке 10.3 б). Участок 0-1 соответствует перегретому пару, 1-2 – насыщенному пару и участок 2-3 – жидкости. Вся кривая называется изотермой пара. Она построена при постоянной температуре Т.⁹ Изотерма пара может быть получена для любой жидкости. Если процесс сжатия пара вновь произвести при более высокой температуре Т₁>Т, то новая изотерма пара на графике будет расположена выше предыдущей (рисунок 10.3 в). Это легко объяснить: с ростом температуры давление насыщенного пара быстро нарастает, и для того, чтобы давление перегретого пара сравнялось с ним, следует объём пара существенно уменьшить, до объёма V₁` на графике. В то же время полная конденсация насыщенного пара и касание поршня жидкости произойдёт при объёме V<sub>2</sub>`>V₂. Это объясняется расширением жидкости при нагревании.

С повышением температуры участок насыщенного пара на графике уменьшается. При некоторой температуре насыщенный пар вообще не образуется, и перегретый пар непрерывно переходит в жидкое состояние, при этом плотность пара становится равна плотности жидкости. Различие между жидкостью и паром исчезает. Температура, соответствующая такому состоянию вещества, называется критической температурой Т_кр, давление – критическим давлением Р_кр, а плотность – критической плотностью _кр=m/V_кр. Для воды, например, t_кр=374°С, Р_кр=218 атм, _кр=329 кг/м³.

Вполне очевидно, что никакого принципиального различия между паром и газом нет. Но паром называют вещество, находящееся в газообразном состоянии, когда его температура ниже критической, а газом – когда выше критической температуры. Пар легко перевести в жидкость при помощи сжатия, а газ – нет.

Сжижение газов.

Для того чтобы газ превратить в жидкость его температура должна быть ниже критической. Сжимать газ при температурах выше критической температуры, как это видно из графика 10.3 в), лишено всякого смысла. Для таких газов как хлор (t_кр=144°С), аммиак (t_кр=132,4°С), углекислый газ (t_кр=31,1°С), ксенон (t_кр=16,7°С) и некоторых других, критическая температура которых порядка комнатных, проблема сжижения решается довольно просто. Снизив их температуру ниже критической температуры, их изотермически сжимают и получают жидкость.

Гораздо труднее получить жидкий кислород (t_кр= –147,1°С), водород (t_кр= –239,9°С), и в особенности жидкий гелий (t_кр= –267,9°С). Имеется ряд методов позволяющих решить проблему сжижения. Остановимся на одном из них – охлаждение газов при совершении ими полезной работы при адиабатическом расширении. Холодильные машины, работающие на основе этого принципа (турбодетандеры) были в нашей стране разработаны академиком П.Л.Капицей. Принцип действия этой холодильной установки позволяет понять рисунок 10.4. Она состоит из: компрессора, теплообменника и турбины (турбодетандера). Компрессор представляет собой поршневую машину, которая сжимает газ. Сжатый газ проходит по внутренней трубе теплообменника, у которого по наружной трубе большего диаметра навстречу течёт охлаждённый газ. Пройдя через теплообменник и охладившись, он проходит через сопло и попадает на лопасти ротора турбины, приводя последний в быстрое вращение. При адиабатическом расширении газа совершается работа за счёт уменьшения его внутренней энергии. При этом температура падает столь сильно, что часть газа сжижается и стекает в сосуд Дьюара¹⁰. Другая часть охлаждённого, но не успевшего ожижиться газа идёт в теплообменник, где охлаждает вновь поступающую порцию сжатого газа, а затем поступает в компрессор и вновь сжимается.

Развитие методов получения сжиженных газов и низких температур привело к созданию криогенной техники. Сжиженные газы находят в настоящее время широкое применение как в физических исследованиях, где необходимы низкие температуры, так и в технике. При испарении жидкого воздуха сначала улетучивается азот и остается чистый кислород. В настоящее время это самый дешевый метод получения чистого кислорода, широко применяемого в медицине, для автогенной сварки, для ускорения доменного процесса и для выплавки стали. Жидкий кислород в смеси с органическими горючими веществами (вата, хлопок, опилки) образует взрывчатые вещества (оксиликвиты), которые применяются в горнорудной промышленности. Их преимущество заключается в том, что если взрыва не произошло, то через некоторое время кислород испарится и взрывчатый патрон станет совершенно безопасным. При температуре сжиженных газов многие вещества переходят в твёрдое состояние. Так, например, обливая жидким воздухом ртуть можно получить её твёрдую фазу. Физические свойства веществ при низких температурах изменяются. Ртуть и цинк делаются ковкими, свинец становится упругим как сталь, кусок резины после охлаждения в жидком воздухе, легко ломается. При температурах, близких к абсолютному нулю, у многих веществ сопротивление электрическому току падает до нуля. Это явление получило название сверхпроводимости.