Властивості пари. Критичний стан речовини
Реферат
на тему:
"Властивості
пари. Критичний стан речовини”
Пароутворення - один з
видів фазових переходів (ФП).
Пароутворення - процес
перетворення речовини з рідкого стану в газоподібний. Пароутворення можливе
двома шляхами:
) випаровування -
пароутворення з вільної поверхні рідини;
) кипіння -
пароутворення в товщі рідини всередину бульбашок.
Випаровування
відбувається при довільній температурі. Якщо рідина теплоізольована, то
внаслідок випаровування її температура знижується, оскільки рідину залишають
найбільш швидкі часточки. Для того, щоб випаровування відбувалось при T =
const, рідина повинна отримувати деяку кількість тепла. Інтенсивність
випаровування mt - величина, яка чисельно рівна приросту маси
газоподібної речовини за одиницю часу. Теплова потужність, яка необхідна для
забезпечення сталої інтенсивності випаровування mt:
,
(Lп - питоме
тепло пароутворення).
Кипіння рідини
відбувається при сталій температурі кипіння Тк, яка визначається її
хімічним складом та тиском Р, під яким вона перебуває. Для того, щоб кипіння
почалося, у рідині повинні бути розчинені гази (наприклад, повітря), а також
присутні мікроскопічні неоднорідності (порошинки, краплинки іншої рідини, іони,
тощо). При підвищенні температури неоднорідності стають центрами кипіння:
розчинені в рідині гази виділяються на них у вигляді бульбашок, всередину яких
надалі відбувається випаровування.
Існує дві форми
газоподібного стану - газ і пара. Пара - газоподібна речовина, яка при даній
температурі може бути перетворена у рідину шляхом стискання. Газ - газоподібна
речовина, яка при даній температурі не може бути перетворена в рідину лише
одним стисканням: для цього необхідне попереднє зниження її температури нижче
певної, так званої критичної Ткр. Газоподібна речовина, для якої
Т>Ткр - газ; якщо ж Т<Ткр, - маємо справу з парою.
Для Н2ОТкр = 674 К; для О2 - 154 К, N2
- 126 К, Н2 - 33 К, Не - 5,3 К. Як видно, при температурах, близьких
до Т0 = 273 К, маємо справу з парою води і газами - киснем, азотом,
воднем; гелій лишається газом при зниженні Т аж до 5,3 К.
Пара рідини насичена,
якщо зменшення її об’єму зумовлює скраплення (утворення крапель рідини). Пара
ненасичена, якщо при зменшенні її об’єму скраплення не відбувається. При
наявності рідини пара насичена, якщо пароутворення і конденсація взаємно
скомпенсовані, тобто рідина і її пара перебувають у стані термодинамічної
рівноваги. При наявності рідини пара ненасичена, якщо інтенсивність
пароутворення перевищує інтенсивність конденсації.
Тиск насиченої пари Рн
даної рідини визначається її температурою Т: Рн = Рн (T)
(якісно залежність показана на малюнку).
При невеликих змінах
температури DT насиченої пари її тиск змінюється на DРн таким чином,
що:
де rн - густина
насиченої пари, а Lп - питоме тепло пароутворення при даній
температурі Т.
Оскільки при змінах
термодинамічних параметрів стану пари вона непогано підлягає РМК аж до
досягнення стану насичення, то густина насиченої пари дорівнює:
.
Рідина закипає, якщо
тиск насиченої пари всередині бульбашок досягає тиску, під яким перебуває
рідина. Оскільки Рн =Рн (Т), то температуру кипіння
визначає рівняння Рн (Т) = Р, де Р - тиск, під яким перебуває
рідина. Зміна цього тиску на DР приводить до зміни температури кипіння Тк
на DТк:
.
Однак, якщо центри
кипіння відсутні (рідина очищена або з неї видалені гази), кипіння наступає при
Тк¢ > Тк, характерної для даного тиску Р. Рідина при Тк < Т < Тк¢ - перегріта рідина.
При зменшенні об’єму V
пари при Т = const її густина r (тиск Р) збільшується аж до досягнення rн
(тиску Рн). Подальше зменшення V зумовлює конденсацію пари при незмінній
густині (тиску) останньої. Якщо в середовищі над поверхнею рідини відсутні
мікроскопічні неоднорідності - центри конденсації, то при даній Т для пари може
бути досягнуто r > rн (Рп > Рн). Таку пару називають перенасиченою або
переохолодженою. При появі неоднорідності відбувається бурхливе кипіння
перегрітої рідини та інтенсивне скраплення (конденсація) переохолодженої пари.
У цих випадках стан рівноваги пари і рідини нестійка і може існувати лише
короткочасно (метастабільний стан).
У випадку зміни об’єму
газоподібної речовини її ізотерми виглядають так, як зображено на малюнку
(штрихова лінія відповідає рідині):
- газ: Т > Ткр.
- критична ізотерма: Т =
Ткр.
- пара: Т < Ткр.
Якщо при даній
температурі Т < Ткр об’єм пари зменшуючись, досягає V = Vн,
починається скраплення пари, яка повністю перетворюється у рідину при V = Vр.
Якщо V>Vн то при даній Т пара ненасичена. При V Vн застосування до неї РМК дає результати, які непогано
узгоджуються з дослідом. Тобто при VVн пару можна вважати ІГ.
Залежність тиску Рн
і густини rн насиченої пари води від температури подана в таблицях; вони
зв’язані наступним співвідношенням: rн =МРн/ (RT). Абсолютна
вологість повітря - парціальний тиск (густина) водяної пари, наявної в повітрі.
пара кипіння
випаровування пароутворення
Відносна вологість
повітря - відношення парціального тиску Р (густини r) водяної пари, яка є в
повітрі, до тиску (густини) насиченої пари при температурі повітря:
або
Якщо В<1 - водяна
пара в атмосфері ненасичена; якщо В=1 - досягається насичення. Зрозуміло, що
при сталій абсолютній вологості відносна вологість може бути різною залежно від
Т, оскільки Рн = Рн (Т) і rн = rн (Т). Якщо Т¯, то Рн¯ (rн¯) і при деякій Т
досягається В=1. Теоретичний випадок В>1 (P > Pн; r > rн) у звичайних
умовах не реалізується, оскільки в повітрі завжди присутні мікроскопічні
неоднорідності (порошинки, краплинки, іони) - центри конденсації: якщо під час
Т¯ досягнуто В = 1, то подальше зниження Т зумовлює появу крапель
води в повітрі - туману або на твердих поверхнях (ґрунт; листя рослин, будівлі,
тощо) - роси. Точка роси Тр - температура, при досягненні якої в
процесі зниження температури водяна пара в атмосфері стає насиченою. Для людини
сприятлива відносна вологість В = 60,70%.
Властивості пари:
тиск насиченої пари
рідини при незмінній температурі - величина стала;
концентрація молекул
насиченої пари у закритому об’ємі з рідиною завжди встановлюється при даній
температурі одна і та сама незалежно від обєму, який займає пара;
тиск насиченої пари
зростає з підвищенням температури.
Критична температура -
температура Тк, при якій густини рідини і пари стають однаковими,
при чому зникає межа розділу між рідиною і парою, перетворюється у нуль теплота
пароутворення, пару і рідину не можна розрізнити. Стан, за якого відбувається
це явище, називається критичним станом. Тиск насиченої пари рідини при її
критичній температурі називають критичним тиском.
Об`єм, що його займає
речовина у критичному стані називають критичним об`ємом.
Він відповідає
найбільшому значенню обєму, який може займати дана маса речовини у рідкому стані.
Пристрої для вимірювання
вологості повітря:
психрометри;
гігрометри.
Психрометр складається з
двох термометрів. Резервуар, що містить спирт, в одного з термометрів
обгорнутий вологою тканиною, з якої випаровується вода, внаслідок чого
відбувається охолодження спирту. Чим менш вологе повітря тим нижчу температуру
показує термометр. За різницею показників термометрів з використанням
психометричної таблиці визначають вологість повітря.