Фазовые P – V и T – S диаграммы состояний

На рис 3.3 представлена фазовая диаграмма в P – V координатах, а на рис.3.4 - в T – S координатах.

Рис.3.3. Фазовая Р-V диаграмма Рис.3.4. Фазовая Т-S диаграмма

 

Обозначения:

т + ж – область равновесного сосуществования твердой и жидкой

фаз;

т + п – область равновесного сосуществования твердой и паро-

вой фаз;

ж + п – область равновесного сосуществования жидкой и паровой

фаз.

Если на Р – Т диаграмме области двухфазных состояний изображались кривыми, то P – V и T – S диаграммах – это некоторые площади.

Линия AKF называется пограничной кривой. Она в свою очередь разделяется на нижнюю пограничную кривую (участок АК) и верхнюю пограничную кривую (участок KF).

На рис.3.3 и 3.4 линия BF, где смыкаются области трех двухфазных состояний, - это растянутая тройная точка Т с рис3.1 и 3.2.

При плавлении вещества, которое, как и парообразование, протекает при постоянной температуре, образуется равновесная двухфазная смесь твердой и жидкой фаз. Значения удельного объема жидкой фазы в составе двухфазной смеси снимаются на рис3.3 с кривой АN, а значения удельного объема твердой фазы – с кривой ВЕ.

Внутри области, ограниченной контуром AKF, вещество представляет собой смесь двух фаз: кипящей жидкости (Ж) и сухого насыщенного пара (П).

Вследствие аддитивности объема удельный объем такой двухфазной смеси определяется по формуле

 

(3.1)

где V' и V'' – соответственно удельные объемы кипящей жидкости и сухого насыщенного пара;

Х – массовая доля сухого насыщенного пара в двухфазной смеси.

Аналогичным образом определяются и другие аддитивные величины равновесной смеси жидкости и пара:

удельная энтальпия :

 

удельная энтропия:

 

Особые точки фазовых диаграмм

Тройная точка

Тройная точка – это точка, в которой сходятся кривые равновесия трех фаз. На рис.3.1 и 3.2 – это точка Т.

Некоторые чистые вещества, например, сера, углерод и др., в твердом агрегатном состоянии имеют несколько фаз (модификаций).

В жидком и газообразном состояниях модификации отсутствуют.

В соответствии с уравнением (1.3) в однокомпонентной термодеформационной системе одновременно находиться в равновесии могут не более трех фаз.

Если у вещества в твердом состоянии существуют несколько модификаций, то общее количество фаз вещества в сумме превышает три и такое вещество должно иметь несколько тройных точек. В качестве примера на рис.3.5 приведена фазовая Р –Т диаграмма вещества, имеющего две модификации в твердом агрегатном состоянии.

Рис.3.5. Фазовая Р-Т диаграмма

вещества с двумя кристалличес-

кими фазами

Обозначения:

I – жидкая фаза;

II – газообразная фаза;

III₁ и III₂ – модификации в твердом агрегатном состоянии

(кристаллические фазы)

 

В тройной точке Т₁ в равновесии находятся: газообразная, жидкая и кристаллическая фаза III_2. Эта точка является основнойтройной точкой.

В тройной точке Т₂ в равновесии находятся: жидкая и две кристаллические фазы.

В тройной точке Т₃ в равновесии находятся газообразная и две кристаллические фазы.

 

У воды известно пять кристаллических модификаций (фаз): III_1, III₂, III₃, III₅, III₆.

Обычный лед – это кристаллическая фаза III₁, а остальные модификации образуются при очень больших давлениях, составляющих тысячи МПа.

Обычный лед существует до давления 204,7 МПа и температуры – 22⁰С.

Остальные модификации (фазы) – это лед плотнее воды. Один из этих льдов – « горячий лед » наблюдался при давлении 2000 МПа вплоть до температуры + 80⁰С.

Термодинамические параметры основнойтройной точки воды следующие:

 

Т_тр = 273,16 К = 0,01⁰С;

Р_тр = 610,8 Па;

V_тр = 0,001 м³/кг.

Аномалия кривой плавления ( ) существует только для обычного льда.

 

Критическая точка

Как следует из фазовой P – V диаграммы (рис.3.3) по мере роста давления различие между удельными объемами кипящей жидкости (V') и сухого насыщенного пара (V'') постепенно уменьшается и в точке К становится равным нулю. Такое состояние называется критическим, а точка К – критической точкой вещества.

P_к, T_к, V_к ,S_к – критические термодинамические параметры вещества.

Например, для воды:

P_к = 22,129 МПа;

T_к = 374, 14 ⁰С;

V_к = 0, 00326 м³/кг

В критической точке свойства жидкой и газообразной фаз одинаковы.

Как следует из фазовой Т – S диаграммы (рис 3.4) в критической точке теплота парообразования, изображаемая как площадь под горизонтальной линией фазового перехода (С' - С''), от кипящей жидкости к сухому насыщенному пару , равна нулю.

Точка К для изотермы Т_к в фазовой P – V диаграмме (рис.3.3) является точкой перегиба.

Изотерма Т_к , проходящая через точку К, является предельнойизотермой двухфазной области, т.е. отделяет область жидкой фазы от области газообразной.

При температуре выше Т_к изотермы уже не имеют ни прямолинейных участков, свидетельствующих о фазовых переходах, ни точки перегиба, характерной для изотермы Т_к , а постепенно принимают вид плавных кривых, близких по форме к изотермам идеального газа.

Понятия «жидкость» и «газ» (пар) в известной степени условны, т.к. взаимодействия молекул в жидкости и газе имеют общие закономерности, отличаясь лишь количественно. Этот тезис можно проиллюстрировать рисунком3.6, где переход из точки Е газообразной фазы в точку L жидкой фазы произведен в обход критической точки К по траектории EFL.

Рис.3.6. Два варианта фазового перехода

из газообразной в жидкую фазу

 

При переходе по линии AD в точке С происходит разделение вещества на две фазы и затем вещество постепенно переходит из газообразной (парообразной) фазы в жидкую.

В точке С свойства вещества изменяются скачком (в фазовой P – V диаграмме точка С фазового перехода превращается в линию фазового перехода (С' - С'')).

При переходе по линии EFL превращение газа в жидкость происходит непрерывно, так как линия EFL нигде не пересекает кривую парообразования ТК, где вещество одновременно существует в виде двух фаз: жидкой и газообразной. Следовательно, при переходе по линии EFL вещество не будет распадаться на две фазы и останется однофазным.

Критическая температура Т_к – это предельная температура равновесного сосуществования двух фаз.

Применительно к термодинамическим процессам в сложных системах это классическое лаконичное определение Т_к может быть развернуто следующим образом:

Критическая температура Т_к- это нижняя температурная граница области термодинамических процессов, в которых невозможно появление двухфазного состояния вещества «газ - жидкость» ни при каких изменениях давления и температуры. Это определение иллюстрируются рис.3.7 и 3.8. Из этих рисунков следует, что эта область ограниченная критической температурой, охватывает только газообразное состояние вещества (газовую фазу). Газообразное состояние вещества, именуемое паром в эту область не входит.

Рис. 3.7. К определению критической Рис.3.8.К определению критиче-

температуры ской температуры

 

Из этих рисунков следует, что эта заштрихованная область, ограниченная критической температурой, охватывает только газообразное состояние вещества (газовую фазу). Газообразное состояние вещества, именуемое паром в эту область не входит.

Используя понятие критической точки, можно из общего понятия «газообразное состояние вещества» выделить понятие «пар».

Пар – это газообразная фаза вещества в области температур ниже критической.

В термодинамических процессах, когда линия процесса пересекает или кривую парообразования ТК, или кривую сублимации 3, газообразная фаза всегда сначала является паром.

Критическое давление Р_к– это давление, выше которого разделение вещества на две одновременно и равновесно сосуществующие фазы: жидкость и газ невозможно при любой температуре.

Это классическое определение Р_к, применительно к термодинамическим процессам в сложных системах можно сформулировать более подробно:

Критическое давление Р_к – это нижняя по давлению граница области термодинамических процессов, в которых невозможно появление двухфазного состояния вещества «газ - жидкость» ни при каких изменениях давления и температуры. Это определение критического давления иллюстрируется рис.3.9. и 3.10. Из этих рисунков следует, что эта область, ограниченная критическим давлением, охватывает не только часть газообразной фазы, расположенную выше изобары Р_к, но и часть жидкой фазы, расположенную ниже изотермы Т_к.

Для сверхкритической области за вероятную (условную) границу «жидкость-газ» условно принимают критическую изотерму.

Рис.3.9.К определению критичес - Рис.3.10. К определению критического

кого давления давления

 

Если давление перехода много больше давления в критической точке, то вещество из твердого (кристаллического) состояния будет переходить прямо в газообразное состояние, минуя жидкое состояние.

Из фазовых Р-Т диаграмм аномального вещества (рис 3.6, 3.7, 3.9) это не очевидно, т.к. на них не показана та часть диаграммы, где вещество, имеющее при больших давлениях несколько кристаллических модификаций (и, соответственно, несколько тройных точек), снова приобретает нормальные свойства.

На фазовой Р – Т диаграмме нормального вещества рис. 3.11 этот переход из твердой фазы сразу в газообразную показан в виде процесса А'D'.

Рис. 3.11. Переход нормального

вещества из твердой фазы сразу в

газообразную при Р>Ртр

 

Переход вещества из твердой фазы в паровую, минуя жидкую, возложен лишь при Р<Р_тр. Примером такого перехода, называемого сублимацией, является процесс АD на рис 3.11.

Критическая температура имеет весьма простое молекулярно – кинетическое истолкование.

Объединение свободно движущихся молекул в каплю жидкости при сжижении газа происходит исключительно под действием сил взаимного притяжения. При Т>Т_к кинетическая энергия относительного движения двух молекул больше энергии притяжения этих молекул, поэтому образование капель жидкости (т.е. сосуществование двух фаз) невозможно.

Критические точки имеют только кривые парообразования, так как они соответствуют равновесному сосуществованию двух изотропных фаз: жидкой и газообразной. Линии плавления и сублимации не имеют критических точек, т.к. они соответствуют таким двухфазным состояниям вещества, когда одна из фаз (твердая) является анизотропной.

Закритическая область

В фазовой Р-Т диаграмме – это область, расположенная правее и выше критической точки, примерно там, куда можно было бы мысленно продолжить кривую насыщения.

В современных прямоточных паровых котлах парообразование осуществляется в закритической области.

 

 

Рис.3.12. Фазовый переход в Рис.3.13. Фазовый переход в докритической

докритической и закритической и закритической областях Р-V диаграммы

областях Р-Т диаграммы

 

Термодинамические процессы в закритической области протекают с рядом отличительных особенностей.

Рассмотрим изобарный процесс AS в докритической области, т.е. при . Точка А соответствует жидкой фазе вещества, которая при достижении температуры Т_н начинает превращаться в пар. Этому фазовому переходу соответствует точка В на рис.3.12 и отрезок В'В'' на рис 3.13. При переходе через кривую насыщения ТК свойства вещества изменяются скачком. Точка S соответствует газообразной фазе вещества.

Рассмотрим изобарный процесс A'S' при давлении . В точке А' вещество находится в жидкой фазе, а в точке S'- в газообразной, т.е. в различных фазовых состояниях. Но при переходе от точки A' к S' скачкообразного изменения свойств не происходит: свойства вещества меняются непрерывно и постепенно. Скорость этого изменения свойств вещества на линии A'S' различна: мала вблизи точек А' и S' и резко возрастает при входе в закритическую область. На любой изобаре в закритической области можно указать точки максимальной скорости изменения: температурного коэффициента объемного расширения вещества , энтальпии, внутренней энергии, вязкости, теплопроводности и т.д.

Таким образом, в закритической области развиваются явления, похожие на фазовые переходы, но двухфазное состояние вещества «жидкость - газ» при этом не наблюдается. Кроме этого, границы закритической области размыты.

При Р<Р_к, т.е. в докритической области, на фазовое превращение «жидкость - пар» требуется затратить скрытую теплоту парообразования, которая является как бы «тепловым барьером» между жидкой и паровой фазами.

Нечто подобное наблюдается в закритической области. На рис3.14 представлена типичная картина изменения удельной изобарной теплоемкости при Р>Р_к.

Рис.3.14. Удельная изобарная

теплоемкости при закритическом

давлении.

 

Так как Q_р = С_рdТ, то площадь под кривой Ср(Т) – это теплота, необходимая для превращения жидкости (точка А’) в газ (точка S’) при закритическом давлении. Пунктирной линией А’М S’ показана типичная зависимость Ср от температуры вдокритической области.

Таким образом, максимумы на кривой С_р(Т) в закритической области, означающие дополнительные затраты теплоты на нагревание вещества, также выполняют схожие функции «теплового барьера» между жидкостью и газом в этой области.

Как показали исследования, положения максимумов не совпадают, что свидетельствует об отсутствии единой линии раздела жидкости и пара в закритической области. В ней существует лишь широкая и размытая зона, где превращение жидкости в пар происходит наиболее интенсивно.

Наиболее интенсивно эти превращения происходят при давлениях, не слишком превышающих критическое (Р_к). По мере повышения давления явления превращение жидкости в пар сглаживаются и при больших давлениях проявляются очень слабо.

Таким образом, при Р>Р_к существуют, но не могут сосуществовать одновременно и равновесно жидкая фаза, газообразная фаза и некоторая промежуточная фаза. Эту промежуточную фазу иногда называют метафазой , она сочетает в себе свойства жидкости и газа.

Из-за резкого изменения термодинамических параметров, теплофизических характеристик и характеристических функций в закритической области погрешности их экспериментального определения в этой области в десять с лишним раз больше, чем при докритических давлениях.