7

Модуль № 2 Частина 2. Мкт агрегатних станів речовини

Фаза – однорідна за хімічним складом і фізичними властивостями деяка частина TДС, відокремлена від інших її частин, що мають інші властивості, межами поділу, на яких відбуваються зміни властивостей.

Існування різноманітних фазових станів у речовини обмовлено так званим агрегатним станом, який визначається тепловим рухом частинок речовини і їх взаємодією.

Агрегатний стан речовини (АСР) – це енергетичний стан її частинок, який визначається співвідношенням кінетичної енергії їх руху і потенціальної енергії їх взаємодії. У залежності від зміни кінетичної і потенціальної енергії частинок речовини відбуваються переходи від однієї її фази до іншої, які супроводжуються стрибкоподібними змінами фізичних властивостей.

Фазові перетворення – переходи речовини з однієї фази в іншу. У термодинаміці розглядають тільки рівноважні фазові переходи, тобто такі перетворення, при яких фізичні властивості речовин змінюються стрибкоподібно, при цьому виділяється або поглинається теплота фазового переходу (наприклад, при пароутворенні, плавленні, сублімації теплота поглинається – Q > 0; при кристалізації, плавленні, десублімації теплота виділяється – Q < 0).

Газ>>Рідина

Рідина ≈t↑,Q_пар>0 t↓,Q_конд<0; t↓,Q_тв<0 t↑,Q_пл>0

Тверде тіло >>t↑,Q_субл>0

Газ Тверде тіло

t↓,Q_десуб<0

Тема 1. Газоподібний стан речовини. Властивості пари

1. Пароутворення – процес перехід рідин у газоподібний стан – пару.

Види пароутворення: випаровування і кипіння

2. Випаровування – пароутворення, яке відбувається з вільної поверхні рідини.

Конденсація – перехід речовини з газового стану у рідкий.

Властивості випаровування і конденсації

1. Відбувається при будь-якій температурі.

2. Внаслідок вилітання найшвидших молекул рідина охолоджується (бо зменшується її внутрішня енергія), а пара нагрівається (внутрішня енергія пари збільшується).

3. Процеси випаровування і конденсації відбуваються одночасно.

При переважанні процесу випаровування над конденсацією рідина охолоджується, а пара нагрівається, при переважанні конденсації над випаровуванням – навпаки: рідина нагрівається, а пара охолоджується.

4. У відкритій посудині випаровування рідини відбувається доти, поки вся вона не перетвориться на пару.

5. Швидкість випаровування залежить від:

1. роду речовини;

2. температури речовини;

3. площі вільної поверхні рідини;

4. зовнішнього тиску і тиску пари над рідиною;

5. наявності вітру (швидкості віднесення утвореної пари).

3. Випаровування рідини у герметично закритій посудині

Динамічна (рухома) рівновага пари і рідини – це стан, коли процеси випаровування і конденсації зрівноважуються, тобто кількість молекул, які вилетіли з рідини дорівнює кількості молекул, що в неї повернулись.

Насичена пара – це пара, яка перебуває у стані динамічної рівноваги із своєю рідиною (тобто процеси випаровування і конденсації зрівноважені).

Ненасичена пара – це пара без рідини, або пара, яка не досягла насичення (при цьому процес випаровування переважає над конденсацією).

Перенасичена пара– нерівноважний стан пари, коли процес конденсації переважає над процесом випаровування.

пара

рідина

N_вил > N_пов N_вил = N_пов N_вил < N_пов

Ненасичена пара Насичена пара Перенасичена пара

Нерівноважний стан Рівноважний стан Нерівноважний стан

N_вил – кількість молекул, які вилітають з рідини у пару,

N_пов – кількість молекул, які повертаються у рідину з пари.

Властивості ненасиченої пари підлягають усім газовим законам (чим далі від насичення пара, тобто чим менша її конденсація, тим точніше виконується газовий закон). До насиченої пари газові закони не застосовні (бо m ≠ const).

Властивості насиченої пари

1. Тиск насиченої пари залежить від її виду (р = f (ρ)) і може бути визначений із рівняння стану

(1)

2. Згідно p = nkT тиск пари зростає не тільки внаслідок підвищення температури, а й внаслідок збільшення концентрації.

3. Тиск і густина насиченої пари даного виду є максимальними при даній температурі.

4. Тиск насиченої пари не залежить від її об’єму (р f (V)).

5. Концентрація молекул насиченої пари у закритому об’ємі з рідиною завжди встановлюється при даній температурі одна і та сама, незалежно від об’єму, який займає пара (nf (V) = const).

6. При ізотермічному стисканні конденсується рівно стільки насиченої пари, скільки її було у відібраному від пари об’ємі (ρ_н = сonst при T = const).

7. Насичену пару можна перевести у ненасичену або ізохорним нагріванням, або ізотермічним розширенням, або одночасно нагріванням і розширенням. Навпаки, ненасичену пару у насичену завжди можна перевести ізохорним охолодженням, або ізотермічним стисканням, або одночасно охолодженням і стисканням.

р р, ρ р, ρ

D газ

р_н р_кр

пара

А

0 V 0 Т_кр Т 0 Т_кр Т

Ізотермічне стискання пари: АВ – газ; Залежність тиску Пояснення критичного

ВС – насичена пара+рідина;СD – рідина. пари від температури стану речовини

4. Критичний стан речовини – такий стан речовини, в якому відсутня фізична різниця між рідиною і її парою (ρ_н = ρ_р).

Параметри, що описують цей стан, також називають критичними.

Особливості параметрів критичного стану речовини:

1. Критичний тиск р_кр є максимально можливим тиском насиченої пари даної речовини.

2. Критичний об’єм V_кр є найбільшим об’ємом, який може займати наявна маса речовини у рідкому стані.

3. При Т > Т_кр речовина може існувати тільки у газоподібному стані. У цьому разі ніяким збільшенням тиску не можна перетворити газ на рідину.

4. При Т < Т_кр стисненням газу можна викликати його конденсацію.

Таким чином, визначимо два види газоподібного стану речовини:

• газ – це газоподібна фаза речовини при Т > Т_кр, яка далека від насичення, у рідину її перетворити не можна.

• пара – це газоподібна фаза речовини при Т < Т_кр, стисненням перетворюється у рідину.

ρ_г < ρ_п [п _г < п_п].

5.Кипіння – пароутворення, яке відбувається в об’ємі всієї рідини при сталій температурі t_к, яка називається температурою кипіння.

Доки не википить вся рідина, ця температура не зміниться.

П

t₂<t₁

ояснення процесу кипіння

Р

t₁

t₁

t₂ ≈ t₁

ідина є фізично неоднорідна, у ній завжди є розчинені гази (у т.ч. повітря). Крім того на поверхні стінок посудини завжди є молекули повітря, які ніби прилипають до неї (адсорбований газ). Всі ці фактори призводять до утворення в рідині центрів пароутворення. При нагріванні всередині рідини виникають, ростуть і піднімаються бульбашки повітря з парою, що міститься в них. Потрапивши у верхні, менш нагріті шари рідини (t₂ < t₁, 1 і 2 – відповідно нижній і верхній шар), вони зменшуються у розмірах внаслідок конденсації пари всередині їх. Тріскаючись, вони спричиняють „спів чайника”. Коли температура рідини вирівняється в усьому об’ємі (t₂ ≈ t₁, для води при р₀ – ця t ≈ 60 ⁰С), об’єм бульбашок зростатиме, бо при спливанні: 1) зменшується гідростатичний тиск, 2) всередину входять нові молекули пари. При досягненні поверхні насичена пара викидається з бульбашок в атмосферу.

Стикаючись з холодним повітрям, вона конденсується.

Умова кипіння: р_нас ≥ р_зовн.+ ρgh (2)

або (у побуті) р_нас ≥ р_зовн (3)

Тиск насиченої пари і температура кипіння залежать від зовнішнього тиску: чим більший р_зовн., тим вища t_к.

Застосування:

1. Кипіння при високих температурах: автоклави в медицині, харчовій промисловості, хімії, будівельній індустрії; парові двигуни.

2. Кипіння при низьких температурах: цукрова промисловість (сушарні); у горах частіше смажать, ніж варять (бо t_к < 100 ⁰С при низьких тисках і вода не закипає).

6.Теплота пароутворення Q_п – кількість теплоти, необхідна

для перетворення рідини на пару при сталій температурі

Q_п = rm, (4)

де(5)

– питома теплота пароутворення – кількість теплоти, необхідна для перетворення 1 кг рідини на пару при температурі кипіння; залежить від роду речовини і температури.

[r] = Дж/кг.

При однакових зовнішніх умовах і рівних масах однакової речовини теплота пароутворення дорівнює теплоті конденсації.

7. Вологість повітря – вміст водяної пари у повітрі. Її характеристики:

1. Абсолютна вологість ρ_а – густина, тобто маса водяної пари, що міститься за даної температури, в 1м³ повітря (6)

2. Парціальний тиск р_а – тиск, який чинила б водяна пара, коли б не було інших газів

(7)

Але за абсолютною вологістю ρ_а (чи парціальним тиском р_а) ще не можна встановити, наскільки повітря сухе чи вологе, бо дана кількість водяної пари може виявитися близькою до насичення (при низьких температурах) і далекою (при високих температурах).

3. Відносна вологість

Сукупність вологості, тобто характеристику наближення стану пари у повітрі до стадії насичення (при насиченні припиняється випаровування води) показує відносна вологість.

Відносною вологістю повітря φ називають величину, яка вимірюється відношенням абсолютної вологості до кількості пари, необхідної для насичення 1 м³ повітря при тій самій температурі (виражають у %)

(8)

Оскільки р ~ ρ, то відносною вологістю повітря називають виражене в % відношення парціального тиску р_а водяної пари, яка є в повітрі при даній температурі, до тиску насиченої пари р_н при тій самій температурі

(9)

Якщо кількість молекул пари у повітрі не змінюється, то при його нагріванні відносна вологість зменшуватиметься, а при охолодженні – зростатиме, доки не досягне значення 100%.

В

А

Точка роси – температура при якій пара, наявна у повітрі, стає насиченою (тобто відносна вологість стає 100%). При цій температурі починається конденсація пари (з’являється туман, випадає роса). Точка роси характеризує вологість повітря, оскільки вона має змогу визначити парціальний тиск р_а (чи абсолютну вологість ρ_а) і, відповідно, відносну вологість.

Якщо пару охолоджувати від t₁ (стан А) до t_р при сталому тиску, то вона стане насиченою (стан В). За таблицею залежності тиску насиченої пари від температури можна визначити р_р (при t_р), р_н (при t₁), а отже і φ.