книги / Техническая термодинамика.-1
.pdfгд е ? { (д и /д М {) з , УгМк - хи м и чески й потенциал i-ro ком понента, д л я которого и м еет м есто равен ство (165).
В р езу л ьтате аналогичного обобщ ения ф орм ула (166) приним ает ви д
2 |
(173) |
« = 1 |
|
П реобразован и я Л еж андра TdS = d(TS) - SdT и pdV = d(pV ) - |
Vdp |
п озволяю т получить альтернативны е формы ф ундам ентального соот |
н ош ения Гиббса (172): |
|
||
dH < TdS + Vdp + |
Z |
P idM i, |
|
d F ^ - S d T - p d V + |
2 |
jld M t , |
(174) |
dG ^ - S d T + Vdp + |
2 |
pfdWf . |
|
|
«'=1 |
|
|
О тм етим , что в |
ф орм улах (174) вм есто масс |
ком понентов мож но |
и сп о л ьзо вать число частиц данного сорта или число м олей. Ф ормулы имею т так о й ж е ви д , к а к и (174), од н ако в них м ен яется определение х и м и ческо го потенциала. Т ак, если число м олей равно N (, то вместо вы р аж ен и я (165) нуж но записать
^ - ( a t z / a i v , . ) * , ^ = (d H /d N i)StP)Nk = (dF/aJv,.)r> VtNk |
= |
= ( а с / д ^ . ) р>г, ^ Ц Ф к ). |
(175) |
Х им ические потенциалы (175) и (165) связан ы через м олекулярн ую
массу р*, просты м соотнош ением £Г*=Р*М/, п оскольку Щ - р Д - .
5.4.ТЕРМОДИНАМИКАФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
Р авн овесн ое состояние просты х однородны х систем, газо в, ж ид
костей , п одверж ен н ы х действию |
только сил |
д авлен и я, |
оп ределяется |
зад ан и ем д в у х н езави си м ы х п арам етров (р, |
V; р, Г; Т, 5 и т.д.). О дна |
||
к о , к а к п о казы вает опыт, паре |
парам етров |
не всегда |
соответствует |
однородное состояние, даж е в этом простейш ем случае. При наруш е нии устойчивости однородного состояния произойдет расслоение систем ы на однородны е части, отделенны е одна от другой п оверх ностью р азд ел а . Эти однородны е (гомогенны е) области неоднородной
(гетерогенной) системы назы ваю т ф азам и . |
В тех систем ах, которы е |
п редставляю т д л я нас интерес, фазы будут |
совпадать с агрегатны м и |
состоян и ям и вещ ества: тверды м (т), ж и д ки м (ж) и газообразны м (г).
О тметим, что п о н яти я |
ф азы |
ш ире, чем агрегатное состояние. К ак |
и звестн о, тверды е тела |
м огут |
разм ягчаться структурны м и модиф и- |
81
к а ц и я м и атом н ы х р еш ето к , к а ж д о й и з к о то р ы х б у д ет со о тветство вать
с в о я ф аза, н ап ри м ер |
а - и y-Fe, р о м б и ч е ск ая и м о н о к л и н н а я |
сер а и т.д. |
|||||||||||||||
В ы вед ем у с л о в и я |
р а в н о в е с и я |
д в у х |
ф аз о д н о го |
и то го |
ж е |
вещ ества |
|||||||||||
В. О бе |
ф азы |
обладаю т |
о д и н а к о в ы м и х и м и ч еск и м и |
св о й ств ам и , но |
|||||||||||||
р азл и чаю тся |
сво ей |
м о л е к у л я р н о й |
|
стр у к ту р о й . |
Д л я |
|
тех н и ч еск о й |
||||||||||
тер м о д и н ам и к и |
особы й |
интерес |
п р ед став л я ет |
д в у х ф а з н а я |
систем а |
||||||||||||
в о д а - |
в о д я н о й пар . Это о б у сл о в л ен о тем , что в о д я н о й |
п ар |
и сп о л ьзу |
||||||||||||||
ют к а к |
р аб о ч ее тел о |
н а теп л о вы х и |
атом н ы х эл ек тр о с та н ц и я х . К ром е |
||||||||||||||
того, в о д а и |
пар |
требую тся д л я |
о су щ ествл ен и я м н о ги х |
п р о ц ессо в в |
|||||||||||||
м ета л л у р ги и и х и м и ч еск о й тех н о л о ги и . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Л ю бая и з ф аз п р ед ставл я ет |
собой откры тую |
си стем у, |
д л я |
которой |
|||||||||||||
с п р а в е д л и в о ф у н дам ен тальн о е |
у р а в н е н и е Гиббса |
(164). З ап и ш ем его |
|||||||||||||||
д л я к а ж д о й фазы : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Г d S ' - |
dU ’ + p ’d Y |
- |
ff'dW ', |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(176) |
|||
T " d S " = dU " + p " dV " - i ” dM ". |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
О бы чно одн и м ш трихом обозначаю т п арам етры |
ж и д к о сти , |
а д в у м я |
|||||||||||||||
ш трихам и - |
п арам етры |
п ар а . Б у д ем |
считать, что |
обе ф азы |
образую т |
||||||||||||
зам к н у ту ю систем у, д л я кото р о й |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
U = U ' + U " - |
const, |
dU = d û ' + dU " = О, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
M = М ' + М " = const, |
dM = dM ’ + dM " = О, |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
V = V |
+ V" = const, |
dV = d V ' + dV " = 0, |
|
|
|
|
|
|
|
*177) |
|||||||
S = S ' + S " = const, |
dS = d S ' + dS " = 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
П остоянство вн у тр ен н ей эн ерги и и |
м ассы вы раж аю т |
за к о н ы сохра |
|||||||||||||||
н ен и я |
эн ерги и и |
вещ ества. П оследн ее р авен ств о |
dS |
= |
d S ’ + |
dS " = 0 |
|||||||||||
п р ед ставл я ет |
собой |
у с л о в и е р а в н о в е с и я за м к н у то й |
си стем ы . П одста |
||||||||||||||
в и в сю да d S ' и dS " и з у р а в н е н и й Г иббса (176), н ах о д и м |
|
|
|
|
|||||||||||||
dS = d S ’ + d S " = ( Ц Г )(d U ' + p 'd V ' - |
\? d M ') + U /T " )(£ /[T |
+ p " d V " - |
|||||||||||||||
- iTûMi') = 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В ы разим в |
этом |
|
р ав ен ств е |
d U ", |
d V " , dM " |
и з |
со о тн ош ен и й (177), |
||||||||||
d U " = - d U ’, d V " = - d V ' f dM ” = - d M |
'. В р е зу л ь тате п о л у ч и м : |
|
|||||||||||||||
( И Г - |
1I V ) d U ' + ( р '/ Г |
- p " I T ') d V " |
+ (jГ / Т - |
jT /T )d M ' |
= 0. |
(178) |
|||||||||||
П о ск о л ь к у |
п о д |
|
зн а к а м и д и ф ф ер ен ц и ал о в |
сто ят |
|
н езави си м ы е |
|||||||||||
п ер ем ен н ы е, р ав ен ств о |
б у д ет в ы п о л н я ть с я в том |
сл у ч а е , |
к о г д а вы р а |
||||||||||||||
ж е н и я |
в с к о б к а х |
р авн ы |
нулю . В с в я з и с эти м у с л о в и я |
ф азо в о го р а в |
|||||||||||||
н о в е с и я им ею т в и д : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П ервы е д в а р авен ств а вы раж аю т у сл о в и я теплового и м еханичес
кого р а в н о в ес и я соответственно . Д ополнительное равенство хим ичес
ки х п о тен ц и ал о в ф аз я в л я е т с я усл о ви ем ф азового равновесия. Ра вен ства (179) оп ределяю т р авн о веси е д в у х любых фаз.
Если си стем а н е я в л я е т с я зам к н у то й , то в результате взаим одейст
в и я со средой |
в ней |
во зн и к н ет |
процесс, сопровож даю щ ийся превра |
|
щ ением |
одн ой |
ф азы |
в другую |
(ф азовы й переход). При вы полнении |
у слови й |
ф азового р авн о в еси я (179) взаи м н о е превращ ение фаз будет |
|||
равн о весн ы м и обратим ы м . |
|
|||
У сл о ви я ф азового р авн о веси я |
Т - Г " , р ' = р " , |Г = ц" м огут быть |
п олучен ы н е то л ьк о и з принципа м ак си м у м а энтропии, справедливо
го д л я |
зам к н у ты х |
систем, и х м ож но вы вести, используя общие кри |
терии |
р ав н о в еси я , |
связан н ы е с м иним ум ом терм одинам ических |
п отен ц и алов. |
|
Х и м и чески е потенциалы м ож но представить к а к ф ункции р и Г. Из у с л о в и я ф азового р авн о веси я р '(р , Т) = р"(р, Т), определяю щ его н ея в
ную с в я зь м еж д у д авл ен и ем и тем пературой, в принципе м ож но найти явн ую ф ункцию р = р(Т ). Отсюда следует, что при заданном давлении
ф азовое р авн о веси е м ож ет сущ ествовать только при единственной тем п ер ату р е. При изм енении д ав л ен и я эта тем пература будет м еняться в соответстви и с уравн ен и ем р авн о веси я р = р(Г). Д ля ж идкости и пара
это у р авн ен и е |
вы раж ает |
свя зь |
м еж ду давлен и ем насыщ ения |
и |
|
тем п ературой |
насы щ ения |
p s ~ |
PS ~ Ps(Ts)> |
Графически эта |
связь |
и зо б р аж ается ли н и ей (Г г - |
К в |
диаграм м е р - Т |
на рис. 23. В диаграм |
||
м ах p - v , T - s u h - s ф азовом у равновесию |
ж идкости и пара соот |
ветствую т пограничн ы е к р и вы е на рис. 23. Мы рассмотрели равновесие д в у х ф аз, содерж ащ их один и тот ж е хим ический ком понент. (Т акие вещ ества н азы ваю тся чистыми). При ф азовом равновесии одноком по
нентной |
системы , в силу сущ ествую щ ей |
связи м еж ду д авлен и ем и |
||||
тем п ературой , н езависим ы м я в л я е тс я один параметр. |
||||||
К оли чество н езави си м ы х |
парам етров, |
однозначно определяю щ их |
||||
состоян и е терм оди н ам и ческого |
р ав |
ч |
||||
н о веси я, н азы вается |
числом |
тер |
||||
|
||||||
м о ди н ам и ческо й свободы и. |
|
|
|
|||
Д л я |
рассм отренной |
нам и |
д в у х |
|
||
ф азной |
одн оком понентой |
системы |
|
Рас. 23. Фазовая р —Г-диаграмма; Т - твердая; Ж -ж идкая; Г - газообразная
фаза; Тг —тройная; К —критическая точка
к = 1; У сл о в и я р а в н о в е с и я этой си стем ы |
(179) л е г к о |
обобщ аю тся |
на |
сл у ч ай м н о го ф азн о й м н о го к о м п о н ен тн о й |
систем ы . |
О ч еви д н о , |
что |
тем п ер ату р ы и д а в л е н и я в с е х ф аз д о л ж н ы бы ть р авн ы , а ср о д ство всех п р о ц ессо в об р ащ ается в н у л ь . У чтя это, м ож н о зап и сать:
rrit |
_ /Tiff ^ |
/Tiff/ |
« |
|
|
|
|
в |
|
|
|
||||
' |
_ |
'' _ |
III т |
|
|
(180) |
|
р |
- р |
= р |
= • • 5 |
|
|
||
щ |
- P ? |
= iir |
• • • J |
|
|
|
|
<v» |
|
*v#/ |
А#»»| |
|
|
|
|
|
Н иж ний |
и н д е к с у |
jï,- со о тветству ет н о м ер у |
к о м п о н е н та |
в ф азе |
||
(i = |
1, . . . , |
к ). Гиббс |
рассм о тр ел совм ести м ость |
си стем ы у р авн ен и й |
|||
р а в н о в е с и я (180) и у стан о ви л , что при н ал и чи и в о всей си стем е |
л ф аз и |
к к о м п о н ен то в число тер м о д и н ам и ч еск и х степ ен ей сво б о д ы к (интен
си вн ы х п арам етр о в, ко то р ы е м ож но м ен я ть , не |
н ар у ш ая |
р авн о в еси я ) |
о п р ед ел я ется соотнош ением |
|
|
и = к - п + 2, |
|
(181) |
п о л у чи вш и м н а зв ан и е п р ав и л а ф аз Гиббса. |
|
|
П роан али зи руем н а о сн о ве этого п р ав и л а |
ф азовую |
д и агр ам м у |
м н огоф азн ой систем ы чистого вещ еств а (состоящ его и з о д н о го к о м п о нен та к = 1, н ап ри м ер Н 30 ), Пусть систем а состоит и з о д н о й ф азы Н 20 -
твер д о й |
(лед), ж и д к о й |
(вод а) и л и газо о б р азн о й (пар). По п р а в и л у |
ф аз |
|||||||||
Гиббса (181) н ах о д и м |
и = |
1 - |
1 + 2 = 2. Мы |
п о л у ч и л и |
зн а к о м ы й |
нам |
||||||
резу л ьтат: состоян и е |
газа, |
ж и д к о сти |
и тв ер д о го те л а |
о п р е д ел я е тс я |
||||||||
д в у м я н езави си м ы м и |
п ар ам етр ам и (р, |
V; р, |
Т и т.д .). Д л я д в у х ф а зн о й |
|||||||||
систем ы |
и = 1, поэтом у р авн овеси ю |
д в у х |
лю бы х ф аз в |
д и агр ам м е |
||||||||
р - |
7 (см . рис. 23) соответствую т ли н и и |
р = р (7 ): тв е р д о м у |
т е л у и га зу |
|||||||||
Г г - А , |
ж и д к о сти и га зу Тт - |
К , т в е р д о м у |
тел у и ж и д к о с ти |
Т г - |
С. |
|||||||
Т ак и м об разом , в д и агр ам м е со сто ян и я р - |
Т р азл и ч н ы е ф азы |
о тд ел е |
||||||||||
ны д р у г от д р у га л и н и я м и р ав н о в ес и я . |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Рассм отрим р авн о в еси е тр ех ф аз о д н о го вещ еств а . При |
п = 3, к |
= 1, |
|||||||||
и з |
соотн ош ен и я (181) |
н ах о д и м к = |
0. |
О тсутствие степ ен ей |
сво б о д ы |
озн ачает, что три ф азы м о гу т н ах о д и ться в р ав н о в еси и |
то л ь к о в о д н о м , |
о п р ед ел ен н о м д л я к аж д о го вещ еств а состоян и и . Т а к о м у состоян и ю на |
ф азо во й д и агр ам м е со о тв етству ет то ч к а |
Тт, которую |
н азы ваю т тр о й |
|||
ной . Из у с л о в и я и = 0 та к ж е сл ед у ет, |
что |
р а в н о в ес н о е |
су щ ество в ан и е |
||
б о л ее |
чем тр ех ф аз од н ого |
в ещ еств а |
н ево зм о ж н о . Д л я Н 20 в трой н ой |
||
то ч к е |
p j r = 620,8 Па, t f T = |
0,01 вС. В этом |
состо ян и и в |
р а в н о в ес и и су |
щ ествую т л е д , в о д а и п ар .
Е сли п р и п о сто ян н о м д а в л е н и и (п у н к ти р н а рис. 23) за счет вн еш н е го т е п л о в о го в о зд е й с т в и я у в е л и ч и в а ть тем п ер ату р у си стем ы , то т в е р д а я ф аза п ер ей д ет сн ач ал а в ж и д к у ю , а затем в газо о б р азн у ю .
84
Эти ф азовы е п ереходы имею т свои н азван и я: переход из твердого
состоян и я в ж и д к о е - |
п л авл ен и е (обратный п ереход - затвердеван и е |
или к р и стал л и зац и я); |
и з ж и д к о го состояния в газообразное - парооб |
р азо ван и е |
и ли и спарение (обратный |
переход - |
конденсация); |
из |
твер д о го |
Состояния в газообразн ое - |
сублим ация |
или во зго н ка |
(об |
ратны й п ер ех о д - ко н д ен сац и я в твердую ф азу). Обратим вним ание на то, что д л я осущ ествлен и я ф азового п ерехода при постоянном д ав л е нии вещ ество сначала нуж но нагреть до тем пературы , соответ ствую щ ей к р и в о й р авн о в еси я фаз. На этой кри вой заданном у д авл е
нию соответствует вп о л н е оп ред елен н ая |
тем пература, поскольку |
|
сущ ествует |
о д н озн ачн ая зависим ость' р - |
р(Т). В связи с этим при |
постоян н ы х |
д авл ен и и и тем пературе равновесное ф азовое превращ е |
ние б у д ет идти до тех пор, п о к а одна из фаз полностью не перейдет в д ругую . З атем при п о д во д е теплоты тем пература новой фазы начнет расти. Мы ви д и м , что равновесны м ф азовы м переходам соответству ют то ч к и на к р и в ы х р авн о в еси я фаз. В связи с этим обстоятельством
линии р ав н о в еси я назы ваю т ещ е |
так: (Гг - |
С) - к р и в ая п лавлен и я |
(затвер д еван и я); (Тг - К ), (Тг - А ) |
- кр и вы е |
испарения (конденсации). |
Мы остановились на особенностях изобарно-изотерм ических фазо вы х п ер ех о д о в преж де всего потом у, что они легко реализую тся на п р а к ти к е и по этой причине и х ш ироко использую т в технике: в паро ген ер ато р ах и кон ден саторах паровы х турбин на тепловы х и атомных эл ек тр о стан ц и ях ; в м еталлурги ч ески х плавильны х и нагревательны х
печах; в |
разли чн ы х хим ико -технологических устан овках |
и т.д. Разу |
||
м еется |
ф азовы е п ревращ ен и я м огут |
осущ ествляться и |
при |
изм е |
няю щ и хся д а в л е н и я х и тем пературах. |
|
|
|
|
К р и в ая р авн о в еси я (Г г - К) обры вается в точке К , которую |
назы |
|||
ваю т кри ти ческой . При кри ти ческом |
состоянии вещ ества теряется |
р азл и ч и е м еж д у ж и д к о й и газообразной ф азам и и исчезает м еж ф азная поверхн ость . Д л я воды кри ти ческое состояние характеризуется парам етрам и : р* = 22,129 МПа, = 374,15 ®С Линия (Л - Тг - С) мож ет быть п родолж ен а в область сверхвы соки х давлен и й и тем ператур, гд е
во зм о ж ен |
|
п ер ех о д |
в |
четвертое агрегатное |
состояние |
вещ ества |
- |
п л азм у . В |
последн ее |
в р ем я п лазм а такж е |
находит прим енение |
в |
|||
эн ер гети ке |
и разли чн ы х техн ологи ях . На рис. 23 кри вы е испарения |
||||||
(7> - Д ) |
и |
(Г г - |
К) |
имею т полож ительны й |
тангенс |
у гл а н аклон а |
|
(d p /d T ) > |
0. |
|
|
|
|
|
В с в я зи с этим тем пература ф азового п ерехода растет с у вели ч ен и
ем д а в л е н и я . Т ак ая законом ерность |
наблю дается д л я всех чистых |
вещ еств . Д ля кр и во й п л авл ен и я (Гг - |
С) м ож ет наблю даться и обрат |
н а я к ар ти н а - ум еньш ение тем пературы ф азового превращ ения с ростом д ав л ен и я .
В ы ясним теперь, чем оп р ед ел яется зависим ость д авл ен и я ф азового
п е р е х о д а от тем п ер ату р ы р = р (Т ), со о тветству ю щ ая к р и в о й ф азового
р а в н о в ес и я . Д л я |
о п р ед ел ен н о сти |
рассм отри м |
проц есс п ар о о б р азо в а |
н и я п р и к и п е н и и |
во д ы . П олучи м |
у р а в н е н и е |
д л я к р и в о й насы щ ен и я |
PS ~ P s(T s)‘ Д л я этого зап и ш ем у с л о в и е р а в н о в е с и я ж и д к о с ти и пара
Г (PS, Ts) ~ m"'(ps, t s)-
В ы числим п о л н ы е д и ф ф ерен ц и алы от о б еи х частей этого равен ства:
{ à p ‘/д Т 3)р^ Т 3 + (д \1 '/д р 3) т^ р 3 ~ { д \1 "/d T 3)ps dT3 |
+ |
( d |T 7 à p s ) T^dps . |
|
П од стави в сю да частны е п р о и зво д н ы е |
|
|
|
(d iT W e)P s — |
, ( à r / à T s )p s = - s " , |
|
|
(a iT 7 a P s) r s = v ', ( д Г / д Р з) Тз = v " , |
|
|
|
к о то р ы е о п р ед ел яю тся соотнош ением (170), п о л у ч и м |
|
||
dps /d T s = {s“ - |
s ') / ( v ” - v '). |
|
(182) |
Это ди ф ф ерен ц и альн ое у р а в н е н и е К л ап ей р о н а - |
К л а у зи у с а о п ред е |
||
л я е т с в я зь м еж д у д а в л е н и ем и тем п ер ату р о й в д о л ь |
к р и в о й ф азового |
р ав н о в еси я ж и д к о сть - пар . Т а к и е ж е у р а в н е н и я м о ж н о п о л у ч и ть д л я лю бы х д в у х д р у ги х ф аз. При ф азо вы х п ер ех о д ах у д е л ь н ы е эн тр о п и я и
объем |
претерпеваю т |
р азр ы вы |
(и зм ен яю тся |
с к а ч к а м и |
н а |
s" |
- |
s ' |
и |
|||||||||||||
v" - |
v'). П о ск о л ьк у эти п арам етры п р ед ставл яю т собой п е р в ы е п рои з |
|||||||||||||||||||||
во д н ы е х и м и ч еск о го |
п отен ц и ал а, |
то , |
п о |
п ред лож ен и ю |
Э ренф еста, |
|||||||||||||||||
рассм отренны е |
нам и |
п р евр ащ ен и я |
назы ваю т |
ф азо вы м и п ер ех о д ам и |
||||||||||||||||||
п ер во го род а. Все |
ф азовы е п ер ех о д ы |
п ер во го |
р о д а соп р о во ж д аю тся |
|||||||||||||||||||
теп л о вы м и эф ф ектам и . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
П роцесс п р евр ащ ен и я |
к и п я щ е й |
ж и д к о сти |
в |
н асы щ ен н ы й |
п ар х а |
|||||||||||||||||
р а к те р и зу е тс я |
теп л о то й |
п ар о о б р азо в ан и я |
г. |
|
П о с к о л ь к у |
|
ф азовы й |
|||||||||||||||
п ер ех о д о су щ ествл я ется |
п ри у с л о в и и |
(р$, |
Ts ) |
- |
const, |
г = |
h " = |
h ' |
= |
|||||||||||||
= Ts(s |
~ |
s ') ' В ы разив |
отсю да s " - |
s* и |
п о д став и в |
в у р а в н е н и и |
К ла |
|||||||||||||||
п ей рон а - |
К л ау зи у са (182), п о л у ч и м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
d p sld T s = Tl[Ts { v " - |
v ')]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(183) |
|||||||
В ан ал о ги ч н ы х |
у р а в н е н и я х |
д л я |
п р евр ащ ен и й |
тв е р д о го |
те л а |
в |
||||||||||||||||
ж и д к о сть |
и л и |
пар |
вм есто г ф и гу р и р у ет |
теп л о та |
п л а в л е н и я |
и су б ли |
||||||||||||||||
м ац и и . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У дельн ы й о б ъем |
ж и д к о сти |
v ' |
н а н е с к о л ь к о |
п о р я д к о в |
м ен ьш е |
|||||||||||||||||
у д е л ь н о го |
о б ъ ем а п ар а |
v " (v ' |
v "), |
г > |
0, |
п о это м у dps /dT s |
> |
0, т.е. с |
||||||||||||||
ростом |
тем п ер ату р ы |
Т $ д а в л е н и е н асы щ ен и я |
p s у в е л и ч и в а е т с я , |
что |
||||||||||||||||||
н а гл я д н о |
и л л ю стри рует х о д ф азо во й |
к р и в о й |
(Тг - |
К ) |
н а |
д и агр ам м е |
||||||||||||||||
Р - |
Т |
(п р и вед ен н о й |
н а |
рис. |
23). |
Д л я |
н и зк и х д а в л е н и й , |
к о г д а пар |
||||||||||||||
м ож н о п р и б л и ж ен н о |
считать и д еал ьн ы м |
га зо м , у р а в н е н и е |
К л ап ей р о |
|||||||||||||||||||
н а - |
К л а у зи у с а р еш ается |
ан ал и ти ч еск и . |
У чтя, |
что |
при |
v" » |
v ', |
v" |
- |
- v' « |
|
v" = |
RTs /ps, из |
вы раж ен и я (183) находим (l/p s ) {dps /dTs) = |
|
= (d ld T s )ln p S= r l R T l |
|
||||
отсю да |
|
|
|
|
|
|
Г |
r |
dTs |
|
|
\n p s ~ |
\ |
- J |
— |
+ const. |
|
При |
н и зк и х д а в л е н и я х |
г слабо зависит от тем пературы (г = const), |
поэтом у, вы н о ся r/R за зн а к интеграла и интегрируя, получим 1пр$ = = - ( r f R T s ) + const. Эта л и н ей н ая зависим ость 1пр$от 1/Тд подтверж да ется эксп ери м ен тальн о д л я м н оги х вещ еств, причем и в области более
вы со к и х |
д авл ен и й . |
Т аки м |
образом , |
уравнение Клапейрона - |
К л ау зи у са |
п о зво л я ет |
реш ить |
важ ную |
задачу - построить кри вы е |
ф азового р авн о веси я . О днако эта задача реш ается просто только д л я и д еал ьн о го газа . В остальны х сл у ч аях использую тся численные м е тоды с п ри влечен и ем эксперим ентальны х данны х.
У равн ен и е К лап ей |
рон а - К лаузи уса часто использую т и д л я реш е |
н и я обратной задачи : |
по известны м терм ическим свойствам v", v' и по |
уравн ен и ю |
к р и в о й насы щ ения p s = Ps(T s) определяю т калорическую |
ф ункцию г |
= r(p , Т) - теп лоту ф азового перехода. |
Х орош о известно, что к ап л и и в паре и пузы рьки в ж идкости фор м и рую тся за счет поверхностного натяж ения, которое сущ ествует на гр ан и ц е р азд ел а ф аз. П оверхностное натяж ение создает дополнитель ны е силы , действую щ ие на ф азу. Выясним, к а к о в а роль этих сил при
ф азо вы х п ревращ ен и ях . Рассмотрим сферический |
пузы рек радиуса а |
п ар а в ж и дкости (рис. 24). Запиш ем вы раж ения |
д л я диф ф еренциала |
свободн ой энергии п ара в пузы рьке, считая его м ассу постоянной |
|
d F " = - S " d T " - p " d V " - à L x . |
(184) |
В это у р авн ен и е, пом им о работы и зм ен ен и я объем а p " d V ” , входи т
работа |
сил поверхностного н атяж ен и я |
àLx = - o d Q , где |
о - коэф фи |
|
циент |
п оверхностного натяж ен и я, |
dQ |
- приращ ение |
поверхности |
п у зы р ь к а . С учетом вы раж ен и я д л я |
6LX соотнош ение (184) приним ает |
|||
в и д |
|
|
|
|
d F " = - |
5 " d T " - р " dV " + о d Q . |
|
|
(185) |
О бъем V" = 4 /З л а 3 и поверхность |
Q = 4 л а 2 не явл яю тся независи |
м ы м и перем енны м и, поэтом у и х диф ф еренциалы dV " - 4 п а 3da - Q da и dQ = 8 л ada связан ы соотнош ениям и dV " » (a/2 )d Q , dQ = (2 /a)d V " .
П одставив dQ |
в вы раж ение (185), получим полный диф ф еренциал |
d F " в в и д е |
|
d F " = - S “ dT " - |
(р" - 2 o /a )d V " = ( d F " /d T " ) v ,.dT " + (d F " /d V " )r .d V " . |
Отсюда (р" - |
2 о /о ) = - ( ô F " / ô V " ) r .. |
Это вы р аж ен и е |
о п р ед ел я ет обобщ енную си л у , |
к о т о р а я соверш ает |
||||
раб о ту в и зо тер м и ческ и х у с л о в и я х п ри |
у в е л и ч ен и и |
о б ъ ем а п у зы р ь к а |
||||
н а d V ” . При м ех ан и ч еск о м р авн о в еси и |
п у зы р ь к а |
с |
ж и д костью |
вн у т |
||
р е н н я я |
си л а (р " - |
2 о /о ) у р ав н о в еш и в ается вн еш н и м д а в л е н и е м р ', |
||||
п оэтом у |
у сл о в и е |
м ех ан и ч еск о го р а в н о в ес и я н а |
и с п р авл ен н о й |
или |
||
ф азовой п оверхн ости и м еет в и д р " - 2 о /а - р ' или |
|
|
|
|||
р " - р ' » 2 о / а . |
|
|
|
|
(186) |
Эта ф о рм ула Л апласа. Из н ее ви д н о , что на п о вер х н о сти р а зд е л а фаз
п у зы р ек п ара |
— |
ж и д кость су щ еству ет с к а ч о к |
д а в л е н и я , |
р авн ы й |
по |
||||||
вер х н о стн о м у |
(или |
к а п и л л я р н о м у ) д авл ен и ю |
Л ап ласа |
р 0 |
= 2 о /а . |
||||||
При |
а |
-*• °°, что |
соответствует |
п ер ех о д у к |
п л о ско сти , р 0 = |
2 о /о |
-*• О |
||||
и р " |
- |
р '. Ф азовое р авн о в еси е |
н а гр ан и ц е |
п у зы р ь к а д о п о л н я е т с я |
ещ е |
||||||
у с л о ви я м и T " |
= |
Т |
и jT = ц " . |
Л ап л асо вски й |
с к а ч о к н аб л ю д ается и |
н а п оверхн ости к а п л и в паре.
Из вы р аж ен и я (185) ви д н о , что при ( Т ", V ") = const м и н и м у м сво б о д
ной энергии |
(d F " = 0) |
дости гается при |
у сл о ви и d Q (a ) = 0, |
т .е . при |
|||
р авн о в еси и п у зы р ь к а |
и л и к а п л и |
со средой и х |
п о вер х н о сть |
д о л ж н а |
|||
быть |
м и н и м ал ьн а . М иним альную |
п о верхн ость |
при за д ан н о м |
объем е |
|||
и м еет |
сф ера, |
поэтом у |
п од д ей стви ем |
то л ь к о |
си л п о вер х н о стн о го |
н атя ж ен и я п у зы р ьк и и к а п л и имею т сф ерическую ф орм у .
Рассм отрим у с л о в и я с у щ ество в ан и я и роста п у зы р ь к а п р и ки п ен и и .
Пар в п у зы р ь к е и м еет тем п ер ату р у н асы щ ен и я Т " - Т§ и д а в л е н и е
н асы щ ен и я р " - p s (то ч ка 1 н а рис. 25). Ж идкость в о к р у г п у зы р ь к а при
теп л о в о м |
р авн о в еси и и м еет ту ж е тем п ер ату р у |
Г ' = |
Т$, н о м ен ьш е, в |
|||
соо тветстви и с ф орм улой Л апласа, д а в л е н и е |
р ' |
- |
р " |
- |
р 0 ■ р " - 2 о /а |
|
(то ч к а 2 н а рис. 25). Т ем п ер ату р а н асы щ ен и я |
Т $ (р '), |
соответствую щ ая |
||||
д авл ен и ю |
р ', м ен ьш е тем п ер ату р ы ж и д к о сти |
Т |
- |
7 |
$ (р " ), поэтом у |
ж и д к о сть о к а зы в а е т с я п ерегр ето й по отнош ению к Ts ( p ') н а вел и ч и н у
Г $ (р " ) - Т $ (р '). Б е з п ер егр ев а ж и д к о сти су щ ество в ан и е п аровы х
п у зы р ь к о в н ево зм о ж н о . Т о ч к а 2 леж и т н иж е к р и в о й п ар о о б р азо в ан и я
в области |
п ара, х о тя |
о тн оси тся к |
ж и д к о сти . Это о б ъ я с н я е т с я |
тем , что |
|
со сто ян и е |
п ерегр ето й |
ж и д к о сти |
я в л я е т с я м етастаб и л ьн ы м . |
Поверх* |
|
н остн ое н атя ж ен и е |
" |
за т я г и в а е т ” |
о б р азо в ан и е н о во й ф азы . |
О днако |
м етастаб и л ьн о е со сто ян и е м ен е е у сто й ч и во по сравн ен и ю с л аби льн ы м
Рис. 25. Состояние жидкости и пара в пузырьке: |
|
|
|
Г , Ж —области жидкой и газовой фаз; 1 —насыщенный пар в пузырьке; 2 - |
перегретая |
||
жидкость; Тг- К - к р и в а я насыщения; а - К, b - К - |
спинодали; |
- область мегаста- |
|
бильных состояний |
|
|
|
и п оэтом у не м ож ет сущ ествовать сколь |
угодно долго. С течением |
||
вр ем ен и систем а перейдет в более устойчивое состояние - |
паровую |
||
ф азу, имею щ ую наим еньш ий хим ический потенциал. |
|
|
|
А налогичны м образом вед ет себя к а п л я |
в паре. Д ля |
ее сущ ество |
в а н и я необходим о, чтобы пар был переохлаж ден, т.е. точка, соответ
ствую щ ая его состоянию , |
долж на леж ать в |
области ж идкости. Сос |
|||||
то я н и я |
переохлаж ден н ого пара такж е |
являю тся метастабил^ными. |
|||||
О бласть |
м етастабильны х |
состояний |
на |
рис. |
25 |
заш трихована: ниже |
|
к р и в о й |
ф азового р авн о веси я леж ат |
состояния |
перегретой ж идкости, |
||||
вы ш е - |
п ереохлаж ден н ого пара. Линии |
(о - |
к) и (Ь - к), ограничи |
||||
ваю щ ие |
м етастабильную |
область, называю т |
спинодалям и . |
Метаста- |
|||
бильны е |
состоян и я присущ и всем |
ф азам и |
играют важ ную |
роль в |
форм ировании ф азовы х переходов.
Бл аго д ар я м о л ек у л яр н о й структуре вещ ества, в любой однородной
систем е наблю даю тся ф луктуац и и . В результате ф луктуаций образу ю тся ск о п л ен и я м о л ек у л , обладаю щ ие свойствам и новой фазы. Если
стар ая |
ф аза устойчива, то |
ф луктуации затухаю т, и образовавш иеся |
груп п ы |
м о л е к у л исчезаю т. |
Процесс затухан и я ф луктуаций мож но |
н агл яд н о проиллю стрировать на простейш ей м еханической м одели, к
которой |
м ы уж е |
обращ ались, |
рассм атривая устойчивость состояний |
(см. рис. 22). |
|
|
|
Если |
ш арик, |
находящ и й ся |
на дн е глубокой лун ки , вы вести и з |
состо ян и я р авн о веси я и предоставить сам ом у себе, то, соверш ив р я д
ко л еб ан и й , он верн ется обратно. К олебания ш арика около |
метаста- |
бильного п олож ен и я р авн о веси я м огут привести его в более |
’’глубо |
кую потенциальную я м у ’*. Это произойдет в том случае, когд а о тк ло н ен и е от р авн о веси я (ф луктуац и я) превы сит потенциальны й барьер с л ев а от точки м етастабильного состояния, изображ енного на рис. 22.
А н ал о ги ч н ая си ту ац и я н аб лю д ается |
в то м |
сл у ч а е , к о г д а ф лук |
||
ту ац и и п р о и сх о д ят в |
м етастаб и л ьн о й |
|
ф азе. |
П ревы си в некоторую |
к р и ти ч еск у ю в е л и ч и н у , |
ф л у к ту а ц и я у ж е |
н е б у д ет за ту х а ть . В озник |
ш ее в р е зу л ь та те ф л у к ту ац и и ск о п л е н и е м о л е к у л , о б л ад аю щ ее свойст
в а м и |
н о во й ф азы , |
н ачн ет расти . О б р азо в ан и я |
н о во й ф азы , имею щ ие |
|||||||||||||
м и н и м ал ьн ы й |
(кр и ти ч еск и й ) р азм ер , |
н азы ваю т |
зар о д ы ш ам и . |
Путем |
||||||||||||
зар о д ы ш ео б р азо в ан и я и д у т |
в с е процессы |
ф азо в ы х |
п р евр ащ ен и й в |
|||||||||||||
о б ъ е м ах |
вещ ества: п ар о о б р азо ван и е, |
к о н д е н с ац и я , |
к р и стал л и зац и я |
|||||||||||||
и т .д . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В ы числим |
к р и ти ч еск и й |
р азм ер |
п у зы р ь к а, |
во зн и к аю щ его |
в |
пе |
||||||||||
р егр ето й (м етастаби льн ой ) ж и д к о сти . В |
р е зу л ь та те |
ф л у к ту а ц и и |
при |
|||||||||||||
(р, Т) = |
const, |
п ри вед ш ей к |
о б разован и ю |
п у зы р ь к а , |
п р о и зо й д ет изм е |
|||||||||||
н ен и е и зобарн ого |
п о тен ц и ал а |
систем ы , |
о б у с л о в л ен н о е работой |
сил |
||||||||||||
п овер х н о стн о го н атя ж ен и я |
и п ер ех о д о м |
части |
ж и д к о сти |
в |
пар. В |
|||||||||||
общ ем сл у ч ае dG = - S dT + Vdp - |
Ы х + |
S JTfcdM ц. |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П одставив сю да ÔLX = - o d f i, ^ p ^ d M ^ |
= p'dM ' + p " d M " |
и у ч тя , что |
||||||||||||||
dM ’ - |
- |
dM " (п о ск о л ь к у M ' +M " ~= const), |
d T = d p - |
0, п о л у ч и м |
dG = |
|||||||||||
= (jï" |
- |
jV )dM " + |
o d Q . Мы м о ж ем |
считать, что |
в |
р е зу л ь та те |
ф лу к |
|||||||||
ту ац и и м гн о вен н о |
о б р азо в ал ся |
о б ъем |
п ар а |
Д V " |
= 4/3 л о 3, о гр ан и чен |
|||||||||||
ны й поверхностью |
Д й = 4л.о3. В этом |
о б ъ ем е |
за к л ю ч ен а |
м асса |
пара |
|||||||||||
Д М " = Д V "/v " = |
4 л а э/3 у " . В ви д у |
м ал ы х |
п о |
сравн ен и ю со в с е й |
сис |
|||||||||||
тем ой р азм ер о в п у зы р ь к а д и ф ф ерен ц и алы |
dM " и d Q |
м о ж н о зам ен и ть |
||||||||||||||
ко н еч н ы м и р азн о стям и dM " » Д М " , dQ « |
Д Й . В р е зу л ь та те и зм ен ен и е |
|||||||||||||||
и зобарн ого п о тен ц и ал а о п р е д ел я е тс я вы р аж ен и ем |
|
|
|
|
|
|||||||||||
Д G = ( ц " - ц ') Д М " + о Д Й = |
V |
л |
V |
|
о 3 - |
4 л о а 2 . |
|
|
(187) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
З ави си м о сть Л G - A G (a) |
п р е д ст а в л е н а |
н а |
рис. 26. В озм ож н ы |
д ва |
||||||||||||
с л у ч ая . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1. О б р азо в ав ш ая ся ф аза (пар) м ен е е у сто й ч и в а (jT" > ц ') . П о яв л ен и е
п у зы р ь к а лю бого р ад и у са а в е д е т |
к у вел и ч ен и ю и зо б ар н о го потен |
ц и ал а (к р и в а я Î н а рис. 26). В с в я з и |
с эти м п у зы р ь к и лю бы х р а зм ер о в , |
о б р а зо в а в ш и е с я в р езу л ь тате ф л у к ту а ц и е й и л и в в е д е н н ы е и с к у с с тв е н
но, о б я зател ь н о ско н д ён си р у ю тся . |
|
|
|
|
||||||
2. П ри |
jT" < jT |
зави си м о сть A G = |
Д G (a) и м еет м а к с и м у м (к р и в а я |
|||||||
2). При а |
< |
о* и зо б ар н ы й п о тен ц и ал |
растет, п о это м у н о в а я ф аза н еус |
|||||||
то й ч и в а |
и |
м е л к и е |
п у зы р ь к и |
(а < а* ) |
к о н д ен си р у ю тся . Э та н еу сто й |
|||||
ч и во сть |
с в я з а н а |
с |
тем , |
что |
п о вер х н о стн о е н а тя ж е н и е |
п р еп я тств у ет |
||||
ро сту п у зы р ь к а |
(вто р о е |
сл ага е м о е в |
вы р аж ен и и (187) п р е в о с х о д и т |
по |
||||||
абсолю тной |
в е л и ч и н е п ер во е). При |
а |
> а& и зо б ар н ы й |
п о тен ц и ал |
с |
|||||
ростом а |
у м ен ь ш ается . |
П ар о в ая ф аза |
стан о ви тся у сто й ч и во й и п у |
зы р ь к и начи н аю т у в е л и ч и в а т ь сво и р азм ер ы .