11

Лабораторная работа № 2 ( Lab 2b)

Изучение фазового перехода испарение-конденсация (26.08.13)

Цель работы:Познакомиться с фазовым переходом «испарение-конденсация»; получить изотермы некоторых веществ; определить теплоты их фазовых переходов.

Оборудование, приборы. Виртуальная установка, включающая в себя цилиндр с подвижным поршнем и приборы для измерений давления, температуры, объема некоторых веществ в состояниях насыщения «жидкость- пар».

Ключевые понятия.Фаза; фазовый переход; парообразование; конденсация; сублимация; насыщенный пар; влажный пар; сухой пар; сухость пара; перегретый пар; теплота фазового перехода; фазовая диаграмма; критичес-кая точка; тройная точка; уравнение Ван-дер-Ваальса; уравнение Клапейрона-Клаузиуса.

1.Общие понятия.

Фаза в термодинамике – это термодинамически равновесное состояние вещества, отличающееся по физическим свойствам от других возможных равновесных состояний того же самого вещества.

Важным вопросом в учении о фазах является выяснение условий, при которых многофазная система находится в равновесии. Последнее включает в себя механическое и тепловое равновесие. Для теплового равновесия необходимо, чтобы все фазы имели одну и ту же температуру. Условием механического равновесияявляется равенство давлений по обе стороны от границы раздела фаз. Однако равенство давлений и температур еще не означает, что система находится в абсолютном равновесии, так как фазы могут превращаться друг в друга.

Переход вещества из одной фазы в другую – фазовый переход (фазовое превращение)- сопровождается скачкообразным изменением свойств вещества, связанным с резким изменением межмолекулярных взаимодействий. При этом одни фазы увеличиваются в массе, другие уменьшаются и могут даже совсем исчезнуть. В состоянии равновесия (динамического) массы всех фаз cистемы остаются неизменными.

Примером фазовых превращений могут служить изменения агрегатного (твердое, жидкое и газообразное) состояния вещества

Твердое и жидкое состояния называют конденсированными

Парообразование- это процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное.

Испарение-это парообразование с поверхности жидкости.

Кипение– это парообразование не только с поверхности, но и в объеме жидкости. Кипение происходит при определенной температуре, зависящей от рода жидкости и от давления.

Конденсация – процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.

Сублимация(возгонка) – переход вещества из твердого состояния в газообразное (мокрое белье на морозе вначале замерзает, а потом высыхает за счет сублимации)

При парообразовании в открытом пространстве вся жидкость может превратиться в пар. В закрытом пространстве между испарением и конденсацией может наступить динамическое равновесие, при котором число молекул вещества, пересекающих границу раздела фаз в обе стороны, оказывается в среднем одинаковым. Пар в таком состоянии принимает максимальную плотность при данной температуре и давлении и называется насыщенным.Следовательно, насыщенный пар- это газовая фаза,находящаяся в динамическом равновесиис жидкой (или твердой) фазой одного и того же вещества. Насыщенный пар может существовать только в условиях взаимодействия с другими агрегатными состояниями вещества, т.е с его жидкой или твердой фазами.

Насыщенный пар можно перевести в конденсированное состояние сколь угодно малым понижением температуры.

Перегретый пар– это ненасыщенный пар, который получают из насыщенного повышением его температуры, иными словами, пар, имеющий температуру выше температуры насыщения при том же давлении.

. Для перевода перегретого пара в конденсированное состояние требуется уменьшение температуры на конечную величину

Фазовые переходы требуют определенного количества энергии.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу, чтобы перевести его при температуре насыщения из жидкого в газообразное состояние в изобарно-изотермическом процессе, называется теплотой испарения(парообразования). При обратном переходе –теплотой конденсации.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу, чтобы перевести его из твердого в жидкое состояние в изобарно-изотермических условиях, называется теплотой плавления.При обратном переходе –теплотой кристаллизации.

Если отнести указанные теплоты к единице количества вещества, то получим удельные величины.Различаютудельную массовую и молярнуютеплоты испарения (Дж/кг, Дж/моль).

Теплота парообразования складывается из внутренней и внешней теплоты парообразования .Внутренняя теплотапарообразования затрачивается на преодоление сил притяжения между молекулами в жидкости и равна приращению внутренней энергии.Внешняя теплотапарообразования равна работе, затрачиваемой на преодоление внешних сил, действующих на жидкость. Она составляет лишь небольшую долю общей теплоты парообразования (при 100⁰С около 1/13 части). Теплота парообразованияуменьшается с увеличением давления (и температуры) и при критическомдавлении она равна нулю (см. таблицу термодинамических свойств воды и пара в конце описания)