Schemat ten pokazano na ryc. 6.5. Pola diagramu fazowego ograniczone krzywymi odpowiadają warunkom (temperaturom i ciśnieniom), w których stabilna jest tylko jedna faza substancji. Na przykład przy dowolnych wartościach temperatury i ciśnienia, które odpowiadają punktom wykresu ograniczonym krzywymi VT i TC, woda występuje w stanie ciekłym. W dowolnej temperaturze i ciśnieniu odpowiadającym punktom na wykresie znajdującym się poniżej krzywych AT i TC woda występuje w stanie pary.

Krzywe diagramu fazowego odpowiadają warunkom, w których dowolne dwie fazy są ze sobą w równowadze. Na przykład w temperaturach i ciśnieniach odpowiadających punktom krzywej TC woda i jej para znajdują się w równowadze. Jest to krzywa ciśnienia pary wodnej (patrz ryc. 3.13). W punkcie X tej krzywej ciekła woda i para znajdują się w równowadze w temperaturze 373 K (100 °C) i ciśnieniu 1 atm (101,325 kPa); punkt X oznacza temperaturę wrzenia wody pod ciśnieniem 1 atm.

Krzywa AT to krzywa prężności pary lodu; taka krzywa jest zwykle nazywana krzywą sublimacji.

Krzywa BT jest krzywą topnienia. Pokazuje, jak ciśnienie wpływa na temperaturę topnienia lodu: jeśli ciśnienie wzrasta, temperatura topnienia nieznacznie spada. Taka zależność temperatury topnienia od ciśnienia jest rzadkością. Zazwyczaj wzrost ciśnienia sprzyja tworzeniu się ciała stałego, jak zobaczymy na przykładzie diagramu fazowego dwutlenku węgla rozważanego poniżej. W przypadku wody wzrost ciśnienia prowadzi do zniszczenia wiązań wodorowych, które w krysztale lodu wiążą ze sobą cząsteczki wody, powodując, że tworzą one nieporęczną strukturę. W rezultacie

Ryż. 6.5. Diagram fazowy wody.

Kiedy wiązania wodorowe zostaną zniszczone, powstaje gęstsza faza ciekła (patrz sekcja 2.2).

W punkcie Y krzywej VT lód znajduje się w równowadze z wodą o temperaturze 273 K (0°C) i pod ciśnieniem 1 atm. Oznacza temperaturę zamarzania wody pod ciśnieniem 1 atm.

Krzywa ST wskazuje prężność pary wodnej w temperaturach poniżej jej punktu zamarzania. Ponieważ woda zwykle nie występuje w postaci cieczy w temperaturach poniżej jej punktu zamarzania, każdy punkt na tej krzywej odpowiada wodzie w stanie metastabilnym. Oznacza to, że przy odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu woda nie znajduje się w swoim najbardziej stabilnym (stabilnym) stanie. Zjawisko odpowiadające istnieniu wody w stanie metastabilnym, opisane punktami tej krzywej, nazywa się przechłodzeniem.

Na diagramie fazowym są dwa punkty, które są szczególnie interesujące. Przede wszystkim zauważamy, że krzywa prężności pary wodnej kończy się w punkcie C. Nazywa się to punktem krytycznym wody. W temperaturach i ciśnieniach powyżej tego punktu para wodna nie może zostać przekształcona w wodę w stanie ciekłym pod wpływem wzrostu ciśnienia (patrz także sekcja 3.1). Innymi słowy, powyżej tego punktu nie można już rozróżnić pary i cieczy w postaci wody. Krytyczna temperatura wody wynosi 647 K, a ciśnienie krytyczne 220 atm.

Punkt T diagramu fazowego nazywany jest punktem potrójnym. W tym momencie lód, ciekła woda i para wodna znajdują się ze sobą w równowadze. Punkt ten odpowiada temperaturze 273,16 K i ciśnieniu atm. Tylko przy określonych wartościach temperatury i ciśnienia wszystkie trzy fazy wody mogą istnieć razem, będąc ze sobą w równowadze.

Szron może powstawać na dwa sposoby: z rosy lub bezpośrednio z wilgotnego powietrza.

Tworzenie się szronu z rosy. Rosa to woda powstająca, gdy wilgotne powietrze ochładza się, gdy jego temperatura spada, przecinając (przy ciśnieniu atmosferycznym) krzywą TC na ryc. 6.5. Szron tworzy się w wyniku zamarzania rosy, gdy temperatura spada na tyle, aby przekroczyć krzywą BT.

Tworzenie się szronu bezpośrednio z wilgotnego powietrza. Szron powstaje z rosy tylko wtedy, gdy prężność pary wodnej przekracza ciśnienie punktu potrójnego T, tj. więcej atm. Jeśli ciśnienie pary wodnej jest niższe od tej wartości, szron tworzy się bezpośrednio z wilgotnego powietrza, bez wstępnego tworzenia się rosy. W tym przypadku pojawia się, gdy malejąca temperatura przecina krzywą z rys. 6.5. W tych warunkach tworzy się suchy szron.

Na k N= 1 równanie reguły fazowej będzie miało postać:

C = 3 - F,

Jeśli jest 1 faza w równowadze, to C = 2, mówią, że system dwuwariantowy;

2 fazy C = 1, system jednowariantowy;

3-fazowy C = 0, system niezmienny.

Diagram wyrażający zależność stanu układu od warunków zewnętrznych lub od składu układu nazywa się diagram fazowy. Związek między ciśnieniem ( R), temperatura ( T) i objętość ( V) fazy można przedstawić za pomocą trójwymiarowego diagramu fazowego. Każdy punkt (tzw punkt graficzny) na takim schemacie przedstawia pewien stan równowagi. Zwykle wygodniej jest pracować z fragmentami tego diagramu za pomocą płaszczyzny p-T(Na V = stała) lub samolot p-V(Na T = stała). Rozpatrzmy bardziej szczegółowo przypadek przekroju płaszczyzną p-T(Na V=stała).

Rozważmy dla przykładu diagram fazowy układu jednoskładnikowego – woda (rys. 8).

Diagram fazowy wody

Diagram fazowy wody we współrzędnych p-T przedstawiono na ryc. 8. Składa się z 3 pola fazowe- obszary o różnym ( r, T) - wartości, przy których woda występuje w postaci określonej fazy - lodu, wody w stanie ciekłym lub pary (oznaczone na ryc. 8 odpowiednio literami L, F i P). Dla tych regionów jednofazowych liczba stopni swobody wynosi dwa, równowaga jest dwuwariantowa ( C = 3 - 1 = 2). Oznacza to, że do opisu systemu jest to konieczne dwie niezależne zmienne - temperatura i ciśnienie. Zmienne te mogą zmieniać się w tych obszarach niezależnie i nie będzie zmiany rodzaju ani liczby faz.

Pola fazowe oddzielone są 3 krzywymi granicznymi.

Krzywa AB - krzywa parowania, wyraża zależność ciśnienie pary ciekłej wody od temperatury(lub odwrotnie, reprezentuje zależność temperatury wrzenia wody od ciśnienia). Innymi słowy, ta linia odpowiada dwufazowy równowaga ciekła woda-para wodna, a liczba stopni swobody obliczona według reguły fazowej wynosi C = 3 - 2 = 1. Taka równowaga jednowariantowy. Oznacza to, że do pełnego opisu systemu wystarczy samo określenie jedna zmienna- albo temperatura, albo ciśnienie. Druga zmienna jest zależna, wyznaczana jest przez kształt krzywej AB . Zatem dla danej temperatury istnieje tylko jedno ciśnienie równowagi lub dla danego ciśnienia pary istnieje tylko jedna temperatura równowagi.

Przy ciśnieniach i temperaturach odpowiadających punktom poniżej linii AB ciecz całkowicie odparuje, a ten obszar jest obszarem pary.

Przy ciśnieniach i temperaturach odpowiadających punktom powyżej linii AB para ulega całkowitej kondensacji do cieczy ( C = 2). Górna granica krzywej parowania AB znajduje się w punkcie B, tzw punkt krytyczny(dla wody 374 o C i 218 atm). Powyżej tej temperatury faza ciekła i gazowa stają się nierozróżnialne (zanika wyraźna granica faza ciekła/para), dlatego Ф=1.

Linia AC- Tenkrzywa sublimacji lodu(czasami nazywana linią sublimacji), odzwierciedlającą zależność ciśnienie pary wodnej nad lodem od temperatury. Ta linia odpowiada jednowariantowy równowaga pary lodowej ( C=1). Powyżej linii AC znajduje się obszar lodowy, poniżej znajduje się obszar parowy.

Linia AD - krzywa topnienia, wyraża zależność temperatura topnienia lodu w zależności od ciśnienia i odpowiada jednowariantowy równowaga wody w stanie ciekłym lodem. W przypadku większości substancji linia AD odchyla się od pionu w prawo, ale zachowanie wody jest nietypowe: woda w stanie ciekłym zajmuje mniejszą objętość niż lód. Na podstawie zasady Le Chateliera można przewidzieć, że wzrost ciśnienia spowoduje przesunięcie równowagi w stronę powstania cieczy, tj. temperatura zamarzania obniży się.

Ryc.8. Diagram fazowy wody

Badania przeprowadzone przez Bridgmana w celu określenia krzywej topnienia lodu pod wysokim ciśnieniem wykazały, że tak siedem różnych krystalicznych modyfikacji lodu z których każdy, z wyjątkiem pierwszego, gęstszy od wody. Zatem górną granicą linii AD jest punkt D, w którym lód I (lód zwykły), lód III i woda w stanie ciekłym znajdują się w równowadze. Punkt ten znajduje się w temperaturze -22 0 C i 2450 atm.

Potrójny punkt wody(punkt odzwierciedlający równowagę trzech faz - cieczy, lodu i pary) przy braku powietrza wynosi 0,0100 o C i 4,58 mm Hg. Liczba stopni swobody Z=3-3=0 i taka równowaga nazywana jest niezmienny. Kiedy zmienia się jakikolwiek parametr, system przestaje być trójfazowy.

W obecności powietrza trzy fazy znajdują się w równowadze przy ciśnieniu 760 mmHg. i przy 0 o C. Spadek temperatury punktu potrójnego w powietrzu jest spowodowany następującymi przyczynami:

1. rozpuszczalność gazowych składników powietrza w ciekłej wodzie przy ciśnieniu 1 atm, co prowadzi do obniżenia punktu potrójnego o 0,0024 o C;

2. wzrost ciśnienia z 4,58 mm Hg. do 1 atm, co obniża punkt potrójny o kolejne 0,0075 o C.

Schemat ten pokazano na ryc. 6.5. Pola diagramu fazowego ograniczone krzywymi odpowiadają warunkom (temperaturom i ciśnieniom), w których stabilna jest tylko jedna faza substancji. Na przykład przy dowolnych wartościach temperatury i ciśnienia, które odpowiadają punktom wykresu ograniczonym krzywymi VT i TC, woda występuje w stanie ciekłym. W dowolnej temperaturze i ciśnieniu odpowiadającym punktom na wykresie znajdującym się poniżej krzywych AT i TC woda występuje w stanie pary.

Krzywe diagramu fazowego odpowiadają warunkom, w których dowolne dwie fazy są ze sobą w równowadze. Na przykład w temperaturach i ciśnieniach odpowiadających punktom krzywej TC woda i jej para znajdują się w równowadze. Jest to krzywa ciśnienia pary wodnej (patrz ryc. 3.13). W punkcie A” tej krzywej ciekła woda i para znajdują się w równowadze w temperaturze 373 K (100 0C) i ciśnieniu 1 atm (101,325 kPa); punkt X reprezentuje temperaturę wrzenia wody pod ciśnieniem 1 atm. .

Krzywa AT to krzywa prężności pary lodu; taka krzywa jest zwykle nazywana krzywą sublimacji.

Krzywa BT jest krzywą topnienia. Pokazuje, jak ciśnienie wpływa na temperaturę topnienia lodu: jeśli ciśnienie wzrasta, temperatura topnienia nieznacznie spada. Taka zależność temperatury topnienia od ciśnienia jest rzadkością. Zazwyczaj wzrost ciśnienia sprzyja tworzeniu się ciała stałego, jak zobaczymy na przykładzie diagramu fazowego dwutlenku węgla rozważanego poniżej. W przypadku wody wzrost ciśnienia prowadzi do zniszczenia wiązań wodorowych, które w krysztale lodu wiążą ze sobą cząsteczki wody, powodując, że tworzą one nieporęczną strukturę. W wyniku zniszczenia wiązań wodorowych powstaje gęstsza faza ciekła (patrz rozdział 2.2).

W punkcie Y krzywej VT lód znajduje się w równowadze z wodą o temperaturze 273 K (O 0C) i ciśnieniu 1 atm. Oznacza temperaturę zamarzania wody pod ciśnieniem 1 atm.

Krzywa ST wskazuje prężność pary wodnej w temperaturach poniżej jej punktu zamarzania. Ponieważ woda zwykle nie występuje w postaci cieczy w temperaturach poniżej jej punktu zamarzania, każdy punkt na tej krzywej odpowiada wodzie w stanie metastabilnym. Oznacza to, że przy odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu woda nie znajduje się w swoim najbardziej stabilnym (stabilnym) stanie. Zjawisko odpowiadające istnieniu wody w stanie metastabilnym, opisane punktami tej krzywej, nazywa się przechłodzeniem.

Na diagramie fazowym są dwa punkty, które są szczególnie interesujące. Przede wszystkim zauważamy, że krzywa prężności pary wodnej kończy się w punkcie C. Nazywa się to punktem krytycznym wody. W temperaturach i ciśnieniach powyżej tego punktu para wodna nie może zostać przekształcona w wodę w stanie ciekłym pod wpływem wzrostu ciśnienia (patrz także sekcja 3.1). Innymi słowy, powyżej tego punktu nie można już rozróżnić pary i cieczy w postaci wody. Krytyczna temperatura wody wynosi 647 K, a ciśnienie krytyczne 220 atm.

Punkt G diagramu fazowego nazywany jest punktem potrójnym. W tym momencie lód, ciekła woda i para wodna znajdują się ze sobą w równowadze. Punkt ten odpowiada temperaturze 273,16 K i ciśnieniu 6,03 · 1000 atm. Tylko przy określonych wartościach temperatury i ciśnienia wszystkie trzy fazy wody mogą istnieć razem, będąc ze sobą w równowadze.

Iii można formować na dwa sposoby: z rosy lub bezpośrednio z wilgotnego powietrza.

Tworzenie się szronu z rosy. Rosa to woda powstająca, gdy wilgotne powietrze ochładza się, gdy jego temperatura spada, przecinając (przy ciśnieniu atmosferycznym) krzywą TC na ryc. 6.5. Szron tworzy się w wyniku zamarzania rosy, gdy temperatura spada na tyle, aby przekroczyć krzywą BT.

Tworzenie się szronu bezpośrednio z wilgotnego powietrza. Szron powstaje z rosy tylko wtedy, gdy prężność pary wodnej przekracza ciśnienie punktu potrójnego G, tj. więcej niż 6,03-10 ~ 3 atm. Jeśli ciśnienie pary wodnej jest niższe od tej wartości, szron tworzy się bezpośrednio z wilgotnego powietrza, bez wstępnego tworzenia się rosy. W tym przypadku pojawia się, gdy malejąca temperatura przecina krzywą AT na ryc. 6.5. W tych warunkach tworzy się suchy szron.

SCHEMAT FAZOWY DWUTLENKU WĘGLA

Ten diagram fazowy pokazano na ryc. 6.6.

Jest podobny do diagramu fazowego wody, ale różni się od niego pod dwoma ważnymi względami.

Po pierwsze, punkt potrójny dwutlenku węgla występuje pod ciśnieniem znacznie większym niż 1 atm, a mianowicie 5,11 atm. Dlatego przy jakimkolwiek ciśnieniu poniżej tej wartości dwutlenek węgla nie może występować w postaci płynnej. Jeśli stały dwutlenek węgla (suchy lód) zostanie ogrzany pod ciśnieniem 1 atm, sublimuje w temperaturze 159 K (-78 ° C). Oznacza to, że stały dwutlenek węgla w określonych warunkach przechodzi bezpośrednio do fazy gazowej z pominięciem stanu ciekłego.

Po drugie, różnica w stosunku do diagramu fazowego wody polega na tym, że krzywa VT nachyla się w prawo, a nie w lewo. Cząsteczki dwutlenku węgla w fazie stałej są upakowane gęściej niż w fazie ciekłej. Dlatego w przeciwieństwie do wody stały dwutlenek węgla ma większą gęstość niż ciekły dwutlenek węgla. Cecha ta jest typowa dla większości znanych substancji. Zatem wzrost ciśnienia zewnętrznego sprzyja tworzeniu się stałego dwutlenku węgla. W rezultacie wzrost ciśnienia powoduje również wzrost temperatury topnienia.

diagram fazowy siarki

W rozdz. 3.2 stwierdził, że jeśli związek może występować w więcej niż jednej postaci krystalicznej, to mówi się, że wykazuje polimorfizm. Jeśli dowolny wolny pierwiastek (substancja prosta) może występować w kilku postaciach krystalicznych, wówczas ten typ polimorfizmu nazywa się alotropią. Na przykład siarka może występować w dwóch postaciach alotropowych: formie α, która ma rombową strukturę krystaliczną, i formę β, która ma jednoskośną strukturę krystaliczną.

Na ryc. Rysunek 6.7 przedstawia zależność temperaturową energii swobodnej (patrz rozdział 5) dwóch alotropowych form siarki, a także jej postaci ciekłej. Energia swobodna dowolnej substancji maleje wraz ze wzrostem temperatury. W przypadku siarki, alotrop α ma najniższą energię swobodną w temperaturach poniżej 368,5 K i dlatego jest najbardziej stabilny w takich temperaturach. W temperaturach od 368,5 P (95,5 0C) do 393 K (120 0C) p-allotrop jest najbardziej stabilny. W temperaturach powyżej< 393 К наиболее устойчива жидкая форма серы.

Kiedy pierwiastek (prosta substancja) może występować w dwóch lub większej liczbie form alotropowych, z których każda jest stabilna w pewnym zakresie warunków, uważa się, że jest to enancjotrop. Temperatura, w której dwa enancjotropy są ze sobą w równowadze, nazywana jest przejściem temperatura. Temperatura enancjotropowego przejścia siarki pod ciśnieniem 1 atm wynosi 368,5 K.

Wpływ ciśnienia na temperaturę przejścia obrazuje krzywa AB na diagramie fazowym siarki pokazanym na ryc. 6.8. Wzrost ciśnienia prowadzi do wzrostu temperatury przejścia.

Siarka ma trzy punkty potrójne - A, B i C. Na przykład w punkcie A znajdują się w równowadze dwie fazy stałe i gazowe. Te dwie fazy stałe są bienancjomerami siarki. Krzywe przerywane odpowiadają warunkom metastabilnym; Na przykład krzywa AD jest krzywą prężności pary a-siarki w temperaturach powyżej jej temperatury przejścia.

Enancjotropia innych pierwiastków

Siarka nie jest jedynym pierwiastkiem wykazującym enancjotropię. Na przykład cyna ma dwa enancjotropy - cynę szarą i cynę białą. Temperatura przejścia między nimi przy ciśnieniu 1 atm wynosi 286,2 K (13,2 ° C).

diagram fazowy fosforu

W przypadkach, gdy dowolny wolny pierwiastek (substancja prosta) występuje w kilku postaciach krystalicznych, z których tylko jedna jest stabilna, uważa się, że wykazuje on monotropię.

Przykładem prostej substancji wykazującej monotropię jest fosfor. W rozdz. 3.2 wskazano, że fosfor występuje w trzech postaciach. Fosfor czerwony jest stabilnym monotropem. Pod ciśnieniem atmosferycznym postać ta jest stabilna aż do temperatury 690 K (ryc. 6.9). Fosfor biały i fosfor czarny są metastabilnymi (niestabilnymi) monotropami. Fosfor czarny może istnieć tylko pod wysokim ciśnieniem, czego nie pokazano na ryc. 6.9. Punkt potrójny fosforu znajduje się w temperaturze 862,5 K (589,5 ° C) i ciśnieniu 43,1 atm. W tym momencie fosfor czerwony, fosfor ciekły i pary fosforu znajdują się ze sobą w równowadze.

5. Przemiany fazowe i diagram stanu wody

Diagram fazowy (lub diagram fazowy) to graficzne przedstawienie zależności między wielkościami charakteryzującymi stan układu a przemianami fazowymi w układzie (przejście ze stanu stałego do cieczy, z cieczy do gazu itp.). Diagramy fazowe są szeroko stosowane w chemii. W przypadku układów jednoskładnikowych zwykle stosuje się diagramy fazowe, pokazujące zależność przemian fazowych od temperatury i ciśnienia, nazywane są diagramami fazowymi we współrzędnych P---T

Rysunek 5 przedstawia schemat stanu wody w formie schematycznej. Dowolny punkt na schemacie odpowiada pewnym wartościom temperatury i ciśnienia.

W stanie ciekłym - woda

Twardy - lód

Gazowy - para

Schemat pokazuje te stany wody, które są stabilne termodynamicznie przy określonych wartościach temperatury i ciśnienia. Składa się z trzech krzywych, które dzielą wszystkie możliwe temperatury i ciśnienia na trzy obszary odpowiadające lodem, cieczy i parze.

lód = para (krzywa OA)

lód = ciecz (krzywa RH)

ciecz = para (krzywa OC)

O - temperatura zamarzania wody

Dla wody temperatura krytyczna wynosi 374 stopnie Celsjusza. Przy normalnym ciśnieniu fazy ciekła i parowa wody są ze sobą w równowadze w temperaturze 100 stopni Celsjusza, ponieważ w tym przypadku ciśnienie pary nad cieczą porównuje się z ciśnieniem zewnętrznym i woda wrze. Przecięcie trzech krzywych następuje w punkcie O – punkcie potrójnym, w którym wszystkie trzy fazy znajdują się ze sobą w równowadze.

Przyjrzyjmy się każdej z krzywych bardziej szczegółowo. Zacznijmy od krzywej OA oddzielającej obszar pary od obszaru cieczy. Wyobraźmy sobie cylinder, z którego usunięto powietrze, po czym wprowadzono do niego pewną ilość czystej wody, wolnej od rozpuszczonych substancji, w tym gazów; cylinder jest wyposażony w tłok, który jest ustalony w określonym położeniu. Po pewnym czasie część wody wyparuje, a nad jej powierzchnią utworzy się para nasycona. Można zmierzyć jego ciśnienie i upewnić się, że nie zmienia się ono w czasie i nie zależy od położenia tłoka. Jeśli podniesiemy temperaturę całego układu i ponownie zmierzymy prężność pary nasyconej, okaże się, że wzrosła. Powtarzając takie pomiary w różnych temperaturach, znajdziemy zależność ciśnienia nasyconej pary wodnej od temperatury. Krzywa OA jest wykresem tej zależności: punkty krzywej pokazują te pary wartości temperatury i ciśnienia, przy których ciekła woda i para wodna są ze sobą w równowadze - współistnieją. Krzywa OA nazywana jest krzywą równowagi ciecz-para lub krzywą wrzenia. Tabela 5 pokazuje wartości ciśnienia pary wodnej nasyconej w kilku temperaturach.

Tabela 5 Temperatura	Ciśnienie pary nasyconej	Temperatura	Ciśnienie pary nasyconej
		mmHg Sztuka.			mmHg Sztuka.

Fizyka molekularna wody w trzech stanach skupienia

Rys. 5.2 Schemat stanów skupieniowych wody w obszarze punktu potrójnego A. I - lód. II - woda. III – para wodna.

Woda występuje w warunkach naturalnych w trzech stanach: stałym – w postaci lodu i śniegu, ciekłym – w postaci samej wody, gazowym – w postaci pary wodnej. Te stany wody nazywane są stanami skupiskowymi lub odpowiednio fazami stałymi, ciekłymi i parowymi. Przejście wody z jednej fazy do drugiej spowodowane jest zmianami jej temperatury i ciśnienia. Na ryc. pokazuje diagram stanów skupienia wody w zależności od temperatury t i ciśnienia P. Z ryc. 5.2 wynika, że ​​w obszarze I woda występuje tylko w postaci stałej, w obszarze II - tylko w postaci ciekłej, w obszarze III - wyłącznie w postaci pary wodnej. Wzdłuż krzywej AC znajduje się w stanie równowagi pomiędzy fazą stałą i ciekłą (topnienie lodu i krystalizacja wody); wzdłuż krzywej AB – w stanie równowagi pomiędzy fazą ciekłą i gazową (odparowanie wody i skraplanie pary wodnej); wzdłuż krzywej AD - w równowadze pomiędzy fazą stałą i gazową (sublimacja pary wodnej i sublimacja lodu).

Równowagę faz zgodnie z ryc. 5.2 wzdłuż krzywych AB, AC i AD należy rozumieć jako równowagę dynamiczną, tj. wzdłuż tych krzywych liczba nowo powstałych cząsteczek jednej fazy jest ściśle równa liczbie nowo powstałych cząsteczek drugiej fazy .

Jeśli np. będziemy stopniowo schładzać wodę pod dowolnym ciśnieniem, to w limicie znajdziemy się na krzywej AC, gdzie będziemy obserwować wodę w odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu. Jeśli będziemy stopniowo podgrzewać lód pod różnymi ciśnieniami, znajdziemy się na tej samej krzywej równowagi prądu przemiennego, ale po stronie lodu. Podobnie będziemy mieli wodę i parę wodną, ​​w zależności od tego, po której stronie zbliżymy się do krzywej AB.

Wszystkie trzy krzywe stanu skupienia - AC (krzywa zależności temperatury topnienia lodu od ciśnienia), AB (krzywa zależności temperatury wrzenia wody od ciśnienia), AD (krzywa zależności prężności pary fazy stałej od temperatury) - przecinają się w jednym punkcie A, zwanym punktem potrójnym. Według współczesnych badań wartości ciśnienia pary nasyconej i temperatury w tym punkcie są odpowiednio równe: P = 610,6 Pa (lub 6,1 hPa = 4,58 mm Hg), t = 0,01°C (lub T = 273,16 K). Oprócz punktu potrójnego krzywa AB przechodzi przez jeszcze dwa charakterystyczne punkty – punkt odpowiadający wrzeniu wody przy normalnym ciśnieniu powietrza o współrzędnych P = 1,013 · 10 5 Pa i t = 100°C oraz punkt o współrzędnych P = 2,211 10 7 Pa i t cr = 374,2°C, co odpowiada temperaturze krytycznej – tylko temperaturze, poniżej której para wodna może przejść w stan ciekły w wyniku sprężania.

Krzywe AC, AB, AD związane z procesami przejścia substancji z jednej fazy do drugiej opisuje równanie Clapeyrona-Clausiusa:

gdzie T jest temperaturą bezwzględną odpowiadającą każdej krzywej odpowiednio temperaturze parowania, topnienia, sublimacji itp.; L – odpowiednio ciepło właściwe parowania, topnienia i sublimacji; V 2 - V 1 to różnica odpowiednio objętości właściwych podczas przemieszczania się z wody do lodu, z pary wodnej do wody, z pary wodnej do lodu. Szczegółowe rozwiązanie tego równania dotyczące ciśnienia nasyconej pary wodnej e 0 nad powierzchnią wody – krzywa AB i lodu – krzywa AD, można znaleźć w meteorologii ogólnej.

Reżim wodno-chemiczny i stan wyposażenia obwodu grzewczego zaopatrzenia w ciepłą wodę piątego etapu elektrociepłowni w Swierdłowsku

Składnikami bezpośredniego przepływu sieciowego są: woda uzupełniająca i woda powrotna (M-6; Gradmash). W załączniku 6 przedstawiono zmianę zużycia bezpośredniej wody sieciowej w Elektrociepłowni w Swierdłowsku w różnych okresach roku. Naturalnie...

Dynamika sieci wiązań wodorowych w wodzie i lodzie amorficznym

Ryc. 15. Model „Przemiany energii podczas oscylacji” Model (rys. 15) ilustruje przemiany energii podczas oscylacji harmonicznych ciała pod wpływem siły quasi-sprężystej...

Systemy nieidealne

W pewnych warunkach dwie różne fazy tej samej substancji (na przykład ciekła i gazowa) mogą współistnieć ze sobą przez dowolnie długi czas. W tym celu należy na granicy dwóch faz spełnić następujące warunki: , oraz...

Funkcje wyboru przepływomierza

Jeżeli oscylacje propagują w kierunku prędkości przepływu, to pokonują drogę L w czasie, gdzie a jest prędkością dźwięku w danym ośrodku; V - prędkość przepływu...

Cechy polimorfizmu

Atomy metali, biorąc pod uwagę względy geometryczne, mogą tworzyć dowolną sieć krystaliczną. Jednak stabilnym, a zatem faktycznie istniejącym typem jest sieć, która ma najniższą rezerwę darmowej energii...

Przemiany fizykochemiczne obejmują procesy zmiany stanu skupienia i struktury krystalicznej przetwarzanej substancji...

Płaszczyzna fazowa, trajektorie fazowe. Cykl ograniczający. Reprezentacja najprostszych procesów na płaszczyźnie fazowej. Izokliny, punkty osobliwe. Konstrukcja krzywych całkowych z wykorzystaniem izolinii. Konstrukcja krzywych całkowych metodą delta

Trajektoria fazowa to trajektoria punktu w przestrzeni fazowej, przedstawiająca, jak stan układu dynamicznego zmienia się w czasie t. Rozważmy układ równań różniczkowych zwyczajnych n-tego rzędu Y = F(x,Y)...

Fizyka związków wielkocząsteczkowych

Reakcje tego typu Staudinger wykorzystał do udowodnienia makrocząsteczkowej struktury polimerów naturalnych, a następnie syntetycznych. Przekształcił polioctan winylu w polialkohol winylowy...

Fizyczne podstawy holografii

Hologramy można utrwalić nie tylko na kliszach fotograficznych, ale także na innych nośnikach. Istnieje wiele różnych materiałów, które mają niezbędną czułość i rozdzielczość...

Obliczenia elektryczne i automatyzacja instalacji nagrzewnic elektrycznych

"right">Tabela 1 Metoda ogrzewania Mechanizm konwersji energii Zakres i IT Rezystancja (bezpośrednia i pośrednia) Energia elektryczna zamieniana jest na energię cieplną podczas przepływu prądu przez materiały przewodzące Ogrzewanie...

Zastosowanie reguły fazowej Gibbsa do układów jednoskładnikowych. Diagramy fazowe wody i siarki

Do systemu jednoskładnikowego DO=1, a reguła fazowa jest zapisana jako:

C = 3- F

Jeśli F= 1, zatem Z=2, mówią, że system dwuwariantowy;
F= 2, zatem Z=1, system jednowariantowy;
F= 3, zatem Z = 0, system niezmienny.

Związek między ciśnieniem ( R), temperatura ( T) i objętość ( V) fazy można przedstawić w trzech wymiarach diagram fazowy. Każdy punkt (tzw punkt graficzny) na takim schemacie przedstawia pewien stan równowagi. Zwykle wygodniej jest pracować z fragmentami tego diagramu za pomocą płaszczyzny R – T(Na V = stała) lub samolot P–V(Na T = stała). W dalszej części rozważymy jedynie przypadek przekroju płaszczyzny R – T(Na V = stała).

Stan wody badano w szerokim zakresie temperatur i ciśnień. Przy wysokich ciśnieniach ustalono istnienie co najmniej dziesięciu krystalicznych modyfikacji lodu. Najlepiej zbadanym jest lód I – jedyna modyfikacja lodu występująca w przyrodzie.

Obecność różnych modyfikacji substancji - polimorfizm - prowadzi do komplikacji diagramów stanu.

Diagram fazowy wody we współrzędnych R – T przedstawiono na ryc. 15. Składa się z 3 pola fazowe- obszary o różnym charakterze R., T- wartości, przy których woda występuje w postaci określonej fazy - lodu, wody w stanie ciekłym lub pary (oznaczone na rysunku odpowiednio literami L, F i P). Te pola fazowe oddzielone są 3 krzywymi granicznymi.

Krzywa AB - krzywa parowania, wyraża zależność ciśnienie pary ciekłej wody od temperatury(lub odwrotnie, reprezentuje zależność temperatury wrzenia wody od ciśnienia zewnętrznego). Innymi słowy, linia ta odpowiada równowadze dwufazowej.

Woda w stanie ciekłym ↔ para wodna, a liczba stopni swobody obliczona z reguły fazowej wynosi Z= 3 – 2 = 1. Tę równowagę nazywamy jednowariantowy. Oznacza to, że do pełnego opisu systemu wystarczy samo określenie jedna zmienna- albo temperatura, albo ciśnienie, ponieważ dla danej temperatury istnieje tylko jedno ciśnienie równowagi, a dla danego ciśnienia tylko jedna temperatura równowagi.

Przy ciśnieniach i temperaturach odpowiadających punktom poniżej linii AB ciecz całkowicie odparuje, a ten obszar jest obszarem pary. Do opisu układu w danym obszarze jednofazowym potrzebne są dwie zmienne niezależne: temperatura i ciśnienie ( Z = 3 – 1 = 2).

Przy ciśnieniach i temperaturach odpowiadających punktom powyżej linii AB para ulega całkowitej kondensacji do cieczy ( Z= 2). Górna granica krzywej parowania AB znajduje się w punkcie B, który nazywa się punktem krytycznym (dla wody 374,2°С i 218,5 bankomat.). Powyżej tej temperatury fazy ciekła i parowa stają się nierozróżnialne (zanika granica międzyfazowa ciecz/para), dlatego też F = 1.

Linia AC – to krzywa sublimacji lodu (czasami nazywana linią sublimacji), odzwierciedlająca zależność ciśnienie pary wodnej nad lodem od temperatury. Linia ta odpowiada jednoczynnikowej równowadze lód ↔ para ( Z= 1). Powyżej linii AC znajduje się obszar lodowy, poniżej znajduje się obszar parowy.

Linia AD - krzywa topnienia, wyraża zależność temperatura topnienia lodu w zależności od ciśnienia i odpowiada jednowariantowej równowadze lód ↔ ciekła woda. W przypadku większości substancji linia AD odchyla się od pionu w prawo, ale zachowanie wody jest nietypowe: woda w stanie ciekłym zajmuje mniejszą objętość niż lód. Wzrost ciśnienia spowoduje przesunięcie równowagi w kierunku powstania cieczy, czyli obniży się temperatura zamarzania.

Badania przeprowadzone po raz pierwszy przez Bridgmana w celu określenia przebiegu krzywej topnienia lodu pod wysokim ciśnieniem wykazały, że wszystkie istniejące krystaliczne modyfikacje lodu, z wyjątkiem pierwszej, są gęstsze od wody. Zatem górną granicą linii AD jest punkt D, w którym lód I (lód zwykły), lód III i woda w stanie ciekłym współistnieją w równowadze. Punkt ten znajduje się na –22°С i 2450 bankomat.

Ryż. 15. Diagram fazowy wody

Na przykładzie wody widać, że diagram fazowy nie zawsze jest tak prosty, jak pokazano na ryc. 15. Woda może występować w postaci kilku faz stałych, różniących się budową krystaliczną (patrz ryc. 16).

Ryż. 16. Rozbudowany diagram fazowy wody w szerokim zakresie wartości ciśnienia.

Punkt potrójny wody (punkt odzwierciedlający równowagę trzech faz - cieczy, lodu i pary) przy braku powietrza znajduje się w 0,01°С ( T = 273,16K) i 4,58 mmHg. Liczba stopni swobody Z= 3-3 = 0 i taką równowagę nazywamy niezmienną.

W obecności powietrza trzy fazy znajdują się w równowadze w temperaturze 1 bankomat. i 0°С ( T = 273,15K). Spadek punktu potrójnego w powietrzu jest spowodowany następującymi przyczynami:

1. Rozpuszczalność powietrza w ciekłej wodzie w temperaturze 1 bankomat, co prowadzi do zmniejszenia punktu potrójnego o 0,0024°С;

2. Wzrost ciśnienia z 4,58 mmHg. do 1 bankomat, co zmniejsza punkt potrójny o kolejne 0,0075°С.