Определение теплоты парообразования воды

Цель работы: определение удельной теплоты парообразования воды при фазовом переходе первого рода по экспериментально полученной зависимости давления насыщенных паров от температуры.

Основные теоретические положения

В термодинамике фазой называется совокупность однородных, одинаковых по своим свойствам частей системы. Переход вещества из одного фазового состояния в другое называется фазовым переходом. Фазовый переход первого рода всегда сопровождается поглощением или выделением скрытой теплоты и изменением удельного объема и молярного объема вещества. Существуют переходы из одной кристаллической модификации в другую, которые не связаны с поглощением или выделением теплоты. Такие переходы называются фазовыми переходами второго рода.

Будем рассматривать фазовый переход первого рода на примере испарения, то есть перехода вещества из жидкого в газообразное состояние. Теплота , которую необходимо сообщить единице массы вещества для того, чтобы превратить ее в пар, находящийся при той же температуре, какую имело вещество до испарения, называется удельной теплотой парообразования.

Вначале выясним, как происходит процесс установления равновесия между жидкостью и ее паром. Пусть имеется герметичный сосуд, частично заполненный жидкостью; первоначально из пространства над жидкостью вещество было полностью удалено. Вследствие процесса испарения пространство над жидкостью станет наполняться молекулами – над жидкостью появится пар, давление которого будет возрастать пропорционально числу молекул. Молекулы, перешедшие в газообразную фазу, двигаясь хаотически, ударяются о поверхность жидкости, причем часть таких ударов будет сопровождаться обратным переходом молекул в жидкую фазу.

Количество молекул, переходящих в единицу времени в жидкую фазу, растет с давлением. Следовательно, наряду с испарением протекает обратный процесс перехода молекул из газообразной в жидкую фазу, причем интенсивность его растет по мере увеличения плотности молекул в пространстве над жидкостью. При достижении некоторого, вполне определенного для данной температуры, давления количества молекул, покидающих жидкость и возвращающихся в нее, станут равны. Начиная с этого момента, плотность пара перестает изменяться. Между жидкостью и паром установится подвижное равновесие, которое будет существовать до тех пор, пока не изменится объем или температура системы. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным. Давление, при котором наблюдается равновесие, называется давлением насыщенного пара. Это давление зависит от температуры. Для рассмотрения фазового перехода жидкость-пар и пар-жидкость обратимся к изотермам, построенным для нескольких значений температуры на P-V диаграмме (рис. 4.1). Горизонтальные участки изотерм отвечают областям фазового перехода.

Пусть первоначально вещество является газообразным. Рис. 4.1. Изотермы реального газа

Подвергнем его сжатию при постоянной температуре. Вначале по мере уменьшения объема газа давление будет расти. При достижении некоторого значения объема давление перестанет изменяться, а вещество перестанет быть однородным – часть газа конденсируется в жидкость. Происходит расслоение вещества на две фазы: жидкую и газообразную. По мере дальнейшего уменьшения объема все большая часть вещества переходит в жидкую фазу, причем переход осуществляется при постоянном давлении (давлении насыщенного пара). После того как процесс конденсации вещества заканчивается, дальнейшее уменьшение объема начинает сопровождаться быстрым ростом давления.

На рис. 4.1 приведены изотермы для нескольких значений температуры. Из этого рисунка видно, что с повышением температуры горизонтальный участок изотермы сокращается, стягиваясь в точку при температуре , называемой критической. При температурах выше критической вещество при любом давлении оказывается однородным. При таких температурах никаким сжатием газ не может быть переведен в жидкое состояние. Если провести линию через крайние точки горизонтальных участков изотерм на рис 4.1, получается колоколообразная кривая (рис. 4.2), ограничивающая область двухфазных состояний вещества. Эта кри вая и участок критической изотермы, лежащий слева от точки К, делят Рис. 4.2 Переходы между фазами диаграмму на рис 4.2 на три области.

Дата добавления: 2015-07-16