«Лабораторная работа «Наблюдение фазовых переходов жидкость-газ»»

1. ВВЕДЕНИЕ

Цель работы - ознакомление с фазовыми переходами, определение линии равновесия «жидкость-пар» в ТV-координатах, наблюдение критического состояния вещества.

1. ТЕОРИЯ

Фазовый переход – это скачкообразный переход вещества из одной фазы в другую при непрерывном изменении внешних условий – температуры, давления, магнитных и электрических полей и др. К фазовым переходам относятся испарение и конденсация (переход «жидкость-пар»), плавление и затвердевание (переход твердое «тело-жидкость»). На явлении фазового перехода основана работа многих машин и устройств (холодильные установки, кондиционеры, тепловые насосы и т. п.). Данная лабораторная работа посвящена изучению фазовых превращений «жидкость-газ» в соединении Фреона-13 (трифторхлорметан CClF3), который используется в холодильной технике. 2.1. Фазы и фазовые равновесия

Одной из важнейших задач термодинамики является выяснение условий равновесия двух или нескольких фаз термодинамической системы. Равновесные состояния любой термодинамической системы могут быть однозначно заданы с помощью ряда параметров: (давление), (температура), , где - плотность системы. При этом параметры и во всех точках системы, находящейся в равновесии, одинаковы и неизменны во времени, если не меняются внешние условия. Заметим, что изменение внешних условий (например, подвод или отвод тепла, изменение внешнего давления и т. п.) приводит к тому, что количество одной фазы растет, а другой уменьшается. Поэтому, изучая условия равновесия фаз, мы одновременно изучаем протекание фазовых переходов («плавление-кристаллизация», «испарение-конденсация» и др.). Опыт показывает, что когда однокомпонентная система (состоящая из частиц одного сорта) находится в однофазном равновесном состоянии, то ее параметры , и находятся в однозначной функциональной зависимости друг от друга. Это означает, что задание двух каких-либо параметров системы однозначно определяет третий параметр. Эту функциональную зависимость выразить с помощью уравнения состояния:

Уравнение состояния определяет поверхность в трехмерном пространстве с координатами , , . Каждая из точек этой поверхности соответствует равновесному состоянию системы. На рис. 2.1 видно, что проекция на плоскость образует три отдельные области, соответствующие трем агрегатным состояниям (фазам) вещества: твердому, жидкому и газообразному.

Рис. 2.1. Три агрегатных состояния (фазы) вещества

Твердая и газообразная фазы находятся в равновесии вдоль кривой сублимации, твердая и жидкая фазы – вдоль кривой плавления, а жидкая и газообразная – вдоль кривой кипения. Каждая точка этих трех кривых соответствует равновесному состоянию системы, в котором могут существовать две фазы, а тройная точка – это единственное равновесное состояние, в котором могут существовать все три фазы. Кривая кипения (кривая равновесия «жидкость-пар») не уходит в бесконечность, как кривая плавления. Эта точка называется критической, ее координаты - Рс, Vс, Tс. То обстоятельство, что кривая кипения оканчивается в критической точке, означает, что можно перевести жидкость в газ непрерывно, не пересекая линию фазового перехода, как это показано на рисунке. 2.2. Кривая равновесия «жидкость-пар» в ТV-координатах

Чтобы понять, как выглядит кривая равновесия «жидкость-пар» в РV плоскости проведем мысленный опыт: изобарический нагрев и охлаждение вещества. Поместим исследуемое вещество в теплоизолированный цилиндр с подвижным поршнем. Давление может задаваться и поддерживаться постоянным в течение опыта. Температура достаточно низкая, так что вещество находится в жидкой фазе. Начнем подводить тепло к системе, поддерживая давление Р1 (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Кривая равновесия «жидкость-пар» в ТV-координатах При этом начнут увеличиваться температура жидкости и ее удельный объем (левый наклонный участок изобары ) - происходит термическое расширение жидкости. Когда удельный объем жидкости станет равен величине , температура системы перестанет расти, а вещество не будет одно