§ 55. РАВНОВЕСИЕ СИСТЕМЫ ЖИДКОСТЬ — ПАР

Над жидкостью всегда образуется пар. Появление пара объясняется тем, что молекулы жидкости находятся в тепловом движении и некоторые из них, обладающие наибольшей кинетической энергией, отрываются от свободной поверхности жидкости и образуют над ней пар. Равновесному состоянию двухфазной системы жидкость — пар соответствует насыщенное состояние пара. В состоянии насыщения переход молекул из жидкости в пар компенсируется обратным их переходом из пара в жидкость.

Для каждой жидкости существует своя зависимость давления насыщенного пара от температуры, установить которую можно с помощью устройства, изображенного на рисунке 6.2. В вакуумированный сосуд заливается исследуемая жидкость, давление паров которой измеряется манометром Примерная зависимость от представлена на рисунке 6.3 кривой Линия называется кривой фазового равновесия жидкость — пар или кривой насыщения. Ниже этой кривой располагаются точки, изображающие состояния с давлением паров, меньшим давления насыщения (ненасыщенные, или перегретые, пары). Из ненасыщенного состояния в насыщенное пар можно перевести многими путями, в частности изотермическим сжатием и изобарическим охлаждением (переходы рис. 6.3).

Рис. 6.2.

Рис. 6.3.

Любая точка над кривой насыщения соответствует жидкому состоянию или пересыщенному пару. Действительно, изотермическое сжатие насыщенного пара при отсутствии жидкости может и не сопровождаться конденсацией, тогда будут получены пересыщенные состояния. Пересыщенное состояние пара реализуется только в отсутствие центров конденсации (взвешенных капелек жидкости, твердых частиц или ионов). Пересыщенные состояния метастабильные (неустойчивые). Если в пересыщенный пар ввести центры конденсации, то излишек его массы по сравнению с массой насыщенного пара быстро сконденсируется. Обычно центры конденсации присутствуют, поэтому в эксперименте пересыщенное состояние можно получить на короткое время и только в результате быстрого охлаждения пара, например охлаждением паров воды адиабатическим расширением (рис. 2.10).

Если воздух очень тщательно очищен от пыли и других центров конденсации, то конденсация паров воды не наступает при пересыщениях до 400%. Пересыщенное состояние паров часто реализуется в высоких слоях атмосферы (пары воды, поднимаясь от Земли и охлаждаясь, могут на больших высотах становиться пересыщенными). Наблюдаемый в чистом небе белый след за летящим на большой высоте самолетом есть результат конденсации пересыщенных паров на частицах топлива, выбрасываемых двигателем.

Таким образом, часть изотермы 2, а на рисунке 6.3 может изображать как сжатие пересыщенного пара, так и сжатие жидкости.

Характерной особенностью кривой насыщения в координатах и является то, что она ограничена в области высоких температур. В конечной точке кривой насыщения жидкость и пар становятся тождественными по своим свойствам. Это явление можно проиллюстрировать опытом. На рисунке 6.11 изображен небольшой герметический стеклянный сосуд, частично заполненный жидкостью (примерно на объема). Если нагревать этот сосуд, то вещество в нем

Рис. 6.4.

будет изменять свое состояние вдоль кривой насыщения. Можно достигнуть такой температуры, при которой плотности обеих фаз станут равными, что можно фиксировать визуально по исчезновению границы раздела фаз. Такая температура называется критической (существование ее предсказал Менделеев еще в 1860 г.). Состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкостью и паром, называется критическим и характеризуется определенными критическими параметрами: и (критическая температура, критическое давление и критический мольный или удельный объем). На рисунке 6.3 конечная точка кривой насыщения К (критическая точка) соответствует критическому состоянию вещества. Начинается кривая в так называемой тройной точке о которой речь будет идти позднее.

На рисунке 6.4 показано, как изменяются плотности жидкости и насыщенного пара в зависимости от температуры. Плотность жидкости с повышением температуры уменьшается (верхняя ветвь кривой), а плотность пара растет (нижняя ветвь). Критическая точка К является общей для обеих ветвей, в этой точке плотности жидкости и пара равны (фазы тождественны).