Диаграммы термодинамического состояния веществ

Практически все однокомпонентные вещества могут, как и вода, находиться в твердом, жидком и парообразном (газообразном) агрегатных равновесных состояниях. Существуют также равновесные состояния, когда объем, заполненный данным веществом, частично заполнен этим веществом в одном агрегатном состоянии (например, жидкость), а частично - в другом агрегатном состоянии (например, пар). В общем случае (см. рис 1-4) можно наблюдать равновесное сосуществование твердого и жидкого агрегатных состояний данного вещества, жидкости и пара, твердого состояния и пара и даже (тройная точка Т) всех трех состояний одновременно. На рис.1-4 в координатах “давление-температура” схематично показано расположение соответствующих областей агрегатных состояния и указаны линии фазовых переходов, их разделяющие:1- область твердых состояний, 2 – область жидких состояний, 3- область перегретого пара (газа). Эти области состояний разделены тремя линиями фазовых переходов, расходящихся от тройной точки: линии плавления-затвердевания (граница областей 1 и 2), кипения-конденсации (граница 2/3) и сублимации-десублимации (граница 1/3).

Рис.1-4.Схематичное изображение рТ-диаграммы произвольного вещества.

В состояниях, попадающих на линию фазовых переходов, вещества сосуществуют в двух соприкасающихся фазах. Каждое рабочее тело имеет свою тройную точку, но ее параметры у разных тел различны. Например, для воды ее параметры равны 0,01⁰С и 611,657 Па (или 4,58743 мм рт.ст.)

Отсюда, в частности, сублимационная сушка пищевых продуктов и других материалов возможна лишь в условиях вакуума, обеспечивающего абсолютное давление водяных паров ниже тройной точки.

Линию кипения-конденсации называют также линией равновесия пар-жидкость. Она ограничена сверху состоянием, обозначенным точкой К - критической точкой. Для воды параметры критической точки равны 373,946⁰С и 22,064 МПа. При закритических давлениях поверхность раздела “жидкость-пар” отсутствует, отсутствуют и явления кипения и конденсации.

Само существование линии кипения-конденсации показывает, что каждому давлению соответствует своя температура кипения-конденсации. Эту температуру называют температурой насыщения при данном давлении. Или говорят о давлении насыщения при данной температуре. Жидкость в этом состоянии называют насыщенной жидкостью, или жидкостью в состоянии насыщения. А сосуществующий с насыщенной жидкостью пар называют насыщенным паром.

Для воды переход жидкость-пар осуществляется при температуре ровно 100⁰С, если и только если давление равно 1,01325 бар = 760 мм рт.ст. При более высоких давлениях будет выше и температура насыщения.. Зависимость между давлением и температурой на линии насыщения определяется экспериментально и отражена в соответствующих таблицах насыщенных состояний, формулах или диаграммах состояния. Такие данные имеются для всех рабочих тел - воды, воздуха и других газов. Нужно научиться находить эти данные и пользоваться ими[2].

Рис.1-5. Изотермы и границы области влажного пара в pv-диаграмме

Если кипение и конденсация совершаются при постоянстве давления, соответственно при постоянном значении температуры насыщения, то cущественно изменяются другие параметры состояния рабочего тела - v, h, s. Изменяется также соотношение между количеством насыщенной жидкости и количеством насыщенного пара, сосуществующих друг с другом в течение процессов кипения-конденсации. Образующаяся в процессах кипения или конденсации равновесная смесь насыщенного пара с насыщенной жидкостью называется влажным паром. Массовая доля насыщенного пара во влажном паре называется степенью сухости и обозначается буквой х. Очевидно,что х=0, если влажный пар состоит только из насыщенной жидкости (начало кипения или конец конденсации). В другом крайнем случае (начало конденсации или конец кипения) влажный пер состоит только из насыщенного пара и его степень сухости х=1. В этом состояниипарназывается сухим насыщенным. Таким образом, в pt-диаграмме каждая точка на линии насыщения обозначает множество промежуточных состояний с одинаковыми давлением и температурой, но с различной степенью сухости х, соответственно различиями в значениях v, h, s. Для графического выявления этих различий используют диаграммы с другими осями координат, а именно: p-v, T-s, h-s, p-h.