-->
|
|
|
Ãëàâíàÿ >> Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà. Òåðìîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10 êë. Ìÿêèøåâ |
|
Ãëàâà 6. Âçàèìíûå ïðåâðàùåíèÿ æèäêîñòåé è ãàçîâ § 6.4. Êðèòè÷åñêàÿ òåìïåðàòóðà. Êðèòè÷åñêîå ñîñòîÿíèå
Êðèòè÷åñêàÿ òåìïåðàòóðàÏðè äîñòàòî÷íî âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ ãîðèçîíòàëüíûé ó÷àñòîê èçîòåðìû ðåàëüíîãî ãàçà (ñì. ðèñ. 6.4) ñòàíîâèòñÿ ñîâñåì êîðîòêèì è ïðè íåêîòîðîé òåìïåðàòóðå îáðàùàåòñÿ â òî÷êó (íà ðèñ. 6.4 — òî÷êà Ê). Ýòó òåìïåðàòóðó íàçûâàþò êðèòè÷åñêîé. Êðèòè÷åñêîé íàçûâàåòñÿ òåìïåðàòóðà, ïðè êîòîðîé èñ÷åçàþò ðàçëè÷èÿ â ôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâàõ ìåæäó æèäêîñòüþ è ïàðîì, íàõîäÿùèìñÿ ñ íåé â äèíàìè÷åñêîì ðàâíîâåñèè. Êàæäîå âåùåñòâî èìååò ñâîþ êðèòè÷åñêóþ òåìïåðàòóðó. Íàïðèìåð, êðèòè÷åñêàÿ òåìïåðàòóðà äëÿ óãëåêèñëîòû ÑO2 ðàâíà tK = 31 °Ñ, à äëÿ âîäû — tK = 374 °Ñ. Êðèòè÷åñêîå ñîñòîÿíèåÑîñòîÿíèå, ñîîòâåòñòâóþùåå òî÷êå Ê, â êîòîðóþ îáðàùàåòñÿ ãîðèçîíòàëüíûé ó÷àñòîê èçîòåðìû ïðè òåìïåðàòóðå Ò = ÒK, íàçûâàþò êðèòè÷åñêèì ñîñòîÿíèåì (êðèòè÷åñêàÿ òî÷êà). Äàâëåíèå è îáúåì â ýòîì ñîñòîÿíèè íàçûâàþò êðèòè÷åñêèìè. Êðèòè÷åñêîå äàâëåíèå äëÿ óãëåêèñëîãî ãàçà ðàâíî 7,4 • 106 Ïà (73 àòì), à äëÿ âîäû 2,2 • 107 Ïà (218 àòì).  êðèòè÷åñêîì ñîñòîÿíèè æèäêîñòü èìååò ìàêñèìàëüíûé îáúåì, à íàñûùåííûé ïàð — ìàêñèìàëüíîå äàâëåíèå. Ïëîòíîñòü æèäêîñòè è åå íàñûùåííîãî ïàðà ïðè êðèòè÷åñêîé òåìïåðàòóðåÌû óæå îòìå÷àëè, ÷òî ïðè óâåëè÷åíèè òåìïåðàòóðû âîçðàñòàåò ïëîòíîñòü íàñûùåííîãî ïàðà (ñì. § 6.3). Ïëîòíîñòü æèäêîñòè, íàõîäÿùåéñÿ â ðàâíîâåñèè ñî ñâîèì ïàðîì, íàîáîðîò, óìåíüøàåòñÿ âñëåäñòâèå åå ðàñøèðåíèÿ ïðè íàãðåâàíèè.  òàáëèöå 2 ïðèâåäåíû çíà÷åíèÿ ïëîòíîñòè âîäû è åå íàñûùåííîãî ïàðà äëÿ ðàçíûõ òåìïåðàòóð. Åñëè íà îäíîì ðèñóíêå íà÷åðòèòü êðèâûå çàâèñèìîñòè ïëîòíîñòè æèäêîñòè è åå íàñûùåííîãî ïàðà îò òåìïåðàòóðû, òî äëÿ æèäêîñòè êðèâàÿ ïîéäåò âíèç, à äëÿ ïàðà — ââåðõ (ðèñ. 6.6). Ïðè êðèòè÷åñêîé òåìïåðàòóðå îáå êðèâûå ñëèâàþòñÿ, ò. å. ïëîòíîñòü æèäêîñòè ñòàíîâèòñÿ ðàâíîé ïëîòíîñòè ïàðà. Ðàçëè÷èå ìåæäó æèäêîñòüþ è ïàðîì èñ÷åçàåò.
Ãàç è ïàðÌû ìíîãî ðàç óïîòðåáëÿëè ñëîâà «ãàç» è «ïàð». Ýòè òåðìèíû âîçíèêëè â òå âðåìåíà, êîãäà ñ÷èòàëîñü, ÷òî ïàð ìîæåò áûòü ïðåâðàùåí â æèäêîñòü, à ãàç íåò. Ïîñëå òîãî êàê âñå ãàçû áûëè ñêîíäåíñèðîâàíû (ñì. § 6.7), äëÿ òàêîé äâîéñòâåííîé òåðìèíîëîãèè íå îñòàëîñü îñíîâàíèé. Ïàð è ãàç — ýòî îäíî è òî æå, ìåæäó íèìè ïðèíöèïèàëüíîé ðàçíèöû íåò. Êîãäà ãîâîðÿò î ïàðå êàêîé-íèáóäü æèäêîñòè, òî îáû÷íî èìåþò â âèäó, ÷òî åãî òåìïåðàòóðà ìåíüøå êðèòè÷åñêîé è ñæàòèåì åãî ìîæíî ïðåâðàòèòü â æèäêîñòü. Òîëüêî ïî ïðèâû÷êå ìû ãîâîðèì î âîäÿíîì ïàðå, à íå î âîäÿíîì ãàçå, î íàñûùåííîì ïàðå, à íå î íàñûùåííîì ãàçå è ò. ä. Ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå êðèòè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ
Ýêñïåðèìåíòû ïî èçó÷åíèþ êðèòè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ âûïîëíèë â 1863 ã. ðóññêèé ó÷åíûé Ì. Ï. Àâåíàðèóñ. Ïðèáîð, ñ ïîìîùüþ êîòîðîãî ìîæíî íàáëþäàòü êðèòè÷åñêîå ñîñòîÿíèå (ïðèáîð Àâåíàðèóñà), ñîñòîèò èç âîçäóøíîé âàííû (ðèñ. 6.7) è íàõîäÿùåéñÿ âíóòðè âàííû çàïàÿííîé ñòåêëÿííîé òðóáî÷êè (àìïóëû) ñ æèäêèì ýôèðîì. Îáúåì àìïóëû (åå âìåñòèìîñòü) ðàâåí êðèòè÷åñêîìó îáúåìó ýôèðà, íàëèòîãî â òðóáî÷êó. Ïðîñòðàíñòâî íàä ýôèðîì â àìïóëå çàïîëíåíî íàñûùåííûì ïàðîì ýôèðà. Ïðè ïîìîùè ãàçîâîé ãîðåëêè èëè äðóãîãî íàãðåâàòåëÿ âîçäóøíóþ âàííó ïîäîãðåâàþò. Çà ñîñòîÿíèåì ýôèðà íàáëþäàþò ÷åðåç ñòåêëÿííîå îêîøêî â ïðèáîðå. Ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå ìîæíî îò÷åòëèâî âèäåòü ãðàíèöó ìåæäó æèäêîñòüþ è ïàðîì (ðèñ. 6.8, à). Ïî ìåðå ïðèáëèæåíèÿ ê êðèòè÷åñêîé òåìïåðàòóðå îáúåì æèäêîãî ýôèðà óâåëè÷èâàåòñÿ, à ãðàíèöà ðàçäåëà æèäêîñòü — ïàð ñòàíîâèòñÿ ñëàáîâûðàæåííîé, íåóñòîé÷èâîé (ðèñ. 6.8, á). Ïðè ïîäõîäå ê êðèòè÷åñêîìó ñîñòîÿíèþ ãðàíèöà ìåæäó íèìè èñ÷åçàåò ñîâñåì (ðèñ. 6.8, â).
Ïðè îõëàæäåíèè ïîÿâëÿåòñÿ ïëîòíûé òóìàí, çàïîëíÿþùèé âñþ òðóáî÷êó (ðèñ. 6.8, ã). Ýòî îáðàçóþòñÿ êàïåëüêè æèäêîñòè. Äàëåå îíè ñëèâàþòñÿ âìåñòå, è îïÿòü âîçíèêàåò ãðàíèöà ðàçäåëà ìåæäó æèäêîñòüþ è ïàðîì (ðèñ. 6.8, ä). Äëÿ îïûòà âûáðàí ýôèð, òàê êàê îí èìååò ñðàâíèòåëüíî íèçêîå êðèòè÷åñêîå äàâëåíèå (îêîëî 36 àòì). Êðèòè÷åñêàÿ òåìïåðàòóðà åãî òîæå íåâåëèêà: 194 °Ñ. Åñëè ñæèìàòü ãàç, ïîääåðæèâàÿ åãî òåìïåðàòóðó âûøå êðèòè÷åñêîé (ñì. ðèñ. 6.4, èçîòåðìà Ò3), ïðè÷åì, êàê è ðàíüøå, íà÷àòü ñ î÷åíü áîëüøèõ îáúåìîâ, òî óìåíüøåíèå îáúåìà ïðèâåäåò ê âîçðàñòàíèþ äàâëåíèÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ óðàâíåíèåì ñîñòîÿíèÿ èäåàëüíîãî ãàçà. Îäíàêî åñëè ïðè òåìïåðàòóðå íèæå êðèòè÷åñêîé ïðè îïðåäåëåííîì äàâëåíèè ïðîèñõîäèëà êîíäåíñàöèÿ ïàðà, òî òåïåðü îáðàçîâàíèÿ æèäêîñòè â ñîñóäå íàáëþäàòüñÿ íå áóäåò. Ïðè òåìïåðàòóðå âûøå êðèòè÷åñêîé ãàç íåëüçÿ îáðàòèòü â æèäêîñòü íè ïðè êàêèõ äàâëåíèÿõ.  ýòîì è ñîñòîèò îñíîâíîå çíà÷åíèå ïîíÿòèÿ êðèòè÷åñêîé òåìïåðàòóðû. Äèàãðàììà ðàâíîâåñíûõ ñîñòîÿíèé ãàçà è æèäêîñòèÅùå ðàç âåðíåìñÿ ê ðèñóíêó 6.4, íà êîòîðîì èçîáðàæåíû èçîòåðìû ðåàëüíîãî ãàçà. Ñîåäèíèì âñå ëåâûå êîíöû ãîðèçîíòàëüíûõ ó÷àñòêîâ èçîòåðì, ò. å. òå òî÷êè, êîòîðûå ñîîòâåòñòâóþò îêîí÷àíèþ êîíäåíñàöèè íàñûùåííîãî ïàðà è íà÷àëó ñæàòèÿ æèäêîñòè. Ïîëó÷èòñÿ ïëàâíàÿ êðèâàÿ, îêàí÷èâàþùàÿñÿ â êðèòè÷åñêîé òî÷êå Ê. Íà ðèñóíêå 6.9 ýòî êðèâàÿ ÀÊ. Ñëåâà îò êðèâîé ÀÊ, ìåæäó íåé è êðèòè÷åñêîé èçîòåðìîé (ó÷àñòîê èçîòåðìû ÑÊ), ðàñïîëîæåíà îáëàñòü, ñîîòâåòñòâóþùàÿ æèäêîìó ñîñòîÿíèþ âåùåñòâà (íà ðèñ. 6.9 ýòà îáëàñòü âûäåëåíà ãîðèçîíòàëüíîé øòðèõîâêîé). Êàæäîé òî÷êå ýòîé îáëàñòè ñîîòâåòñòâóþò ïàðàìåòðû ð, V è Ò, õàðàêòåðèçóþùèå æèäêîñòü â ñîñòîÿíèè òåïëîâîãî ðàâíîâåñèÿ. Ñîåäèíèì òåïåðü ïëàâíîé êðèâîé âñå ïðàâûå êîíöû ãîðèçîíòàëüíûõ ó÷àñòêîâ èçîòåðì. Ýòà êðèâàÿ íà ðèñóíêå 6.9 òîæå çàêàí÷èâàåòñÿ â òî÷êå Ê. Äâå ëèíèè ÀÊ è ÂÊ îãðàíè÷èâàþò îáëàñòü, êàæäàÿ òî÷êà êîòîðîé ñîîòâåòñòâóåò ñîñòîÿíèþ ðàâíîâåñèÿ ìåæäó æèäêîñòüþ è íàñûùåííûì ïàðîì (íà ðèñ. 6.9 ýòà îáëàñòü âûäåëåíà âåðòèêàëüíîé øòðèõîâêîé). Çà èñêëþ÷åíèåì îáëàñòè æèäêîãî ñîñòîÿíèÿ è îáëàñòè ðàâíîâåñèÿ æèäêîñòè ñ ãàçîì âñÿ îñòàëüíàÿ îáëàñòü ñîîòâåòñòâóåò ãàçîîáðàçíîìó ñîñòîÿíèþ âåùåñòâà. Íà ðèñóíêå 6.9 îíà âûäåëåíà êîñîé øòðèõîâêîé.
 ðåçóëüòàòå ïîëó÷èëàñü äèàãðàììà ðàâíîâåñíûõ ñîñòîÿíèé ãàçà è æèäêîñòè. Êàæäîé òî÷êå íà ýòîé äèàãðàììå ñîîòâåòñòâóåò îïðåäåëåííîå ñîñòîÿíèå ñèñòåìû: ãàç, æèäêîñòü èëè ðàâíîâåñèå ìåæäó æèäêîñòüþ è ãàçîì.
|
|
|