Глава 4. Химическая термодинамика

Модель 6.9.  Испарение и конденсация воды

Моделируются процессы конденсации (испарения) для паров воды вблизи температуры кипения при изотермическом сжатии (расширении). Демонстрируется зависимость температуры кипения от внешнего давления. Численные значения параметров газа выводятся на экран и указываются на графике в координатах (P, V).

Любое вещество может находится в различных состояниях (фазах) – твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое называют фазовым переходом. Испарение и конденсация являются примерами фазовых переходов. Все реальные газы способны при определенных условиях превращаться в жидкость. Поэтому изотермы реальных газов сильно отличаются от изотерм идеальных газов.

В закрытом сосуде жидкость и ее пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара. Такую систему называют двухфазной. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным. Давление насыщенного пара P_s (T) зависит только от его температуры и не зависит от его объема. Поэтому изотермы реального газа на плоскости P, V содержат горизонтальные участки, соответствующие двухфазной системе.

Кипением называют процесс, при котором по всему объему жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые всплывают на поверхность. Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках равно давлению в жидкости. При нормальном атмосферном давлении P = 1,01·10⁵ Па вода кипит при температуре 373 К (100 °C). При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому понижается температура кипения воды (приблизительно на 1 °C на каждые 300 метров высоты). На высоте 7∙10³ м давление составляет примерно 0,4∙10⁵ Па, и температура кипения воды понижается до 70 °C.

В герметически закрытом сосуде жидкость кипеть не может. При каждом значении температуры в сосуде устанавливается равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. По кривой равновесия P_s (T) можно определить температуры кипения жидкости при различных давлениях.

В данной компьютерной модели можно выбирать температуру T, при которой происходит процесс изотермического расширения или сжатия. Приводится график зависимости P (V), на котором имеется горизонтальный участок – двухфазная область. Выводится энергетическая диаграмма, на которой указываются подводимое количество теплоты Q, совершаемая работа A и изменение ΔU внутренней энергии в процессе изотермического расширения (сжатия) паров воды. С помощью модели вы можете убедиться, что в двухфазной области давление пара не зависит от его объема. Это давление и называется давлением насыщенного пара (горизонтальный участок на изотерме).