Цель работы: изучение фазовых переходов испарение–конденсация; определение зависимости давления насыщенного пара от температуры.
В 1860-е гг. английский ученый Т. Эндрюс детально исследовал свойства углекислого газа при различных давлениях и температурах. Если сжимать газ при постоянной температуре, то давление газа сначала будет уменьшаться, однако, начиная с некоторого значения V2, оно остается постоянным, однако в сосуде начнет появляться жидкость. По мере сжатия вещества количество газа (пара) будет уменьшаться, а количество жидкости увеличиваться. При объеме V1 все вещество превратится в жидкость. Экспериментальная зависимость давления газа от объема при постоянной температуре (изотерма Эндрюса) приведена на рис. 1.
Постоянное, не изменяющееся с объемом давление pн, при котором сосуществуют пар и жидкость, называют давлением насыщенного пара. Давление насыщенного пара зависит от температуры. Действительно, при повышении температуры увеличивается число испаряющихся молекул, т.е. чтобы пар остался равновесным, должно увеличиться и число влетающих из пара в жидкость молекул, а для этого должны увеличиться плотность и давление пара.
Если проделать опыт при более высокой температуре, то кривая зависимости давления от объема пойдет выше, в частности, увеличится давление насыщенного пара рн. Кроме того, объем вещества в газообразном состоянии V2 уменьшится (т.е. плотность насыщенного пара увеличится), а объем вещества в жидком состоянии V1 увеличится (жидкость расширяется при нагревании). Таким образом, длина горизонтального участка изотермы с повышением температуры уменьшится.
Эндрюс обнаружил, что существует температура, при которой горизонтальный участок изотермы стягивается в точку (критическая температура Тк). При критической температуре объемы (т.е. и плотности) вещества в жидком и газообразном состояниях становятся одинаковыми, т.е. фактически исчезает всякое различие между жидкостью и газом. При этой температуре обращается в нуль теплота испарения и поверхностное натяжение на границе жидкости и пара. Критической температуре соответствуют также вполне определенные для данного вещества значения давления pк и объема Vк, называемые критическими.
При температуре выше критической тепловое движение настолько сильно, что вещество может существовать только в газообразном состоянии при как угодно высоких давлениях и плотностях. Конечно, в принципе можно сжать газ до высоких плотностей, но при снятии нагрузки молекулы вещества мгновенно разлетаются, занимая весь предоставленный им объем, как и положено молекулам газа. Отсюда ясно, почему до работ Эндрюса исследователи не могли получить в жидком состоянии такие вещества, как азот, кислород, водород и некоторые другие, даже сжимая их до очень высоких давлений, – просто у этих веществ низкая критическая температура (150 К и ниже), и поэтому для сжижения их нужно сильно охлаждать.
Молекулы в любом веществе взаимодействуют друг с другом: отталкиваются на малых расстояниях и притягиваются на больших. Ясно, что критические параметры зависят от взаимодействия молекул друг с другом.
Для превращения жидкости в пар при постоянной температуре необходимо сообщить жидкости дополнительное количество теплоты q, а при обратном процессе конденсации пара эта теплота поглощается. Эта дополнительная теплота называется скрытой теплотой парообразования, в процессе испарения она расходуется на преодоление сил межмолекулярного притяжения в жидкости.
Существуют фазовые переходы, похожие по своим свойствам на превращение газ–жидкость. К таким переходам относятся все переходы между агрегатными состояниями, например, плавление или возгонка, и некоторые другие. Эти переходы, называемые переходами рода, обладают следующими общими свойствами:
1. Фазы, между которыми происходит фазовый переход, могут находиться в состоянии равновесия друг с другом.
2. Состояния, между которыми осуществляется фазовый переход, сильно отличаются по своим свойствам: в этих состояниях у вещества различаются плотности, степень хаотичности молекулярного движения и другие свойства.
3. При переходах первого рода наблюдается скачок плотности (или объема).
4. Такие переходы начинаются с образования зародышей новой фазы внутри старой. Затем эти зародыши растут до тех пор, пока все вещество перейдет в новое состояние.
5. Если процесс роста зародышей подавлен, то вещество может достаточно долго находиться в состоянии, нехарактерном для новых внешних условий (его называют метастабильным). Например, хорошо очищенную и многократно прокипяченную воду в хорошем сосуде можно нагреть до температуры 105 градусов, и она не закипит.
6. Для всех таких переходов существует скрытая теплота, связанная с сильным различием свойств состояний. Скрытая теплота положительна, если переход осуществляется из более упорядоченного в более хаотичное состояние и наоборот. Например, скрытая теплота плавления положительна, а теплота кристаллизации отрицательна.