Равновесие фаз чистого вещества

8 заданий

Давление пара и кипение

В горах на высоте 3 км вода кипит уже при 90 °C, и сварить в ней яйцо вкрутую непросто. В скороварке, наоборот, вода кипит при 120 °C, и еда готовится вдвое быстрее. Почему температура кипения зависит от давления?

Над жидкостью в закрытом сосуде устанавливается равновесие с паром; давление этого пара — давление насыщенного пара — растёт с температурой. Жидкость кипит, когда давление её пара сравнивается с внешним: пузырьки пара внутри жидкости перестают схлопываться. При 101,3 кПа вода кипит при 100 °C — это нормальная температура кипения; при меньшем давлении кипение наступает раньше.

infoИспарение и кипение

Испаряется жидкость при любой температуре — с поверхности. Кипение — испарение во всём объёме; оно идёт, только когда давление пара равно внешнему.

Фазовая диаграмма

Всю картину даёт фазовая диаграмма — карта в координатах температура — давление:

области — одна фаза (твёрдое, жидкость, газ);
линии — равновесие двух фаз: кривая кипения (жидкость — пар), кривая плавления, кривая возгонки (твёрдое — пар);
тройная точка — сосуществуют все три фазы; у воды 0,01 °C и 0,611 кПа;
критическая точка — кривая кипения обрывается; выше неё граница жидкость — газ исчезает (у воды 374 °C, 221 бар).

Фазовая диаграмма воды (схема, давление в логарифмическом масштабе): при 1 атм нагревание проводит лёд через плавление и кипение; ниже тройной точки лёд сразу возгоняется

Двигаясь по горизонтали (давление постоянно), пересекаем линии — это фазовые переходы при нагревании. У воды линия плавления наклонена влево: лёд менее плотен, чем вода, и давление слегка понижает температуру плавления.

infoИз истории

Критическую точку открыл французский инженер Шарль Каньяр де ла Тур в 1822 году: он нагревал спирт в запаянном стволе ружья, а потом в стеклянной трубке и увидел, что при определённой температуре граница жидкости и пара исчезает. Термин «критическая температура» ввёл ирландец Томас Эндрюс (1869), подробно изучивший углекислый газ.

lightbulbИнтересное применение

Выше критической точки (для \(\ce{CO2}\) — 31 °C и 74 бар) вещество — сверхкритический флюид: плотный, как жидкость, и текучий, как газ. Сверхкритическим углекислым газом извлекают кофеин из кофейных зёрен: после сброса давления растворитель улетучивается без следа.

Необычная вода

Почти у всех веществ твёрдая фаза плотнее жидкой, и линия плавления наклонена вправо: давление повышает температуру плавления. Вода — исключение: лёд с его ажурной сеткой водородных связей на 9 % менее плотен, чем вода. Поэтому лёд плавает, водоёмы замерзают сверху, а давление слегка понижает температуру плавления льда — на 0,0074 К на каждый бар (количественно — урок 64).

errorНе всё объясняется давлением

Под коньком давление велико, но понижение температуры плавления — лишь доли градуса. Скольжение объясняют в основном тонкой жидкоподобной плёнкой на поверхности льда и нагревом от трения.

push_pinГлавное

Жидкость кипит, когда давление её насыщенного пара равно внешнему. На фазовой диаграмме области — одна фаза, линии — равновесие двух фаз, тройная точка — всех трёх, выше критической точки жидкость и газ неразличимы. Ниже давления тройной точки твёрдое вещество не плавится, а возгоняется; у воды линия плавления наклонена влево — лёд менее плотен, чем вода.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.