ПЕРЕХОДЫ в СИСТЕМЕ ЖИДКОСТЬ — ПАР — ГАЗ

Рассмотрим изохорические, изобарические и изотермические процессы, при которых вещество переходит из одного состояния в другое (рис. 11.28). При изобарическом сжатии сопровождаемом охлаждением, вещество переходит из газообразного состояния «скачком» в жидкое, ,как только температура станет меньше критической. Такой же «скачкообразный» переход из газообразного состояния в жидкое имеет место и при изохорическом охлаждении 1 3. Однако если изобарическое сжатие производить при давлении, меньшем критического (изобара 4 5), то газ сначала переходит в ненасыщенный пар, затем становится насыщенным, а при дальнейшем сжатии (и охлаждении) постепенно конденсируется в жидкость. Изохорическое охлаждение 4-6 в отличие от производится при удельном объеме, большем, чем критический удельный объем; охлаждаемый газ проходит через область ненасыщенного пара, превращается в насыщенный и затем частично конденсируется. При изотермическом процессе 7—8—9—10 в исходном состоянии 7 имеется ненасыщенный пар; путем сжатия этот пар переводится в насыщенное состояние 8, затем происходит постепенная конденсация, которая заканчивается в точке на участке 9—10 производится изотермическое сжатие жидкости. Наконец, если изотермический процесс идет при температуре выше критической (участок 11—12), то вещество все время остается в газообразном состоянии; таким образом, путем изотермического сжатия нельзя превратить газ в жидкость, если температура этого процесса выше критического значения. Для сжижения газа необходимо охладить его до температуры ниже критической.

Если изотермический процесс (кривая 7—8—9—10 на рис. 11.28) производить с тщательно очищенным веществом, лишенным всяких посторонних примесей, и самый процесс вести достаточно медленно, то можно наблюдать так называемые метастабильные состояния (на рис. 11.29 участки 2—5, 3—7 и 9—10). На участке 2—5 вещество находится в парообразном состоянии и имеет ту же температуру, что и йасыщенный пар (точка Однако по мере удаления от точки 2 давление и плотность пара становятся больше, чем у насыщенного пара, поэтому участок 2—5 (за исключением точки 2) характеризует состояние пересыщенного пара. Это состояние не является устойчивым; при встряхивании или введении в объем сосуда посторонних тел, способствующих конденсации, часть пересыщенного пара превращается

в жидкость, а остальная часть — в насыщенный пар; вещество из точки 5 переходит в точку 6.

На участке 3—7 жидкость имеет одну и ту же температуру. Однако во всех точках этого участка, кроме точки 3, внешнее давление на жидкость меньше, чем давление насыщенного пара, соответствующее этой температуре. В таком состоянии вещество называется перегретой жидкостью, так как температура его оказывается выше температуры кипения.

Рис. 11.28

Рис. 11.29

Действительно, при переходе 3 7 внешнее давление на жидкость уменьшается и температура кипения понижается, однако жидкость, не закипая, сохраняет свою высокую температуру. Если бы в жидкости имелись посторонние тела (пузырьки воздуха и др.), способствующие кипению, то при проведении процесса в направлении 4-3, как только внешнее давление на нее сделалось бы равным давлению насыщенного пара (в точке 3), жидкость стала бы кипеть. При внесении таких тел в перегретую жидкость или при встряхивании ее часть жидкости быстро (почти со взрывом) испаряется; происходит переход 7-8.

Рис. 11.30

При достаточно низких температурах состояние перегретой жидкости может оказаться в области отрицательных внешних давлений, стремящихся увеличить объем жидкости, «растянуть» ее (участок 9—10 и точка 10 на рис. 11.29). Такое состояние можно, например, получить, если сосуд, заполненный тщательно очищенной жидкостью, медленно охлаждать (рис. 11.30, а). В этом случае силы, действующие на пограничные молекулы жидкости со стороны стенок сосуда, осуществляют «отрицательное внешнее давление», не позволяя жидкости уменьшить свой объем при охлаждении (рис. 11.30, б). При встряхивании связь между частицами жидкости и стенок сосуда нарушается и часть жидкости испаряется (рис. 11.30, в).