Главная / Холодильные технологии / Фазовые (агрегатные) переходы веществ

Фазовые (агрегатные) переходы веществ

Состояние любого вещества в одном из агрегатных состояний (твердое, жидкое, газообразное) характеризуется определенными значениями различных физических величин. Некоторые из этих величин имеют простой и наглядный смысл и могут измеряться приборами. К ним относятся объем, плотность, температура, давление. Имеется ряд величин, не поддающихся непосредственному измерению. Их рассчитывают по формулам, используя значения простых измерительных величин. К этим условным величинам относятся внутренняя энергия вещества, теплота, энтальпия. Для холодильной техники одной из важнейших величин является теплота, так как важно знать, какое количество теплоты нужно отвести от продукта при охлаждении или замораживании.
Количество теплоты Q измеряют в джоулях (Дж) или кило¬джоулях (кДж): 1 кДж= 1000 Дж. Количество теплоты, подведенной или отведенной в единицу времени, называется тепловой нагрузкой. Тепловая нагрузка имеет размерность джоуль в секунду (Дж/с) и называется ватт (Вт). Для определения количества подведенной или отведенной теплоты необходимо знать, в каком агрегатном состоянии находится вещество. Важно знать, не изменяется ли его агрегатное состояние в процессе передачи теплоты.
Взяв в качестве примера воду (Н2О), следует помнить, что она может находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях (водяной пар).
Подвод теплоты к веществу в твердом агрегатном состоянии приводит к повышению температуры. Количество подведенной теплоты и повышение температуры вещества (Tкон-Тнач)можно определить по следующей формуле: 
Qт=mcT(Tкон-Тнач) 
где  — количество теплоты, Дж; m— масса вещества, кг; cT — удельная массовая теплоемкость твердого вещества, (Дж/кгК); Tкон-Тнач –конечная и начальная температура вещества соответственно, К. 
Удельная массовая теплоемкость является физической характеристикой каждого вещества. Этот коэффициент численно равен количеству теплоты, которое требуется для нагрева (или охлаждения)1 кг вещества на 1 К. Каждое вещество имеет свое значение удельной массовой теплоемкости с, причем одно и тоже вещество в разных агрегатных состояниях имеет разные значения. Для водного льда удельная массовая теплоемкость ст=2,095 кДж/(кгК), для воды сж= 4,190 кДж/(кгК), для водяного пара ст=1,87 кДж/(кгК).
На теплоемкость оказывают влияние давление (особенно в газообразном состоянии) и температура. Количество отведенной теплоты и понижение температуры вещества могут быть определены по этой же формуле.
Подводя теплоту к веществу в твердом агрегатном состоянии, можно повысить его температуру до некоторого значения, называемого температурой плавления. Эта температура различна для различных веществ. Например при нормальном атмосферном давлении температура плавления свинца ровна 327 0С, меди-1083 0С, льда- 0 0С.
Если к веществу продолжать подводить тепло, то вещество будет плавиться, т.е. превращение из твердого в жидкое, а температура его в процессе плавления остается постоянной. Теплота, получаемая веществом при переходе из твердого состояния в жидкое, расходуется на преодоление межмолекулярных сил притяжения. Молекулы получают большую свободу перемещений, вещество теряет свою жесткую форму, и образующаяся жидкость приобретает форму емкости, в которой она находиться.
Количество теплоты, необходимое для плавления 1 кг вещества, принято называть скрытой теплотой плавления. Эта величина является физической характеристикой каждого вещества и зависит от давления, при котором осуществляется процесс плавления.
Изменение агрегатного состояния происходит при одной и той же температуре, и в процессе плавления или затвердевания эта температура остается постоянной. Процесс плавления и затвердевания называют изотермическим процессом.
Количество теплоты, требуемое для плавления или затвердевания, может быть определенно по формуле:            Qт-ж= mrт-ж,
где Qт-ж - количество теплоты,Дж; m - масса вещества, кг; rт-ж
-скрытая теплота плавления при затвердевании, Дж/кг.
После того как все твердое кристаллическое вещество превратится в жидкость, подвод теплоты будет сопровождаться повышением температуры.
Количество теплоты, требуемое для повышения температуры вещества в жидком состоянии:
Qж = mСж(Ткон-Тнач), 
где Qж — количество теплоты, Дж; m —масса вещества, кг; сж — удельная массовая теплоемкость жидкости, Дж/(кгК); Tкон, Tнач — конечная и начальная температура жидкости соответственно, К.
Повышение температуры жидкости может происходить до определенного значения, после которого начинается интенсивное превращение жидкости в пар.
Температуру, при которой вещество из жидкого агрегатного состояния переходит в газообразное (парообразное), называют температурой насыщения, или температурой кипения. Жидкость при температуре насыщения называется насыщенной, а пар — насыщенным паром.
Температура насыщения (кипения) неодинакова для различных жидкостей и существенно зависит от давления. При нормаль¬ном атмосферном давлении вода кипит при температуре +100 °С, этиловый спирт (С2Н5ОН) — при +77 °С, аммиак (NН3) — при температуре -33 oС, а жидкий воздух — при температуре -192 °С. Уве¬личение давления пара над кипящей жидкостью приводит к по¬вышению температуры кипения, а снижение давления — к понижению температуры кипения.
Широко используемый в холодильной технике аммиак (NН3) при нормальном атмосферном давлении (примерно 0,1 МПа) кипит при температуре -33 °С. Понижение давления паров аммиака до 0,03 МПа приводит к снижению температуры кипения до -55 °С. С другой стороны, увеличение давления кипения аммиака до 1,0 МПа приводит к повышению температуры кипения до +25 °С.
Для перехода вещества из жидкого агрегатного состояния в парообразное необходимо большое количество энергии, в данном случае — теплоты. Количество теплоты, необходимой для превращения в пар 1 кг жидкости, называют скрытой теплотой парообразования. Эта величина является физической характеристикой вещества и различна для разных веществ. Она зависит от температуры и давления жидкости.
Количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар, определяется по формуле:
Qп = mrп, 
где Qп — количество теплоты, Дж; m— масса жидкости, rп-скрытая теплота парообразования, Дж/кг.
Аналогично процессу плавления, процесс кипения и превращения жидкости в пар осуществляется при постоянной температуре, т. е. это процесс изотермический.
Существует обратный процесс образованию пара из жидкости, Процесс превращения пара в жидкость получил название конденсации. Процесс конденсации осуществляется при той же температуре, что и кипение, и это также изотермический процесс. Количество теплоты, отводимой от пара при его конденсации, равно количеству теплоты, подведенной к жидкости при кипении (для одинаковой по массе жидкости и пара).
Пар, имеющий температуру выше температуры насыщения называется перегретым паром, и дальнейших фазовых превращений с ним не происходит.
Для нагрева или охлаждения перегретого пара необходимо следующее количество теплоты:
Qп = mСп(Ткон-Тнач), 
Где Qп — количество теплоты, Дж; m — масса пара, кг; сп — удельная массовая теплоемкость пара Дж/(кгК); Ткон,Тнач — конечная и начальная температура пара соответственно, К.
Зависимости, определяющие количества теплоты для нагрева (или охлаждения) твердого тела, жидкости или пара, одинаковы, но значения удельных массовых теплоемкостей (ст, сж и сп) будут различными даже для одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях.