Равновесие жидкости и насыщенного пара

Рассмотрим процесс сжатия вещества при постоянной температуре. Первоначально вещество предполагается газообразным. Вначале, по мере уменьшение объема, давление газа будет расти (рис.1.9). По достижении объема V _г давление перестает изменяться, а вещество перестает быть однородным – часть газа конденсируется в жидкость. Происходит расслоение вещества на две фазы: жидкую и газообразную. По мере дальнейшего уменьшения объема всё большая часть вещества переходит в жидкую фазу, причем переход осуществляется при постоянном объеме р _н.п (давление насыщенного пара). После того как процесс конденсации заканчивается (это происходит при достижении объема V _ж), дальнейшее уменьшение объема начинает сопровождаться быстрым ростом давления.

На рис.1.9 V _г есть объем, занимаемый веществом в газообразном состоянии при давлении р _н.п, V _ж – объем вещества в жидком состоянии при том же давлении. При любом промежуточном значении объема часть вещества с массой m_ж будет находиться в жидком, а m_п – в парообразном состоянии. Найдем отношение . Назовем удельным объемом объем единицы массы вещества. Тогда, если масса вещества равна m, удельные объемы насыщенного пара и жидкости при давлении насыщенного пара будут равны:

(1.76)

В состоянии, при котором масса жидкой фазы равна m _ж, а масса пара m _п, на долю жидкости будет приходиться объем V’ _ж m _ж, а на долю насыщенного пара – объем V’ _п m _п. В сумме оба эти объема должны быть равны объему V

V=V’ _ж m _ж +V’ _п m _п.

Подставив сюда выражение (1.76) для удельных объемов и заменив массу m суммой m _ж + m _п получим:

,

отсюда

. (1.77)

Таким образом, отношение масс жидкости и насыщенного пара в двухфазном состоянии равно отношению отрезков, на которые делит горизонтальный участок изотермы точка, изображающая состояние.

Отметим, что при температурах, далеких от критической, различий между объемами жидкости и пара бывает намного больше. Например, удельный объем насыщенного водяного пара при 100˚C в 1600 раз превышает удельный объем жидкой воды при той же температуре.

Итак, на диаграмме состояниям равновесия между жидкостью и насыщенным паром соответствует горизонтальный участок изотермы. Этот результат является общим для всех двухфазных состояний. Соотношение, аналогичное (1.77), имеет вид:

(m₁ и m₂ – массы вещества в первой и второй фазах).