CC BY
14
i:I_IjI
Несис Е.И., Гулевский С.А.
«О зависимости величины теплоты фазового перехода от интенсивности перегрева...»
О ЗАВИСИМОСТИ ВЕЛИЧИНЫ ТЕПЛОТЫ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ОТ ИНТЕНСИВНОСТИ
ПЕРЕГРЕВА СИСТЕМЫ
Е.И. Несис, С.А. Гулевский
ON THE DEPENDENCE OF CHANGE OF PHASE HEAT ON THE SYSTEM OVERHEATING INTENSITY
Nesis E.I., Gulevsky S.A.
The paper contains the considerations demonstrating the fallibility of classical thermodynamics affirmation, which read that at predetermined temperature and pressure the heat value of O transfer is strictly definite. It is proved that O valuation except the mentioned parameters depends upon the intensity of heating or cooling of the two-phase system.
В статье приведены соображения, показывающие ошибочность утверждения классической термодинамики о том, что при заданных температуре и давлении величина теплоты фазового перехода O является строго определенной. Доказывается, что значение величины O, помимо упомянутых параметров зависит еще от интенсивности обогрева или охлаждения двухфазной системы.
Введение
Согласно общим положениям термодинамики фазовым переходом I рода называют скачкообразное изменение физических свойств тела при непрерывном изменении внешних параметров. Значения температуры Т и давления Р, при которых происходит фазовый переход, называют точкой перехода. Различают фазовые переходы двух родов.
При фазовых переходах I рода скачком меняется плотность вещества. Согласно классической термодинамике при этих переходах выделяется или поглощается определенное количество теплоты в расчете на единицу массы - это теплота фазового пере-
хода
Q = f ( р,Т ).
(1)
УДК 532.77
К фазовым переходам I рода относятся кипение и конденсация, плавление и затвердевание, сублимация и конденсация в твердую фазу. То есть фазовые переходы I рода - широко распространенное в природе явление.
Существенно, что в молекулярной физике общепринято считать величину Q при данных внешних условиях Р и Т строго неизменной для данного типа фазового перехода.
Однако при тщательном экспериментальном исследовании одного из типов фазовых превращений - процесса кипения жидкостей, установлено наличие некоторого разброса значений величины теплоты фазо-
38/2004
Вестник Ставропольского государственного университета
вого перехода Q при различных интенсивно-стях обогрева системы.
Излагаемый ниже результат проведенного нами теоретического анализа показывает, что величина теплоты фазового перехода I рода Q, помимо значений температуры и давления процесса, зависит еще и от интенсивности нагрева или охлаждения двухфазной среды.
1. Система жидкость-пар
Для простоты ограничимся рассмотрением однокомпонентной двухфазной системы жидкость-пар.
В состоянии термодинамического равновесия у обеих фаз, помимо равенства температуры Т и давления Р, у жидкости и пара равны удельные энтропии
5, = 52 . (2)
Заметим, кстати, что в подавляющем числе учебников по термодинамике или молекулярной физике утверждается: условием равновесия фаз является равенство энтропий обеих фаз
= 52. (3)
Но такое утверждение противоречит аддитивности энтропии, как функции термодинамического состояния любой физической системы.
Поскольку удельная энтропия 5 любой фазы представляет собой определенную функцию давления и температуры
5 = f (Р, Т), (4)
то геометрически это означает наличие в трехмерном пространстве +5, Р, Т) двух поверхностей 5, и 52, характеризующих зависимости от Р и Т удельных энтропий обеих фаз (рис. 1).
Понятно, что линия пересечения поверхностей 5, (р, Т) и 52 (р,Т) представляет собой линию фазового равновесия СБ. Каждой точке кривой СБ соответствует фазовое равновесие при соответствующих значениях РиТ.
2. Изобарическая система
Ограничиваясь для простоты рассмотрением фазовых переходов в изобарических системах при определенном значении дав-
Рис. 1. Пересечение двух поверхностей
5, (Р,Т) и 52 (р,Т) .
ления (Р0=сопз1;), мы получим двумерное пространство (5, Т), в котором каждой фазе соответствует своя энтропийная кривая -5,(7) для жидкости и 52(Т) - для пара (рис. 2).
Точка пересечения М этих кривых является точкой равновесия фаз (при избранном значении давления Р0). Точке М соответствует температура Т0, являющейся температурой термодинамического равновесия жидкости и пара.
Если менять температуру системы, то точка фазового равновесия М сместится вправо при нагреве - вдоль кривой 5] в точку М', а при охлаждении - влево вдоль 52 в точку М".
и_
Несис Е.И., Гулевский С.А. ДИ «О зависимости величины теплоты фазового перехода от интенсивности перегрева.»
Рис. 3. Зависимость процесса от интенсивности воздействия.
Рассмотрим теперь процессы кипения и конденсации в двухфазной среде - вода-пар (рис. 3).
Пусть в начальный момент времени вода была немного недогрета и состоянию системы соответствовала точке А" на кривой При равновесном нагревании воды ее температура будет повышаться и точка А" будет двигаться вправо вдоль энтропийной кривой воды к точке М. При дальнейшем подогреве системы вода будет перегреваться, и точка А продолжит дальнейшее смещение вправо от точки равновесия М. Скорость движения точки А вдоль зависит от интенсивности обогрева воды, поэтому конечная точка смещения А' окажется тем более удаленной от М, чем больше удельная теплота перегрева Q. В итоге система в точке А' оказывается неравновесной, поскольку энтропия воды 5, ниже энтропии пара 52.
По принципу Ле Шателье-Брауна в такой системе возникают процессы, направленные на ослабление ее неравновесности. В рассматриваемом случае таким процессом может служить процесс кипения, то есть фазовый переход точки жидкого состояния А' с кривой 5, на кривую 52 в состояние пара (точка В). Но чтобы такой процесс мог реально осуществиться, вода должна получить энергию в виде теплоты
а = Т*(52 - 5,) , (5)
где Т* - температура, соответствующая конечному состоянию перегретой жидкости (точка В).
Учтем теперь, что чем интенсивнее обогревалась вода, то есть чем больше количество теплоты, получаемое системой в единицу времени, тем значительнее температура фазового превращения Т* по сравнению с температурой фазового равновесия Т0, соответственно тем больше оказывается разность удельных энтропий 52-5, обеих фаз (отрезок А'В) и тем значительнее оказывается величина теплоты кипения.
С аналогичным явлением мы встречаемся при процессе конденсации пара, когда начальному состоянию системы соответствовала точка В. При охлаждении пара точка В смещается влево по энтропийной кривой 52 и достигает конечной точки А". В результате произойдет фазовый переход - конденсация пара в воду и выделение теплоты
а = Т**(52 - 5,). (6)
Вывод
Из изложенного следует, что величина теплоты фазовых переходов, вопреки сложившимся представлениям, зависит не только от рода вещества и термодинамических параметров Р и Т, но и от интенсивности перегрева или охлаждения двухфазной системы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Физический энциклопедический словарь. - М., 1983. - С. 800.
2. Кикоин И.К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. -М.: Физматгиз, 1963.
3. Базаров И.П. Термодинамика. - М.: Высш. шк., 1991.-376 с.
4. Квасников И.А.Термодинамика и статистическая физика. Т. 1: Теория равновесных систем: Термодинамика. - Т. 1. 2002. - 240 с.
5. Зоммерфельд А. Термодинамика и статистическая физика. - М.: Изд-во иностр. лит., 1955. - 480 с.
Об авторах
Несис Ефим Изральевич, доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, профессор-консультант кафедры теоретической физики СГУ, автор более 250 научных работ, в т.ч. М книг.
Гулевский Сергей Александрович, аспирант кафедры теоретической физики СГУ, завершающий оформление кандидатской диссертации, посвященной исследованию фазовых переходов первого рода.
