Конденсация, формулы конденсации

Конденсацию делят на происходящую:

• в объеме;
• на поверхности.

Переход газа в жидкость

Допустим, что у нас имеется некоторая масса пара. При постоянном давлении будем понижать температуру этого пара. Температуру опусти ниже точки росы. При таких условиях должна образовываться смесь, состоящая из двух фаз, компонентами которой являются:

• жидкость,
• насыщенный пар.

Однако эмпирически установлено, что возникновение капель жидкости возможно только в случае присутствия в газе центров конденсации. Такими центрами конденсации становятся:

• пылинки;
• ионы газов;
• шероховатости поверхностей твердых тел и др.

Для паров, которые не контактируют ни с жидкостью, ни твердыми веществами способными к адсорбции, основным условием возникновения процесса конденсации является наличие центров конденсации.

Процесс конденсации является обратным к процессу испарения. При равенстве количества молекул, которые уходят из жидкости в пар, количеству молекул, возвращающихся из пара в жидкость говорят о состоянии динамического равновесия.

Температура называется критической, если она является максимальной и ниже нее возникает процесс конденсации.

Конденсация возможна из насыщенного и ненасыщенного пара.

Насыщенный пар

Теперь рассмотрим процесс сжатия паров воды или эфира.

На первом этапе давление газа будет увеличиваться. Данный рост давления будет идти до тех пор, пока давление не станет равным давлению насыщенного пара при заданной температуре.

Давление пара прекращает свой рост, начинается конденсация пара в жидкость. Объем, где происходит сжатие, содержит не одно вещество – газ, возникает граница вещества, находящегося в двух состояниях: жидкость – газ.

Используя метод, приведенный выше, ученым XIX века удалось превратить в жидкость ряд веществ, которые были известны только в газообразной фазе. Так получили жидкие хлор и углекислый газ, производя их сжатие при низкой температуре.

В системе, состоящей из двух фаз, жидкость и ее пар находятся в динамическом равновесии и при заданной температуре обладают определёнными плотностями и давлениями.

Пар имеет наименование насыщенный, так как его невозможно «уплотнить» при заданной температуре. При попытке увеличения давления часть насыщенного пара переходит в жидкую фазу.

Данный процесс идет в системе двух фаз при изменении ее объема.

Плотность насыщенного пара при температуре $T_1$ составит:

$\rho _{n1}=\frac{m}{V_1}\left(1\right),$

где $V_1$ - объем насыщенного пара при $T_1$.

При температуре $T_2$ плотность пара составит:

$\rho_{n2}=\frac{m}{V_2}\left(2\right).$

Если температура увеличивается ($T_1$

Плотность насыщенного пара растет с увеличением температуры.

Если температура системы увеличивается и приближается к некоторому критическому значению, разность плотностей жидкой и газообразных фаз уменьшается, и в некоторой критической точке плотности фаз становятся равными:

$\rho _{kr}=\frac{m}{V_{kr}}\left(3\right).$

Рисунок 1. Состояние насыщенного пара. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

На рис.1 имеется горизонтальный отрезок, соответствующий состоянию насыщенного пара. Поскольку отрезок горизонтален, то:

${\left(\frac{\partial p}{\partial V}\right)}_T=0\left(4\right)$

Формула (4) показывает, что на указанном отрезке давление (плотность) не зависит от объема. Данный факт свидетельствует о том, что при увеличении плотности частиц в некоторой области, не появляются силы давления, которые стремились бы уменьшить эту плотность. Поэтому в критическом состоянии флуктуации плотности велики.

В двухфазной системе газ – жидкость, конденсация возникает при весьма малых пересыщениях и проходит с большой скоростью. При этом формируется состояние подвижного равновесия фаз системы. Выделение теплоты при конденсации определяют при помощи уравнения Клайперона - Клаузиуса.

Пересыщенный пар

При отсутствии центров конденсации капли жидкости не возникают, пар переходит в метастабильное состояние – пересыщенный (или переохлажденный) пар.

Одним из вариантов получения пересыщенного пара является процесс изотермического уменьшения объема до давления, которое выше, чем давление насыщенного пара при заданной температуре. График, связывающий давление пересыщенного пара и его объем изображен на рис.1.

Теплота фазового перехода

В системе двух фаз, состояния вещества имеют одинаковую температуру. При уменьшении объема некоторая доля пара переходит в жидкость, при этом для поддержания температуры неизменной от системы должна отводится часть теплоты. Данная теплота расходуется на изменение фазового состояния вещества и именуется теплотой фазового превращения (скрытой теплотой перехода).

Фазовые переходы, которые происходят с поглощением или выделением скрытой теплоты перехода называют фазовыми переходами первого рода.

Конденсация является фазовым переходом первого рода.

Уравнение Клапейрона - Клаузиуса

Уравнение Клапейрона - Клаузиуса связывает давление, при котором находится в динамическом равновесии система двух фаз, и ее температуру.

$\frac{dp}{dT}=\frac{L}{T\left(V_1-V_2\right)}\left(5\right),$ где:

• $L$ - скрытая теплота фазового перехода;
• $V_2$ - объем жидкой фазы;
• $V_1$ - объем газообразной фазы.

Уравнение (5) дает возможность определить давление как функцию от температуры.

Данное уравнение было получено в 1834 году французским инженером – исследователем Б. П. Э. Клайпероном, который рассмотрел цикл с рабочим телом в виде системы двух фаз (жидкости и насыщенного пара). Р.Ю. Клаузиус данное уравнение получил теоретически на основании второго начала термодинамики.

Уравнение Клапейрона - Клаузиуса можно применять для описания всех фазовых переходов первого рода.

Для проведения интегрирования уравнения (5) необходимо определить какова связь между теплотой конденсации (испарения) и температурой.