Лекция: Диаграмма состояния воды

Диаграмма состояния (или фазовая диаграмма) представляет со­бой графическое изображение зависимости между величинами, харак-

теризующими состояние системы, и фазовыми превращениями в си­стеме (переход из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газооб­разное и т. д.).

Для однокомпонентных систем обычно используются диаграммы со­стояния, показывающие зависимость фазовых превращений от темпе­ратуры и давления; они называются диаграммами состояния в коорди­натах Р—t.

На рис. 10.1 приведена в схематической форме (без строгого соблю­дения масштаба) диаграмма состояния воды. Любой точке на диаграмме отвечают определенные значения температуры и давления.

Диаграмма показывает те состояния воды, которые термодинами­чески устойчивы при определенных значениях температуры и давле­ния. Она состоит из трех кривых, разграничивающих все возможные температуры и давления на три области, отвечающие льду, жидкости и пару.

Кривая ОА представляет зависимость давления насыщенного водя­ного пара от температуры: точки кривой показывают те пары значений температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар нахо­дятся в равновесии друг с другом. Кривая ОА называется кривой равно­весия жидкость — пар или кривой кипения.

Кривая ОС — кривая равновесия твердое состояние — жидкость, или кривая плавления, — показывает те пары значений температуры и давле­ния, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии.

Кривая ОВ — кривая равновесия твердое состояние — пар, или кри­вая сублимации. Ей отвечают те пары значений температуры и давления, при которых в равновесии находятся лед и водяной пар.

Все три кривые пересекаются в точке О. Координаты этой точки — это единственная пара значений температуры и давления, при которых в равновесии могут находиться все три фазы: лед, жидкая вода и пар. Она носит название тройной точки.

Тройная точка отвечает давлению водяного пара 0,610 кПа (4,58 мм рт. ст.) и температуре 0,0ГС.

Диаграмма состояния воды имеет значение при разработке техноло­гических режимов для получения пищевых продуктов. Например, как следует из диаграммы, если лед нагревается при давлении меньше чем 0,610 кПа (4,58 мм рт.ст.), то он непосредственно переходит в пар. Это является основой при разработке способов получения пищевых продук­тов сушкой замораживанием.

Одной из особенностей воды, отличающих ее от других веществ, яв­ляется понижение температуры плавления льда с ростом давления. Это обстоятельство отражается на диаграмме. Кривая плавления ОС на диаг­рамме состояния воды идет вверх влево, тогда как почти для всех других веществ она идет вверх вправо.

Превращения, происходящие с водой при атмосферном давлении, отражаются на диаграмме точками или отрезками, расположенными на горизонтали, отвечающей 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Так, плавление льда или кристаллизация воды отвечает точке' D, кипение воды — точке Е, нагревание или охлаждение воды — отрезку DE и т. п.