Кривая нагревания воды

Выберем на поле льда диаграммы любую точку, расположенную выше тройной точки О и ниже критической точки К, и начнем нагревать лед. Так как опыт проводится при постоянном давлении, число степеней свободы подсчитывается по формуле.

Нагревание при постоянном давлении на диаграмме состояния отображается передвижением по горизонтальной прямой вправо в сторону поля жидкости (рис. 2.16, а). Прямая аб до пересечения с кривой плавления льда показывает интервал температур, в котором существует однофазная система с числом степеней свободы, равным единице:

Для представления результатов эксперимента построим график зависимости время — температура, откладывая на горизонтальной оси время, а на вертикальной — температуру (рис. 2.16, б).

Рис. 2.16. Фазовые переходы при нагревании воды при постоянном давлении:

а — диаграмма состояния воды; 6 — кривая нагревания воды от льда до газа; в — изменение температуры воды при нагревании; стрелки, исходящие из точек диаграммы состояния воды, показывают характер изменения температуры на кривой; масштаб не соблюден Пока повышается температура вдоль прямой аб по полю льда, он нагревается, но не плавится. В точке б на кривой зависимости температуры плавления от давления лед начинает плавиться. Начиная с этой температуры система становится двухфазной (лед и жидкость). Число степеней свободы в точке на этой кривой ОБ равно Теперь система не имеет степеней свободы, и это означает, что сколько бы теплоты ни подводилось к смеси воды и льда, температура ее будет оставаться постоянной (0°С), пока из жидкости не исчезнет последний мельчайший кусочек льда. На графике «время — температура» плавление льда представлено горизонтальной прямой 66 (к + ж), называемой площадкой. Площадка говорит о постоянстве температуры в системе и отсутствии степеней свободы.

После того как весь лед превратится в жидкую воду, подводимая в систему теплота расходуется на нагревание воды. На диаграмме состояния воды это соответствует продвижению вдоль прямой бв на поле жидкой воды. На графике нагревания кривая бв поднимается кверху, так как температура жидкости повышается. В этом интервале температур однофазная система имеет одну степень свободы:

Когда температура системы поднимется до температуры, соответствующей пересечению горизонтальной прямой бв на диаграмме состояния с кривой О К зависимости давления пара воды от температуры, начинается кипение воды и система становится двухфазной: ж + г. Число степеней свободы будет снова равно нулю:

На графике «время — температура» появился горизонтальный участок ж + г, площадка вв. Температура 100 °C остается постоянной до тех пор, пока не испарится (выкипит) последняя кайля жидкости.

Жидкая вода полностью перешла в газ. Подводимая теплота расходуется на нагревание газообразной воды, что на графике «температура — время» соответствует поднимающейся вверх прямой вг. Система имеет одну степень свободы. Дальнейшее повышение температуры воды приводит к реакциям разложения молекулы воды на водород и кислород и различные другие молекулы (например, ОН).

По длине площадки можно рассчитать энтальпию процесса, а, но углу наклона кривой — теплоемкость вещества.