1.2.2.4. Диаграммы свойств

Если свойства системы (например, температура T, давление P, концентрация) измерены и не меняются самопроизвольно с течением времени, говорят, что система достигла состояния равновесия, определяемого данными свойствами. Равновесное состояние системы может быть воспроизведено в другой (аналогичной) системе и может быть однозначно определено набором свойств, представляющих собой функции состояния системы: этот принцип получил название постулата состояния. Из этого следует, в частности, что состояние однокомпонентной системы (системы, состоящей из одного чистого вещества) может быть представлено точкой на двумерной диаграмме, по осям которой отложены два независимых свойства. Пять основных свойств, обычно используемых при построении диаграмм свойств, включают: давление (P), температуру (T), удельный объем (v), удельную энтальпию (h) и удельную энтропию (s). Для системы, состоящей из двух (или более) веществ или фаз, вводится дополнительный параметр «качество» (X), отражающий состав системы. Чаще всего используются следующие виды диаграмм свойств: давление – температура (P–T), давление – удельный объем (P–v), температура – удельный объем (T–v), температура – энтропия (T–s), энтальпия – энтропия (h–s), а также диаграммы температура

– энтальпия (T–h), используемые в процессе пинч-анализа (см. раздел 2.12). Все эти диаграммы могут быть полезны для графического представления различных процессов. Кроме того, три первые диаграммы могут использоваться для иллюстрации соотношения между тремя фазами вещества.

Диаграммы температура – давление (фазовые диаграммы)

На фазовых диаграммах представлены равновесные состояния различных фаз системы, отличающихся друг от друга теми или иными термодинамическими свойствами.

На диаграмме P – T (рис. 1.5) для однокомпонентной системы двумерные области являются однофазными, т.е. соответствуют определенным фазам системы (твердой, жидкой или газообразной). В этих областях фазовое состояние однозначно определяется парой параметров – температурой и давлением.

Линии, отделяющие однофазные области друг от друга (границы раздела фаз), представляют состояния (определяемые давлением и температурой), при которых две фазы могут существовать в равновесии. При условии равновесия между фазами давление и температура не является независимыми переменными; состояние системы определяется значением одного интенсивного свойства (P или T). Линия, разделяющая области твердой и газообразной фазы, называется линией сублимации, области жидкой и газообразной фазы – линией испарения, твердой и жидкой фазы – линией плавления.

Все три границы раздела встречаются в тройной точке, где все три фазы могут сосуществовать в равновесии. В этом случае независимые переменные отсутствуют – условие равновесия трех фаз однозначно определяет температуру и давление.

Линия испарения заканчивается в критической точке. При давлениях и температурах, превышающих критическое, вещество находится в сверхкритическом состоянии, где не существует четкого различия между жидкой и газообразной фазой. Таким образом, при достаточно высоких давлениях и температурах жидкая и газообразная фаза становятся неразличимы. Для воды критические значения составляют примерно 647 K (374 °C) и 22,064 МПа. Состояние вещества, находящееся на диаграмме слева от линии испарения, описывается как сжатая жидкость, а справа – как перегретый пар.