Разделы 
Дополнительно
Задача по физике - 10419
2019-05-11 
Контейнер с прочными стенками наполовину заполнен водой. Другая половина содержит воздух, температура и давление которого первоначально нормальные. Контейнер закрывают и медленно нагревают. Когда закипит вода в контейнере? В каком(их) состоянии(ях) находится вода при повышении температуры?
Решение:
Вода будет испаряться в закрытом контейнере, пока пар в пространстве над водой не станет насыщенным. Полное давление над жидкостью является суммой давлений насыщенного пара и воздуха, находящегося в контейнере, т.е. оно всегда выше, чем давление одного пара. Это означает, что вода не может начать кипеть при любой температуре.
Если контейнер достаточно прочный, он может противостоять большому повышению температуры. До какой же температуры жидкая вода все еще могла бы находиться в контейнере? Таблицы данных для насыщенного водяного пара показывают нам, что критическая температура воды равна $374,2^{ \circ} С$, а ее критическая плотность составляет $326,2 кг/м^{3}$. Это означает, что вся вода не может испариться прежде, чем будет достигнута критическая точка С (рис.). Иначе плотность воды в контейнере должна была бы быть около $500 кг/м^{3}$. Действительно, странное изменение состояния происходит при более низких температурах! Плотность воды равна $500 кг/м^{3}$ приблизительно при $365^{ \circ} С$, а плотность насыщенного пара при этой температуре равна $160 кг/м^{3}$. Это означает, что при $365^{ \circ} С$ жидкая вода заполняет весь контейнер. Объясняется это тем, что в этом диапазоне температур плотность воды уменьшается быстрее, чем увеличивается плотность водяного пара.
При температурах более $365^{ \circ} С$ вода в контейнере остается в жидком состоянии, но ее давление увеличивается. Как показано на рисунке, система уходит от кривой кипения и продолжается над ней, в области фазовой диаграммы, соответствующей жидкой фазе. Термины «жидкость» и «пар» теряют свое значение выше критической температуры; строгое применение терминологии подразумевало бы, что вода находится в газообразном состоянии.
А что происходит с воздухом в контейнере? При соответствующем температурном диапазоне $360-380^{ \circ} С$ его давление составляет около 200-300 атм. При таком давлении часть воздуха растворена в воде, а остальная часть сжата в очень маленькие пузырьки, заполняющие Только 0,1-0,2 % объема контейнера. Таким образом, воздух не оказывает никакого значимого воздействия на состояние воды.
Контейнер с прочными стенками наполовину заполнен водой. Другая половина содержит воздух, температура и давление которого первоначально нормальные. Контейнер закрывают и медленно нагревают. Когда закипит вода в контейнере? В каком(их) состоянии(ях) находится вода при повышении температуры?
Решение:
Вода будет испаряться в закрытом контейнере, пока пар в пространстве над водой не станет насыщенным. Полное давление над жидкостью является суммой давлений насыщенного пара и воздуха, находящегося в контейнере, т.е. оно всегда выше, чем давление одного пара. Это означает, что вода не может начать кипеть при любой температуре.
Если контейнер достаточно прочный, он может противостоять большому повышению температуры. До какой же температуры жидкая вода все еще могла бы находиться в контейнере? Таблицы данных для насыщенного водяного пара показывают нам, что критическая температура воды равна $374,2^{ \circ} С$, а ее критическая плотность составляет $326,2 кг/м^{3}$. Это означает, что вся вода не может испариться прежде, чем будет достигнута критическая точка С (рис.). Иначе плотность воды в контейнере должна была бы быть около $500 кг/м^{3}$. Действительно, странное изменение состояния происходит при более низких температурах! Плотность воды равна $500 кг/м^{3}$ приблизительно при $365^{ \circ} С$, а плотность насыщенного пара при этой температуре равна $160 кг/м^{3}$. Это означает, что при $365^{ \circ} С$ жидкая вода заполняет весь контейнер. Объясняется это тем, что в этом диапазоне температур плотность воды уменьшается быстрее, чем увеличивается плотность водяного пара.
При температурах более $365^{ \circ} С$ вода в контейнере остается в жидком состоянии, но ее давление увеличивается. Как показано на рисунке, система уходит от кривой кипения и продолжается над ней, в области фазовой диаграммы, соответствующей жидкой фазе. Термины «жидкость» и «пар» теряют свое значение выше критической температуры; строгое применение терминологии подразумевало бы, что вода находится в газообразном состоянии.
А что происходит с воздухом в контейнере? При соответствующем температурном диапазоне $360-380^{ \circ} С$ его давление составляет около 200-300 атм. При таком давлении часть воздуха растворена в воде, а остальная часть сжата в очень маленькие пузырьки, заполняющие Только 0,1-0,2 % объема контейнера. Таким образом, воздух не оказывает никакого значимого воздействия на состояние воды.
