НПСФ 2023, Специална тема — Задача 3. Фазова диаграма на водата

Пролетно национално състезание по физика, Варна, 5 март 2023 г. — Специална тема (седма възрастова група) · 5 март 2023 г. · 10 т.

Условие

Фазова диаграма (или диаграма на състоянията) на едно вещество се нарича диаграма, от която може да се разбере за това вещество при какви условия (температура и налягане) в кое агрегатно състояние то може да съществува в термодинамично равновесие. Също така от нея може да се разбере при какви условия може да се наблюдава преход от едно агрегатно състояние в друго. По-долу е дадена фазовата диаграма на водата.

На диаграмата по абсцисата е дадена температурата (в единици °C и K), а по ординатата – налягането (в единици Pa и bar, 1 bar = 1 atm = $1{\cdot}10^5$ Pa). Зоните на стабилност на различните агрегатни състояния (Solid = твърдо, Liquid = течно и Vapour = газ) са разделени една от друга с дебели линии. Ледът в твърдо състояние може да съществува в различни кристални модификации (полиморфизъм), които са номерирани с римски числа. Използвайки тази диаграма, отговорете на следните въпроси:

а) Вода кипи в плътно затворена тенджера под налягане. Температурата на водата е 150 °C. Колко е налягането в тенджерата? [1,5 т.]

б) Ефектен експеримент е кипене на водата при стайна температура. В стъклен прозрачен цилиндър, затворен с бутало, е налята вода. Буталото се издърпва, така че да се увеличи затворения обем, при което се понижава налягането на водните пари вътре в цилиндъра. При какво налягане в цилиндъра ще се наблюдава кипене на водата при 25 °C? [1,5 т.]

в) При какво минимално налягане водата може да съществува в твърдо състояние при 250 °C? [2 т.]

г) Колко е минималната температура, при която водата може да съществува в течно състояние? [1 т.]

д) Кубче лед се пуска в напълно вакуумиран цилиндър. Температурата на цилиндъра се поддържа -50 °C. Част от леда се изпарява (сублимира). Какво ще е установеното налягане на парите (нарича се налягане на наситените пари) на водата при тази температура? [2 т.]

е) На диаграмата при $p \approx 22$ MPa и $t \approx 374$ °C е отбелязана точка с име „Critical point“ – “Критична точка”. В тази точка „свършва“ кривата, разделяща газовото от течното състояние. Предположете какви са свойствата на водата в течно и газово състояние при тези условия. [2 т.]

Отговори

Решение

---

Оригинал в Архива: proletni_2023_STproblems.pdf · официални решения: proletni_2023_STsolutions.pdf