Известно, что любое вещество в зависимости от давления и темпера­туры может находиться в различных агрегатных состояниях (твердой, жидкой и газообразной фазах). Типовая диаграмма состояний в коорди­натах р и Т представлена на рис. 52. Кривыми линиями изображены гра­ницы между различными фазами (кривые равновесия фаз), соответству­ющие давлениям и температурам, при которых из одной фазы в другую переходит одинаковое число молекул. При этом кривая СК выражает

Рис. 52. Типовая диаграмма состояний

зависимость от температуры давления насыщенного пара над жидкостью; кривая АС — давления насыщенного пара над твердым телом, кривая ВС — температуры плавления от давления. Например, при давлении р\ и температуре Т1 будет наблюдаться равновесие твердой 1 и газообраз­ной 2 фаз. Если при той же температуре Тг давление понизить, то начнет­ся переход твердой фазы в газообразную. Этот процесс называется возгон­кой или сублимацией („сублимаре" — возносить). Аналогично на грани­це ВС происходит плавление твердой фазы (кристаллизация жидкой фа­зы 5), а на границе СК — кипение жидкой фазы (конденсация газообраз­ной фазы). Необходимо отметить также две особые точки. Тройная точ­ка С, находящаяся на пересечении всех трех кривых равновесия фаз, ха­рактеризует состояние вещества, когда находятся в равновесии одновре­менно твердая, жидкая и газообразная фазы. Критическая точка А" соот­ветствует критической температуре Тк и критическому давлению рк, при которых теряется всякое различие между жидкостью и ее паром, а граница между ними исчезает.

Указанные выше кривые равновесия фаз и тройная точка использу­ются в косвенных методах определения давления по результатам изме­рения температуры в равновесных точках (в области температурных измерений, наоборот, температура определяется по результатам измере­ния давления).

Диаграмма состояний дает наглядное представление о выборе того или иного фазового перехода в зависимости от определяемого давления. Кривая плавления ВС немного отклоняется от вертикали к оси абсцисс, т. е. температура плавления имеет небольшую чувствительность к давле­нию. Так, температура плавления льда изменяется на 1 К при изменении давления на 13 МПа (следует отметить, что в отличие от большинства веществ температура плавления льда понижается при повышении давле­ния — штриховая линия СВ на рис. 52). Поэтому кривые плавления ис­пользуются в косвенных методах определения высоких и сверхвысо­ких давлений. Процесс сублимации (кривая Л С) происходит, как прави­ло, при низких температурах и давлениях, что позволяет его использо­вать при определении давления в области вакуумных измерений. И, на­конец, фазовый переход жидкость—пар (кривая СК) наиболее удобен для области средних давлений. Помимо указанного, при выборе того или иного фазового перехода необходимо учитывать физические свой­ства применяемого вещества.

В области измерения высоких и сверхвысоких давлений его значение воспроизводится по кривой плавления ртути, полузмпирическое уравне­ние которой получают по результатам исследований сравнением с эталон­ным поршневым манометром. Это позволяет построить непрерывную шкалу давлений, по которой градуируются средства измерений высоких и сверхвысоких давлений низшей точности.

К контрольному вопросу № 9

Вы ответили неверно. В жидкостном манометре измеряе­мое давление определяется высотой столба жидкости. В ком­прессионном манометре измеряемое давление предварительно многократно увеличивается в отношении объема сосуда к объе­му капилляра (закон Бойля-Мариотта), что в основном н опре­деляет принцип действия прибора.

Прочтите более внимательно разд. 2.3.

В нашей стране (НПО „ВНИИФТРИ") разработана шкала давлений, основанная на кривой плавления ртути (КПР-83), которая охватывает диапазон давлений от 100 до 4000 МПа. Погрешность воспроизведения давления 0,05 % в диапазоне от 100 до 1500 МПа; 0,5 % — до 2500 МПа и 1%-до 4000 МПа.

Полученная точность полностью удовлетворяет в настоящее время потребности науки и техники. Значение шкалы передано группе образцо­вых манганиновых манометров сопротивления, погрешность которых составляет ±0,5 % при давлении до 2,5 ГПа и ±2 % при давлениях до 4 ГПа. В перспективе этот метод позволит создать эталон — свидетель го­сударственного эталона высоких давлений нашей страны.

В области средних давлений, где успешно применяются высокоточ­ные средства измерений, основанные на прямых методах, использование косвенных методов нецелесообразно. Однако представляет интерес по­лучивший распространение в первой половине нашего века простой спо­соб измерения атмосферного давления, основанный на фазовых перехо­дах „жидкость—пар" (кривая СК на рис. 52), который легко может быть продемонстрирован в любой, даже школьной, лаборатории.

Прибор — гипсотермометр (рис. 53) состоит из термометра 1, сосу­да с дистиллированной водой 2 и нагревателя 3. При кипячении воды в

сосуде давление насыщенных паров над ее поверхностью благодаря отверстиям на наружной стенке горловины вырав­нивается с давлением окружающего воз­духа. Взаимосвязь между давлением и температурой на кривой парообразова­ния наиболее полно отображается уни­версальным уравнением проф. М.К. Жо-ховского, которое охватывает весь про­цесс фазовых переходов жидкость—пар от тройной точки .до критической точки (см. рис. 52). Указанное уравнение при­менимо также для описания процессов плавления и сублимации. В узком диапа­зоне давлений (975—1025 гПа), в преде­лах которого находится атмосферное давление на равнинных местностях, для упрощенных расчетов применяют прос­тую формулу, принимая прямую пропор­циональность температуры кипения атмо­сферному давлению. Упрощенная форму­ла имеет вид

p=Po+k(t-to),          (5.10)

где t — температура кипения воды; t0 = = 100°С; ро = Ю13 гПа (760 мм рт.ст.); к = 35,5 гПа/°С (26,7 мм
рт.ст./°С).

Из формулы (5.10) следует, что по­грешность измерения температуры At = = 0,01°С приводит к погрешности изме­рения давления Ар = 0,4 гПа (0,3 мм рт.ст.). Это примерно соответству­ет точности ртутных барометров. Однако, учитывая приближенность уравнения (5.10), гипсотермометр необходимо проградуировать по об­разцовому барометру соответствующей точности (Ар < 0,1 мм рт.ст.). Следует также отметить, что в данном случае равновесие фаз в строгом понимании отсутствует, так как пары воды непрерывно рассеиваются в окружающее пространство.

Обратите внимание: