Professor of Energy Systems أستاذ أنظمة الطاقةMechanical Engineering Department قسم الهندسة الميكانيكية
Properties of Pure Substances خصائص المواد النقية
Pure substance مادة نقية
A substance that has a fixed chemical composition throughout is called a pure substance. Water, nitrogen, helium, and carbon dioxide, for example, are all pure substances. A pure substance does not have to be of a single chemical element or compound, however. A mixture of various chemical elements or compounds is also considered a pure substance as long as the mixture is homogeneous. Air, for example, is a mixture of several gases, but it is often considered to be a pure substance. تسمى المادة التي لها تركيبة كيميائية ثابتة في جميع الأنحاء بمادة نقية. الماء والنيتروجين والهيليوم وثاني أكسيد الكربون ، على سبيل المثال ، كلها مواد نقية. ومع ذلك ، لا يجب أن تكون المادة النقية من عنصر أو مركب كيميائي واحد. يعتبر خليط العناصر أو المركبات الكيميائية المختلفة أيضا مادة نقية طالما أن الخليط متجانس. الهواء ، على سبيل المثال ، عبارة عن خليط من عدة غازات ، ولكنه غالبا ما يعتبر مادة نقية.
Phases of a pure substance مراحل مادة نقية
There are three principal phases: solid, liquid, and gas, a substance may have several phases within a principal phase, the molecules in a solid are arranged in a threedimensional pattern that is repeated throughout. Because of the small distances between molecules in a solid, the attractive forces of molecules on each other are large and keep the molecules at fixed positions. The molecular spacing in the liquid phase is not much different from that of the solid phase, except the molecules are no longer at fixed positions relative to each other and they can rotate and translate freely. In a liquid, the intermolecular forces are weaker relative to solids, but still relatively strong compared with gases. In the gas phase, the molecules are far apart from each other, and a molecular order is nonexistent. Attention in this section is focused on the liquid and vapor phases and their mixture. As a familiar substance, water is used to demonstrate the basic principles involved. هناك ثلاث مراحل رئيسية: صلبة ، سائلة ، وغازية ، قد يكون للمادة عدة مراحل داخل مرحلة رئيسية ، ويتم ترتيب الجزيئات الموجودة في المادة الصلبة في نمط ثلاثي الأبعاد يتكرر طوال الوقت. بسبب المسافات الصغيرة بين الجزيئات في المادة الصلبة ، تكون قوى جذب الجزيئات على بعضها البعض كبيرة وتحافظ على الجزيئات في مواضع ثابتة. لا يختلف التباعد الجزيئي في الطور السائل كثيرا عن الطور الصلب ، باستثناء أن الجزيئات لم تعد في مواضع ثابتة بالنسبة لبعضها البعض ويمكنها الدوران والترجمة بحرية. في السائل ، تكون القوى بين الجزيئات أضعف بالنسبة للمواد الصلبة ، ولكنها لا تزال قوية نسبيا مقارنة بالغازات. في الطور الغازي ، تكون الجزيئات بعيدة عن بعضها البعض ، ولا يوجد ترتيب جزيئي. يتركز الاهتمام في هذا القسم على مراحل السائل والبخار وخلوطهما. كمادة مألوفة ، يتم استخدام الماء لإظهار المبادئ الأساسية المعنية.
Compressed Liquid and Saturated Liquid سائل مضغوط وسائل مشبع
Consider a piston-cylinder device containing liquid water at 20^(@)C20^{\circ} \mathrm{C} and 1 atm pressure (state 1, Fig. 1.2). Under these conditions, water exists in the liquid phase, and it is called a compressed liquid, or a subcooled liquid, meaning that it is not about to vaporize. Heat is now transferred to the water until its temperature rises to, say, 40^(@)C40^{\circ} \mathrm{C}. As the temperature rises, the liquid water expands slightly, and so its specific volume increases. To accommodate this expansion, the piston moves up slightly. The pressure in the cylinder remains constant at 1 atm during this process. ضع في اعتبارك جهاز أسطوانة مكبس يحتوي على ماء سائل عند 20^(@)C20^{\circ} \mathrm{C} ضغط ضغط 1 ضغط جوي (الحالة 1 ، الشكل 1.2). في ظل هذه الظروف ، يوجد الماء في الطور السائل ، ويسمى سائل مضغوط ، أو سائل مبرد ، مما يعني أنه ليس على وشك التبخر. يتم الآن نقل الحرارة إلى الماء حتى ترتفع درجة حرارته إلى ، على سبيل المثال ، 40^(@)C40^{\circ} \mathrm{C} . مع ارتفاع درجة الحرارة ، يتمدد الماء السائل قليلا ، وبالتالي يزداد حجمه المحدد. لاستيعاب هذا التوسع ، يتحرك المكبس لأعلى قليلا. يظل الضغط في الأسطوانة ثابتا عند 1 ضغط جوي أثناء هذه العملية.
As more heat is transferred, the temperature keeps rising until it reaches 100^(@)C100^{\circ} \mathrm{C} (state 2, Fig. 1.2). At this point water is still a liquid, but any heat addition will cause some of the liquid to vaporize. That is, a phase-change process from liquid to vapor is about to take place. A liquid that is about to vaporize is called a saturated liquid. Therefore, state 2 is a saturated liquid state. مع نقل المزيد من الحرارة ، تستمر درجة الحرارة في الارتفاع حتى تصل 100^(@)C100^{\circ} \mathrm{C} إلى (الحالة 2 ، الشكل 1.2). في هذه المرحلة ، لا يزال الماء سائلا ، لكن أي إضافة حرارية ستؤدي إلى تبخر بعض السائل. أي أن عملية تغيير الطور من السائل إلى البخار على وشك الحدوث. السائل الذي على وشك التبخر يسمى السائل المشبع. لذلك ، الحالة 2 هي حالة سائلة مشبعة.
Saturated Vapor and Superheated Vapor بخار مشبع وبخار شديد السخونة
Once boiling starts, the temperature stops rising until the liquid is completely vaporized. That is, the temperature will remain constant during the entire phasechange process if the pressure is held constant. This can easily be verified by placing a thermometer into boiling pure water on top of a stove. At sea level ( P=1atm\mathrm{P}=1 \mathrm{~atm} ), the thermometer will always read 100^(@)C100^{\circ} \mathrm{C}. During a boiling process, the only change we will observe is a large increase in the volume and a steady decline in the liquid level as a result of more liquid turning to vapor. Midway about the vaporization line (state 3, Fig. 1.2), the cylinder contains equal amounts of liquid and vapor. As we continue transferring heat, the vaporization process continues until the last drop of liquid is vaporized (state 4, Fig. 1.2). At this point, the entire cylinder is filled with vapor that is on the borderline of the liquid phase. Any heat loss from this vapor will cause some of the vapor to condense (phase change from vapor to liquid). A vapor that is about to condense is called saturated vapor. Therefore, state 4 is a بمجرد أن يبدأ الغليان ، تتوقف درجة الحرارة عن الارتفاع حتى يتبخر السائل تماما. أي أن درجة الحرارة ستظل ثابتة خلال عملية تغيير الطور بأكملها إذا ظل الضغط ثابتا. يمكن التحقق من ذلك بسهولة عن طريق وضع مقياس حرارة في الماء النقي المغلي فوق الموقد. عند مستوى سطح البحر () P=1atm\mathrm{P}=1 \mathrm{~atm} ، سيقرأ 100^(@)C100^{\circ} \mathrm{C} مقياس الحرارة دائما. أثناء عملية الغليان ، التغيير الوحيد الذي سنلاحظه هو زيادة كبيرة في الحجم وانخفاض مطرد في مستوى السائل نتيجة تحول المزيد من السائل إلى بخار. في منتصف الطريق حول خط التبخر (الحالة 3 ، الشكل 1.2) ، تحتوي الأسطوانة على كميات متساوية من السائل والبخار. مع استمرارنا في نقل الحرارة ، تستمر عملية التبخير حتى تتبخر آخر قطرة من السائل (الحالة 4 ، الشكل 1.2). في هذه المرحلة ، تمتلئ الأسطوانة بأكملها بالبخار الموجود على حدود الطور السائل. أي فقدان للحرارة من هذا البخار سيؤدي إلى تكثيف بعض البخار (تغيير الطور من البخار إلى السائل). يسمى البخار الذي على وشك التكثيف بالبخار المشبع. لذلك ، الحالة 4 هي أ
