teplotekhnika (Учебник по теплотехнике. Ерофеев, Семенов, Пряхин), страница 9

Примером гомогенной системы является воздух, представляющий собой смесь ряда газов.Гетерогенной называется система, состоящая из двух или более различных фаз - гомогенных областей, отделенных друг от друга поверхностью раздела, при переходе через которую скачкообразно меняется химический состав или физические свойства веществ. Примером гетерогенной системы может служить вода с плавающим льдом.Гомогенная система и каждая фаза гетерогенной системы могут состоять из одного или нескольких чистых веществ. Системы, состоящиеиз нескольких веществ, называются раствором или смесью. Все чистыевещества и растворы могут находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом.В простых системах могут протекать частные процессы при постоянстве одного параметра. Например, в изотермическом процессе меняются объем и давление.В сложных системах процессы протекают при постоянстве двух параметров.

Например, процесс испарения происходит обычно при р = сопзіи Т= сопзІ. При протекании химической реакции в сосуде у= сопзі приТ= сопзі надо подводить теплоту (эндотермические реакции) или отводить теплоту (экзотермические реакции).45Фазовым переходом называется переход вещества из одной фазы вдругую, сосуществующую с первой, в том числе с изменением агрегатного состояния. При этих превращениях скачком меняется плотностьр = 1/9; превращения сопровождаются тепловым эффектом - имеютскрытую теплоту фазового превращения. Например, при переходе вещества из жидкой фазы в газообразную теплота фазового перехода тратит-ся как на работу расширения, так и на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия, на разрушение ассоциированных комплексов молекул (4 = Аи + І).При плавлении или сублимации теплота фазового перехода тратитсяна разрушение кристаллической решетки.В паросиловых и холодильных установках рабочим телом являютсясоответственно водяной пар и пары различных низкокипяших хладагентов (аммиака, фреона и т.д.), которые при давлениях и температурах,применяемых в них, не могут быть отнесены к идеальным газам.

Приэтих параметрах становится существенным влияние в указанных рабочих телах сил взаимодействия между молекулами и собственного объемамолекул. Расчеты, выполненные для таких реальных газов по уравнениюсостояния Клапейрона - Менделеева, приводят к большим погрешностям.Уравнение состояния реального газа, учитывающее влияние сил взаимодействия между молекулами и их собственный объем, впервые былополучено Я.Д.

Ван-дер- Ваальсом:(р + а/у2)(\›- Ь) = КТ.(2.27)Как указывалось ранее, в (2.27) отношение а/\›2 учитывает влияниесил притяжения между молекулами на внутреннее давление газа. Величина Ь является собственным объемом молекул и представляет собойпредельный объем, до которого можно сжать І кг газа.Коэффициенты а и Ь для каждого газа имеют свое определенное постоянное значение. Уравнение Ван-дер-Ваальса дает качественно правильную картину поведения реального газа, однако при больших плотностях наблюдается значительное отклонение от данных, полученныхопытным путем. Уравнение Ван-дер-Ваальса было получено на основании молекулярно-кинетической теории газов и не учитывало возможные ассоциации и диссоциации молекул реального газа.Согласно теории М.П.

Вукаловича и И.И. Новикова, в реальном газепроисходят ассоциации отдельных молекул в комплексы, состоящие издвух, трех молекул и более, а также диссоциации этих комплексов на более простые соединения. Таким образом, реальный газ можно предста-вить как газовую смесь, состоящую из различных комплексов. Чем болееприближается реальный газ к линии сжижения, тем больше содержитсяв' газовой смеси сложных комплексов.46Уравнение состояния реального газа, учитывающее ассоциацию молекул, предложенное М.П.

Вукаловичем и И.И. Новиковым, записывается так:(р+а/\›2)(\1-Ь)=КТ[І-А 1( Ти-Ь)-А2(Т)(\›-Ь)2-..,.](228)где а и Ь - постоянные, имеющие тот же смысл, что и постоянные в уравнении Ван-дер- Ваальса; А|( 7), А2( Т) - известные функции температуры.Помимо уравнений состояния, предложенных Я.Д.

Ван-дер-Ваальсом и М.П. Вукаловичем, существует большое число и других уравнений,имеющих различную степень точности.На практике при расчетах уравнения состояния реального газа применяют редко, так как не обеспечивается требуемая точность, и расчет поним очень трудоемок. Поэтому циклы, работающие на реальных газах,рассчитывают по соответствующим таблицам и диаграммам, построенным на основании экспериментальных данных.Фазовая диаграмма, таблицы и диаграммы воды и водяного пара. Прианализе фазовых равновесий и процессов фазовых переходов применяютправило фаз Гиббса, которое устанавливает связь между числом \|1 независимых переменных, определяющих состояние термодинамическойсистемы, находящейся в равновесии, числом фаз г и числом компонентов системы п:ц; = п - г + 2.(2.2921)Так для чистого вещества (п = І)ц; = 3 - г.(2.296)Отсюда следует, что в однофазной системе (г= І) число независимыхпеременных параметров ц/ = 2.

Ими могут быть, например, р и Т, а У является однозначной функцией двух первых.Для чистого вещества при наличии двух фаз (г = 2) число независимых переменных ц! = І. Ими могут быть р или Т. Таким образом, можносделать важный вывод: температура фазового перехода однозначно определяет собой все остальные термодинамические величины каждой изфаз: рЅ, Ґ, і", у, ў', плотность р' и р” и т.д.Для однокомпонентной трехфазной системы (г= 3) ц/ = 0.

Это означает, что в однокомпонентной системе три фазы могут находиться вравнове'сии лишь при вполне определенных параметрах. Для воды этаточка, называемая тройной, находится при 1,. = 0,01 °С и рг = 0,0006М Па.Обычно принимают следующую классификацию точек фазового перехода:47КрА\ПлавлениеПарообразованиеКонденсацияЗатвердеваниецВода /Ё ПарФЛед,а«иОса\о1:;рҐ _046108 КпаТройная точка___-__СублимацияДесублимацияПарЛед// '5:Лед-,парІ,Рис.

2.12. Фазовая диаграммаіФ точка перехода «жидкость - пар» называется точкой кипения (она жеточка конденсации);Ф точка перехода «твердое тело - жидкость» называется точкой плавлеФния (она же точка затвердевания);точка перехода «твердое тело - пар» называется точкой сублимацииили возгонки.Жидкую и твердую фазу иногда объединяют названием «конденсированная фаза». Пар, находящийся над конденсатом в состоянии равновесия системы «пар - конденсат», называется насыщенным, а его давление давлением насыщения или упругостью насыщенного пара.Совокупность точек фазового перехода образуют линии, разделяющие область возможных состояний вещества на три части, характеризующие твердую, жидкую и газообразную фазы (рис.

2.12).Для расчетов в энергетике часто используется не вся фазовая диаграмма, а только ее часть, описываюшая переход из жидкой фазы в газо-образную и наоборот (рис. 2.13).Начинаясь в тройной точке, кривая равновесия жидкой и газообразной фаз заканчивается в точке К, называемой критической (для Н2О да-л1; ------------ ,КЖидкость (вода)РРІ.23¦ парІ¦Іі48цРис. 2.13. Зависимость давления от температуры для воды иводяного параРТ\_1<\Ь2о-ъоа2С2\а, ./Ь1с|\-_а _ьІ1лҐ"“Ы ,У =Угперегретый парКипящаяжидкость2І.1 костьу, у23(т) .'54/Влажный 1Сухойнаи,йыгчёънныщ УЅ2цу'_41\\\.__с\а\\\4\3;\х`= сот:У,У5:\_х-І,.еуРис. 2.14. Парообразование припостоянном давлениивление рК= 22,129 МПа; 1К = 374 °С). При значениях параметров, больших р К и 1К, плотность пара в жидкости будет одного и того же порядка,поэтому за пределами точки К из-за однородности рабочего тела переходего из жидкого в парообразное состояние невозможен.Каждому давлению соответствует строго определенная температуранасыщения 13, при которой в динамическом равновесии находится смеськипящей жидкости и пара.

Если 1І < 1, то жидкость недогрета до кипения, при 13 > 1 - пар перегретый. Если в ходе обратного процесса (конденсации) температура конденсата становится ниже 15, то он называетсяпереохлажденным.Рассмотрим процесс парообразования в диаграмме ру (рис. 2.14).Пусть в цилиндре со свободно движущимся поршнем находится І кгводы при температуре 1І = 0,01 °С, удельном объеме Уг и давлениирг (точка І).

Этим параметрам соответствует обьем воды щ. Посколькувода практически не сжимаема, то все ее состояния при различных давлениях и температуре 0 °С будут характеризоваться прямой, параллельной оси ординат с абсциссой у' = »Р Эта прямая одновременно являетсяизохорой (жидкость не сжимаемая) и изотермой (при 0 °С).Во время подвода к воде теплоты при давлении р ее температура увеличится до температуры кипения 13.