Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В. (1013734), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Это очень большая величина. Конькобежцы, фигуристы, а также летчики и конструкторы полярной авиации, шасси самолетов которой оснащаются специальными лыжами, должны хорошо знать эти цифры, поскольку, зная температуру льда и массу опирающегося о лед объекта, нетрудно определить оптимальную по скольжению, происходящему за счет местного плавления льда, площадь соприкосновения со льдом лезвия конька или металлических лезвий самолетной лыжи. В частности, при весе конькобежца 70 кг и температуре льда -5 'С площадь контакта лезвия конька со льдом должна составлять примерно 0,1 смз. На практике эта площадь больше в 1,6 — 2 раза, что не является оптимальным для людей с небольшим весом. Глава 7 Термодинамика реальных газов и паров 7.1.
Основные понятия Принципиального различия между паром и реальным газом нет. Под реальным газом подразумеваются пары жидкости, находящиеся з условиях исследования при температуре, значительно большей критической. Пар — это газ над поверхностью жидкости. В термодинамических процессах реальный газ является устойчивым рабочим телом, не меняющим своего химического и агрегатного состояния. Пары при сравнительно незначительных изменениях своих термодинамических параметров могут переходить н жидкое состояние и обратно.
Следовательно, пар является неустойчивым рабочим телом. Отличие в свойствах реальных и идеальных газов проявляется не только в термических уравнениях состояния, о чем подробно говорилось в равд. 1.10, но и при анализе других свойств газов, например их теплоемкостей.
Удельные теплоемкости идеальных газов являются функциями только температуры. Удельные теплоемкости реальных газов зависят не только от температуры, но и от давления (или удельного объема). Из анализа теоретических и экспериментальных данных следует, что свойства реальных газов не только в количественном, но и в качественном атноптении существенно отличаются от свойств идеальных газов.
Поэтому все результаты теории идеальных газов нужно рассматривать как приближенные, справедливые для реальных газов лишь при очень малых плотностях. В теплотехнике в качестве рабочих тел используются различные жидкости и их пары: вода, ртуть, этиловый спирт, аммиак, фреон, 169 Глава 7. Термодинамика реальных газов и паров Наиболее широкое распространение получили вода и водяной пар из-за невысокой стоимости и доступности. Так, например, рабочим телом в ряде ракетных двигателей и в паровых турбинах является водяной пар.
Испарительное охлаждение широко применяется в областях авиационной техники и металлургии (в доменных печах). Поэтому в основном будет рассматриваться водяной пар, но выводы, полученные для этого рабочего тела, могут быть перенесены и на пар другой жидкости.
7.2. Получение водяного пара Водяной пар может быть получен тремя способами: испарением, сублимацией и кипением. Испарение — переход из жидкой фазы в газообразную (паровую) фазу, происходящий на поверхности раздела фаз при любой температуре. Сублимация — переход вещества из твердой фазы в газообразную при низкой температуре. Кипенгге — превращение жидкости в пар по всему ее объему. По мере нагревания жидкости понижается растворимость в ней газов, в результате чего на дне и стенках сосуда, в котором находится вода, могут образовываться пузырьки. В процессе нагревания внутри пузырьков начинает испаряться жидкость, и при определенной температуре давление внутри пузырька становится равным наружному, пузырьки отрываются от стенок и жидкость начинает кипеть.
Температура, при которой это происходит, называется темперагпурой кипения или температурой насыщения и обозначается Г,. Когда процесс кипения начался, несмотря на продолжающийся подвод теплоты, температура жидкости остается постоянной. Чем выше давление, при котором происходит кипение, тем выше температура насыщения. Кроме того, процесс парообразования проявляется в объеме жидкости при резком сбросе давления (декомпрессия), причем при определенных условиях этот процесс имеет взрывообразный характер. С учетом того что в технике наиболее часто используется процесс кипения для получения пара из жидкости при постоянном давлении, рассмотрим его более подробно. 170 Т.З. Процесс парообраэования при постоянном давлении 7.3. Процесс парообразования при постоянном давлении Принципиальная схема процесса парообразования состоит из пяти последовательно осуществляемых стадий.
При этом будем считать, что в цилиндре со свободно движущимся поршнем находится 1 кг воды при температуре 1о = О'С (рис. 7.1, а). Поршень с положенным на него грузом оказывает на жидкость давление р. Объем жидкости при данных условиях обозначим рр. На ри-диаграмме (рис. 7.2) атому состоянию жидкости соответствует точка а.
При подводе к жидкости теплоты при р = сопа1 ее температура постепенно повышается до тех пор, пока не достигнет температуры насыщения 1,, соответствующей данному давлению (рис. 7.1, б). Удельный объем жидкости вследствие ее нагревания увеличивается от ио до и . Вода обладает некоторыми особенностями: она имеет наибольшую плотность и, следовательно, наименьший удельный объем при 4 'С. При нагревании воды от О 'С удельный объем ее сначала уменьшается, а с 4 'С возрастает, имея при 8 'С то же значение, что и при О 'С.
Состояние жидкости, доведенной до температуры насьпцения, изображается на рр-диаграмме (см. рис. 7.2) точкой б. Отрезок изобары аб соответствует процессу нагревания жидкости при постоянном давлении от температуры О 'С до температуры насыщения. При дальнейшем подводе теплоты жидкость кипит и постепенно переходит в пар. В цилиндре теперь находится двухфаз- ож с ст ер гв гг гт г и со г,=о 6) в) г) д) Рис. 7.2 Рис. 7.1 171 Глава 7.
Термодинамика реальных газов и паров ная среда — смесь воды и пара (рис. 7. 1, в). При этом обе фазы будут в устойчивом равновесии. Для всех жидкостей при р =- = сопз$ имеет место характерное явление, состоящее в том, что температура смеси жидкости и пара остается постоянной и равной температуре насыщения Т,, пока вся жидкость не перейдет в пар с удельным объемом гс (рис. 7.1, г). В некоторый момент времени последняя капля воды превращается в пар и цилиндр оказывается заполненным только паром (см.
рис. 7.1, г), который называется сухим насьяценным паром. На ро-диаграмме состояние его изображается точкой г. Это состояние является неустойчивым. Достаточно понизить температуру, чтобы сейчас же произошло выделение капельной жидкости с образованием двух фаз. Удельный объем пара и. больше удельного объема жидкости и . Отрезок бг представляет процесс кипения или парообразования жидкости при р = сопз$ и й = сопз1 и является одновременно изобарой и изотермой. Между точками б и з система является двухфазной (смесь жидкости и сухого насыщенного пара). Пар в этой области получил название влажного насьиценного. При этом жидкость может либо сосредоточиться в нижней части цилиндра, либо находиться во взвешенном состоянии равномерно распределенной в виде мельчайших капель жидкости по всему объему.
Состояние влажного пара характеризуется двумя параметрами: давлением (или температурой насыщения Т,, определяющей это давление) и степенью сухости х. Степень сухости х — массовая доля сухого насыщенного пара во влажном: тс.л тс. п х— (7.1) тив т,„т Фактически х — это доля жидкости, превращенной в пар. Если х = 0,5, то влажный пар состоит из равных долей жидкости и пара.
Если х = 0,9, то влажный пар состоит из 90% сухого пара и 10% жидкости, т. е. чем больше степень сухости, тем пар суше. В точке б степень сухости х = О, а в точке г — х = 1. Иногда для описания состояния влажного пара вводится степень влажности у = 1 — х, которая характеризует массовую долю жидкости в 1 кг влажного пара. Последующий подвод теплоты к сухому насыщенному пару при том же давлении приводит к повышению его температу- 7.4.
ро-Днаграмма водяного пара ры, т. е. сухой насыщенный пар переходит в перегретый (рис. 7.1, д). Изобара на участке гд не является изотермой. Точка д изображает состояние перегретого пара и в зависимости от количества подведенной теплоты может лежать на разных расстояниях от точки г. Из вышесказанного можно сформулировать следующие положения: ° влажный насыщенный пар — это равновесная смесь, состоящая из паровой и жидкой фаз. При охлаждении насьпценного пара при р = сопзС он постепенно переходит в жидкость.
Необходимо отметить, что понижение температуры невозможно, пока весь пар не превратится в жидкость, т. е. температуру насыщенного пара при данном давлении понизить нельзя. Невозможно также повысить температуру насыщенного пара при данном давлении, пока в нем содержится влага, так как вся подводимая теплота расходуется на превращение этой влаги в пар; ° сухой насыщенный пар — это пар, в котором отсутствуют взвешенные частицы жидкой фазы, а температура равна температуре насыщения 8,, соответствующей данному давлению; ° перегретый пар можно охарактеризовать как пар, температура которого выше температуры насыщенного пара того же давления, т. е. й„,„> г,.
Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного называется степенью перегрева. 7.4. ри-Диаграмма водяного пара Рассмотрим особенности процесса парообразования при более высоких давлениях (температурах). Экспериментально установлено, что каждому давлению соответствует определенная температура кипения данной жидкости, а следовательно, и ее насыщенного пара, т. е. давление и температура насыщенного пара взаимно определяют друг друга и связаны между собой зависимостью р = 7(гя).
Объем воды с увеличением давления практически не изменяется (табл. 7.1). 173 Глава 7. Термодинамика реальных газов и паров Таблица 7.1 Давление р, МПа 1 0,1 ' 5 10 ~ 20 ' 40 Удельный объем воды, ре. 10 м~/кг 1,001 0,9976 0,9951 0,9904,~ 0,9810 Например, повышение давления воды от 0,1 до 10 МПа вызывает уменьшение ее удельного объема всего лишь на 0,5%. Поэтому воду и другие жидкости практически можно считать несжимаемыми. Точки а, а', а", соответствующие состоянию воды при 0 ьС и новом давлении, будут лежать на линии, которая практически параллельна оси ординат (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
