Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Пересече- ние верхней и нижней погРаа 9.5 раничных кривых определяет положение критической точки /С Для воды критической точке соответствует р„= 221,048 бар, 7 ар — — 647,15' К; о„= 0,0031 ма/ке. На рис. 9.5 в области влажного насыщенного пара пунктирными линиями показаны линии постоянной сухости. Степень сухости пара к представляет собой массовую долю сухого насыщенного пара во влажном 5 3. Изменение агрегатного состояния арааааииие 1!1 В э 2 рассматривался процесс парообразования, т. е. переход яз жидкого состояния в парообразное, осуществляемый при постоянном давлении. Аналогичный переход из твердого состояния в газообразное называют возгонкой, или сублимацией, а из твердого состояния к жидкому — плавлением.
Состояния вещества при этих превращениях считают устсйчивыми, стабильными. При этом всякие изменения состояния счгтаются кввзистатическими, как это обычно принято в термодинамике. Переход из одного агрегатного состояния в другое удобно л рассматривать на р — Г-диаграмме (рис. 9.б).
На диаграмме кри. вая АК представляет собой Плиаревие Лира- а зависимость между давлением насыщенного пара и температу- Лей м Сари ф пир рой кипения, т. е. р = ! (е„) С (кривая упругости пара). Кривая равновесия жидкой % и газообразной фазы закапчи- л вается в критической точке К. С Ср Я~ил главк'! Если от жидкости отбирать Леа 92Г теплоту при постоянном давле. йф:~ Пар нии, то при определенной температуре жидкость переходит в твердое состояние.
Темпе- Рик 9.б ратура, при которой осуществляется этот переход, называется температурой затвердеванил, или плавления г'„„, а количество теплоты, отбираемое в этом процессе, называется скры~пой птеплотой плавления. При плавлении так же, как и при парсобразо. ванин, вещество находится в двух фазах. Аналогично кривой АК можно построить кривую Аь), которая однозначно определя тся заз висимостью р = / (г,в). Кривая сублимац!!и АВ предсз авляет собой зависимость о =- !(Г,) для перехода твердого тела в газообразное.
Этот переход пзи темперагпуре сублимации г, происходит вследствие подведения некото. рого количества теплотй, носящего название скрытой теплогпы сублимации. Точки этой кривой соответствуют двухфазной систе че твердое тело — газ (например, водя!!ой пар над поверхностью льда). Все три кривых равновесия (парообразования, плавлени! и сублимации) пересекаются в некоторой характерной для каждого вещества точке. Эта точка А называется тройной точкой, а изображаемое ею состояние — фундаментальным, В этой точке находятся в термодинамическом равновесии три различные фазы вещества: твердая, жидкая и газообразная.
Тройной точке воды соответствуют следующие парамет(ы: дав- ление р = 0,00610 бар, Т = 273, !б' К. Рассмотрение описанных процессов показывает, что в состояни. ях, находящихся между кривыми АВ, АЕ и А0, тело будет находиться целиком в одной фазе: правее АВ и АК вЂ” область газообразного состояния; левее линий А0 и АВ располагается область вещества в твердом состоянии; между линиями А0 и АК находится область жилкости. В состояниях на линии АК, А0 и АВ вещество может существовать в двух фазах, причем на линии АК в жидкой и газообразной, на А0 — твердой и жидкой; а на линии АВ вещество может быть в твердом и газообразном состояниях. Расположение и вид этих трех кривых АК вЂ” р=~(1„), А0 — р=~(г„„), А — р=)(г,) зависят от природы вещества и устанавливаются опытным путем.
й 4. Параметры состояния воды и водяного пара Вследствие незначительной сжимаемости воды можно принять, что плотность воды прн 0' С и любых давлениях есть величина постоянная, а о„' = 0,00! м'!кг. Начало отсчета внутренней энергии энтальпии и энтропии берется от 0' С и соответствующего давления насыщения р =- 0,00610 бар. При этих параметрах энтальпия, энтропия, а также внутренняя энергия воды берутся условно равными нулю: з,' = О, 1„' = О, и,' = О. В процессе подогрева волы происхолит нагревание ее до температуры кипения г„. Удельный объем воды при температуре кипения о' будет больше объема о,', Соответствующие значения о' для воды в функции температуры и давления для состояний, лежащих или на нижней пограничной кривой, или левее ее, даются в справочной литературе.
Количество теплоты, которое нужно сообщить воде, чтобы нагреть ее ог 0' С до температуры кипения в процессе р = сопз1, называется теплотой жидкости. Зто количество теплоты определяется по формуле (9.15) или (9. 16) о' = сг где с„, — средняя теплоемкость воды в интервале температур от 0' С Прн низких по сравнению с Т„, температурах можно считать с,, = 4,1865 кдж/(кг град).
Воспользуемся в изобарном процессе подогрева воды первым законом термодинамики, по которому а' =и' — и,'+Г, (9.17) где и' — внутренняя энергия воды прн температуре кипения. Так как при 0 С и,' = О, а работа расширения жидкости б = р (о' — о,') (9.18) практически заметна только при больших значениях давления, то 77* ж и*. (9.19) Энтальпия воды при температуре кипения определяется по обшей формуле = 1о+ 77 (9.20) Полагая, что ~", = и,' + ро,' = О, получим 1' = и' = о'. (9.21) В процессе нагревания жидкости от 0' С до температуры кипения происходит увеличение ее энтропии, которое может быть найдено по формуле 7 7 н ая и мт (9.22) 273 273 при 3,', = 0 и ср, — — 4,1865 кдж/(кг град) з' = 4, 1865 1п —" 273 (9.23) где и" — внутренняя энергия сухого насыщенного пара; 7'" — работа расширения в процессе парообразования.
Разность внутренних энергий и" — и', затрачиваемая на работу против внутренних сил, называется внутренней теплотой порообразогания и обозначается буквой р. Теплота, затрачиваемая на работу против внешних сил', равна 1' = р (о" — о') (9.25) и называется внешней теплотой парообразоеания. Обозначим ее буквой 7р. Таким об азам, р 7 =р+ф (9.26) Вследствие того что процесс парообразования идет при гостоян. ном давлении, г=( — (. (9.27) 77З Как уже было сказано, опытами установлено, что в проц гасе парообразования жидкость, нагретая до температуры кипения при этой температуре и определенном постоянном давлении, обращается в пар. Количество теплоты, затрачиваемое в процессе при р = сопз1 на преврашение 1 кг воды при температуре кипения в сухой насышенный пар той же температуры, обозначим через г.
Теплота г называется скрып7ой теплотой парообразогания. По первому закону термодинамики г=и — и +1, (9.24) Величины г и 1" даются в таблицах насьяценного пара, а р, ф, и" легко определяются по приведенным выше формулам. С возрастанием давления, как видно из рис. 9.7, увеличивается энтальпия жидкости и достигает максимального значения при критическом давлении. Скрытая теплота парообразования уменьшается с ростом давления и равна нулю при критическом давлении (и температуре), потому что в этих условиях различия между жидкостью и ее паром исчезают и процесс 1,хм парообразоваиия как таковой отсутствуег.
Изменение энтропии в процессе парообразования при подведении к кип яшей воде г кджгкг 7000 теплоты равно — — (9.28) Т„ 1500 откуда . 170П э" = э'+ — ' (9.29) Тн или, используя значение э' из выражения (9.23), 75 50 75 100 175 150 175 700 Рддр Рнс. 97 э" = 4,1865!п — "+ †. (9.30) 973 Т„ 10 где г((7 представляет изменение объема системы при переходе жидкости в пар. Таким образом, дрн дб (9. 31) дТн 114 При полном испарении жидкости состояние сухого насыщенного пара определяется одним параметром: давлением или температурой Поэтому объем, внутренняя энергия и энтальпия определяются по таблицам насыщенного пара по давлению или температуре.
Связь между удельными объемами жидкости и пара на линии насыщения и' и э", давлением насыщенного пара Р„, температурой Т„ и скрытой теплотой парообразования может быть получена следующим образом. Т!ри превращении жидкости в пар давление насыщенного пара от объема системы не зависит, следовательно, в выражении (8.8) ~ — ~ = — ' ио так как равновесное превращение 1 др г Др„ ~ дТ 1р дТц жидкости в пар происходит при постояннойтемпературе(Т„ =сонэ(), то Изменение объема системы, если испарилась жидкость кассой йт, равно йр = (о" — о') йт, а приращение энтропии в квазистатическом процессе испарения жидкости массой с(пс по (9.28) й8 = "" т, Подставив эти значения в уравнение (9.31), получим сср и'„т„(а" — и') где — — производная от давления по температуре на кривой фассрн нтр зового равновесия р„= 1(Т„).
Уравнение (9.32) называют уравнением Клапейрона — Клпузссуса и применяют при исследованиях изменений агрегатного сосзояния вещества из жидкого состояния в парообразное. Аналогичные уравнения можно применять и к процессам перехода вещества и: твердого состояния в жидкое или газообразное. Параметры влажного насыщенного пара при заданной величине сухости могут быть определены из следующих соотношений Удельный объем влажного насыщенного пара в = (1 — х) в' + хп".
(9.33) Так как объем воды (1 — х) и' мал по сравнению г обьемом пара, то при невысоких давлениях О = хп . (9.34) Энтальпия влажного насыщенного пара с учетом того, что нз превращение в пар х кг жидкости необходимо затратить хг с:дж!кг теплоты, равна с =!' + гх. (9.35 Энгропия влажного насыщенного нара З=Ы +— (9.36) т„ Свойства перегретого пара резко отличаются ог свойств насыщенного пара и приближаются к свойствам газов. Г!ерегретый пар характеризуется тем, что его температура выше температуры парообразования Т„при том же давлении и удельный объем его больше, чем объем сухого насыщенного пара при том же давлении.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
