Баскаков А.П. (ред.) Теплотехника Энергоатомиздат, 1991 (947482), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

вее изохоры, характерна отрицательная работа. Процессы, расположенные правее и выше адиабаты, идут с подводом теплоты к рабочему телу; процессы, лежащие левее и ниже аднабаты, протекают с отводом теплоты. Для процессов, расположенных над изотермой (и = !), характерно увеличение внутренней энергии газа; процессы, расположенные под изотермой, сопровождаются уменьшением внутренней энергии. Процессы, расположенные между адиабатой и изотермой, имеюг отрицательную теплоемкость, так как бс) н с(и (а следовательно, и с!Т), имеют в этой области противоположные знаки.

В таких процессах (!! )) д(, поэтому на производство работы при расширении тратится не только подводимая теплота, но и часть внутренней энергии рабочего тела. ьз тнРьтОдн нлйлич! Скип и ниц!йцць! рйлльннлх гдвов В качестве реального газа рассмотрим водяной пар, который широко используется во многих отраслях техники, и прежде всего в теплоэнергетике, где он янляется основным рабочим телом. По.

этому исследование термодинамических свойств воды и водяного пара имеет большое практическое значение. Процесс парообраэования. Основные понятия н определенна. Рассмотрим процесс получения пара. Для этого ! кг во. ды при температуре О 'С поместим и цилиндр с подвижным поршнем. Приложим к поршню извне некоторую постоянную силу Р. Тогда при площади поршня Р давление будет постоянным и равным Р=Р)Е. Изобразим процесс парообразования, т. е. превращения вещества из жидкого состояния в газообразное, в р, о-диаграмме (рнс.

4.6). Начальное состояние воды, находящейся под давлением р и имеющей температуру О 'С, изобразится на диаграмме точкой аь При подводе теплоты к воде ее температура постепенно повышается до тех пор, пока не достигнет температуры кипения г„соответствующей данному давлению. При этом удельный объем жидкости сначала уменьшается, достигает минимального значения при =4 'С, а затем начинает возрастать. (Такой аномалией — увеличением плотности при нагревании в некотором диапазоне температур — обладакйт немногие жидкости. У большинства жидкостей удельный объем при нагревании увеличивается монотонно.) Состояние жидко. сти, доведенной до температуры кипения, изображается на диаграмме точкой а'.

При дальнейшем подводе теплоты начинается кипение воды с сильным уве- 7=сепг» Рнс. 4.6. р, с-диаграмма водяного пара личением объема. В цилиндре теперь находится двухфазная среда — смесь воды и пара, называемая влажным насыщенным паром. По мере подвода теплоты количество жидкой фазы уменьшается, а паровой — растет. Температура смеси при этом остается неизменной и равной Г„ так как вся теплота расходуется на испарение жидкой фазы. Следовательно, процесс парообразования на этой стадии является изобарно-изотермическим. Наконец, последняя капля воды превращается в пар, и цилиндр оказывается заполненным только паром, который называется с у х и м н а с ы щ е ни ы м.

Состояние его изображается точкой и". Насыщенным называетсн пар, находящийся в термическом и динамическом равновесии с жидкостью, из которой он образуется. Динамическое равновесие заключается в том, что количество молекул, вылетающих из воды в паровое пространство, равно количеству молекул, конденсирующихся на ее поверхности. В паровом пространстве при этом равно. веснам состоянии находится максимально возможное при данной температуре числп молекул.

При увеличении температуры количество молекул, обладающих энергией, достаточной для вылета в паровое пространство, увеличивается. Равновесие восстанавливается за счет возрастания давления пара, которое ведет к увеличению его плотности и, следовательно, количества молекул, в единицу времени конденсирующихся на поверхно- сти воды. Отсюда следует, что давление насыщенного пара являетси монотонно возрастающей функцией его температуры, или, что то же самое, температура насыщенного пара есть монотонно возрастающая функция его давления, При увеличении объема над поверхностью жидкости, имеющей температуру насыщения, некоторое количество жидкости переходит в пар, при уменьшении объема «излишний» пар снова пере.

ходит в жидкость, но в обоих случаях давление пара остается постоянным. Иасгищгнный пар, и котором отсутствуют взвешенные частицы жидкой фазы,называггсясу хи м насыщенным п в р о м. Его удельный объем и температура являются функциями давления. Поэтому состояние сухого пара можно задать любым нз параметров — давлением, удельным объемом или температурой. Двухфазная смесь, представляющая собой пар со взвгшгннаоги в нгм капельками жидкости, называется в л а ж и ы м насыщенным па ром. Массовая доля сухого насыщенного пара во влажном называется степенью сухости пара и обозначается буквой х. Массовая доля кипящей воды во влажном паре, равная ! — х, называется степенью вл аж иост и.

Для кипящей жидкости х=О, а для сухого насыщенного пара х=). Состояние влажного пара характеризуется двумя параметрами: давлением (или температурой насыщения Г„, определяющей это давление) н степеньнэ сухости пара. При сообщении сухому пару теплоты при том же давлении его температура будет увеличиваться, пар будет перегреваться. Точка а изображает состояние перегретого пара и в зависимости от температуры пара может лежать на разных расс~паннах от точки а". Таким образом, и е р е г р е т ы м называется пар, тг.чпература которого превьииагт температуру насыщенного пара того жг давления. Так как удельный объем перегретого пара прн том же давлении больше, чем насыщенного, то в единице объема перегретого пара содержится меньшее количество молекул, значит, он обладает меньшей плотностью. Состояние перегре- 35 того пара, как и любого газа, определяется двумя любыми независимыми параметрами.

Если рассмотреть процесс парообразоваиия при более высоком давлении, то можно заметить следующие изменения. Точка аь соответствующая состоянию 1 кг воды при 0'С и новом давлении, остается почти на той же вертикали, так как вода практически несжимаема. Точка а' смешается вправо, ибо с ростом давления увеличивается температура кипения, а жидкость при повышении температуры расширяется. Что же касаешься пара (точка а"), то, несмотря на увеличение температуры кипения, удельный объем пара все-таки падает нз-за более сильного влияния растущего давления.

Поскольку удельный объем жидкости растет, а пара падает, то при постоянном увеличении давления мы достигнем такой точки, в которой удельные объемы жидкости и пара сравняются. Эта точка называется к р и т и ч е с к о й. В критической точке различия между жидкостью и паром исчезают. Для воды параметры критической точки К составляют: р,р= =221,29.!О' Па, бо — 374,!5 'С; о,р —— =О,(!0326 м'/кг. Критическая температура — это максимально возможная температура сосуществования двух фаз: жидкости и насыщенного пара. При температурах, больших критической, возможно существование только одной фазы. Название этой фазы (жидкость или перегретый пар) в какой-то степени условно и определяется обычно ее температурой.

Все газы являются сильно перегретыми сверх Т„, парами. Чем выше температура перегрева (при данном давлении), тем ближе пар по своим свойствам к идеальному газу. Наименьшим давлением, при котором еше возможно равновесие воды и насыщенного пара, является давление, соответствующее тройной точке. Под последней понимается то единственное состояние, в котором могут одновременно находиться в равновесии пар, вода и лед (точка А' на рис. 4.6). Параметры тройной точки для воды: р,=611 Па; !а=0,01 'С; аз=0,00100 м'/кг. Процесс парообразования, происходящий при аб- солютном давлении р,=б!1 Па. показан на диаграмме изобарой А'А", которая практически совпадает с осью абсцисс. При более низких давлениях пар может сосуществовать лишь в равновесии со льдом.

Процесс образования пара непосредственно из льда называется с у б л им а ц и е й. Если теперь соединить одноименные точки плавными кривыми, то получим нулевую изотерму К каждаяточка которой соответствует состоянию 1 кг воды при О'С и давлении р, нижнюю пограничную кривую П, представляющую зависимость от давления удельного объема жидкости при темпе. ратуре кипения, и верхнюю погран ич н ую кривую !!!, дающую зависимость удельного объема сухого насыщенного пара от давления. Все точки горизонталей между кривыми П и Ш соответствуют состояниям влажного насыщенного пара, точки кривой П определяют состояние кипящей воды, точки кривой )П вЂ” состояния сухого насыщенного пара. Влево от кривой П до нулевой изотермы лежит область иекипящей однофазной жидкости, вправо от кривой Ш вЂ” область перегретого пара.

Таким образом, кривые П и Ш определяют область насыщенного пара, отделяя ее от области воды и перегретого пара, и поэтому называются п о г р ан ни мы и и. Выше точки К, где пограничных кривых нет, находится область однофазных состояний, в которой нельзя провести четкой границы между жидкостью и паром Определение параметров воды и пара. Термодинамические параметры кипящей воды и сухого насыщенного пара берутся из таблиц теплофизических свойств воды и водяного пара. В этих таблицах термодинамические величины со штрихом относятся к воде. нагретой до температуры кипения, а величины с двумя штрихами — к сухому насыщенному пару.

Поскольку для изобарного процесса в соответствии с (2.29) подведенная к жидкости теплота д=п,— йь то, применив это соотношение к процессу а'а", получим д=г=й" — й'. (4.28) Величина г называется теплотой парообразоаания и определяет количестно теплоты, необходимое для преврашеиия одного килограмма воды в сухой насыпанный пар той же темпе. ратуры. Прира>ценив энтропии в процессе парообразования определиется формулой (бд 1 ( г )т Т) Т, За нулевое состояние, от которого о>"считываютси величины 5, 5, принято состояние воды а тройной точке. Так как состояние кипяшей воды н сухого насышеннс>го нара определяется только одним параметром, то по известному давлению нли температуре из таблиц иоды н водяного пара берутсн значения и', и", Удельный обьем и„, энтропия з, и энтальпия Л„влажного насыщенного пара определяются по правилу аддитивности.

Поскольку в 1 кг влажного пара содержится к кг сухого и (1 — х) кг кипяшей воды, то ш = ко" +(1 — х) и'= и" + к (и" — и'). (4.29) Аналогично з„= з' + к (эч — х') = з'+ хг/Т,> (4.30) Л„= Л'+ х (Л" — Л') = Л'+ хг. (4.31) Непосредственно из таблиц взять параметры влажного пара нельзя.

Характеристики

Список файлов книги