20

Водяной пар содержание

1. Основные сведения о процессах изменения фазового состояния воды 2. Определение параметров состояния водяного пара 2.1. Кипящая жидкость 2.2. Сухой насыщенный пар 2.3. Влажный насыщенный пар 2.4. Перегретый пар 3. T-S диаграмма водяного пара 4. I-S диаграмма водяного пара 5. Определение параметров водяного пара с помощью i-S диаграммы 6. Изображение простейших процессов на P-V, T-S и i-S диаграммах. Вычисление параметров водяного пара с помощью этих диаграмм

2 5 5 6 8 9 10 13 15 17

1. Водяной пар

1.1. Основные сведения о процессах изменения фазового состояния воды.

Рис.1 Фазовое пространство

Рис. 2 Фазовая P-υ диаграмма

Рис. 3 Фазовая Р-Т диаграмма

1 – процесс плавления; 2 – кристаллизация (отвердевание); 3 – парообразование;

4 – конденсация; 5 – сублимация (возгонка); 6 – десублимация (конденсация)

ФАЗА – однородная часть системы. У воды фазовые состояния совпадают с агрегатными состояниями: твердым, жидким и газообразным (собственно газовым или паровым).

ПАР – газообразное состояние вещества при температуре ниже критической.

Обозначение твердой фазы – Т, жидкой – Ж, газообразной – Г, паровой – П.

На рис.1 изображено, так называемое фазовое пространство. Заштрихованные области на рис.1 – это фазовые поверхности. Например, область Ж+П соответствует точкам одновременного сосуществования двух фаз: жидкой и паровой.

На рис. 2 и 3 приведены проекции фазового пространства на плоскости PV и РТ, соответственно.

Процесс перехода из жидкости в пар называется ПАРООБРАЗОВАНИЕМ.

ИСПАРЕНИЕ - парообразование со свободной поверхности вещества.

КИПЕНИЕ - парообразование внутрь пузырьков, образующихся по всему объему жидкости.

Процесс перехода из паровой фазы в жидкую – КОНДЕНСАЦИЕЙ.

Процесс перехода твердой фазы в жидкую – ПЛАВЛЕНИЕМ, обратный – КРИСТАЛИЗАЦИЕЙ (отвердеванием).

Процесс перехода вещества из твердой фазы в газообразную - СУБЛИМАЦИЕЙ (ВОЗГОНКОЙ).

Процесс перехода из паровой фазы в твердую – ДЕСУБЛИМАЦИЕЙ (КОНДЕНСАЦИЕЙ). Твердая и жидкая фазы называются конденсированными фазами.

СУБЛИМАЦИЯ – парообразование со свободной поверхности твердого вещества (примеры: при атмосферном давлении углекислый газ переходит из твердого состояния сразу в парообразное, испарение нафталина).

Испарение происходит всегда, но при низких температурах количество молекул, вылетающих со свободной поверхности, не будет равно количеству молекул, возвращающихся обратно.

Если при Р = const повышать температуру, то наступит момент равенства этих процессов, называемый НАСЫЩЕНИЕМ.

При температуре насыщения давление водяного пара над поверхностью жидкости равно давлению окружающей среды. В этом состоянии жидкость и пар называются НАСЫЩЕННЫМИ. Значение температуры насыщения зависит от величины давления. Например, при нормальном физическом давлении (101325 Па или 760 мм. рт.ст.) температура насыщения равна 100⁰С. Чем выше давление, тем больше температура насыщения. Температура кипения воды выше 100⁰С обеспечивается за счет создания повышенного давления (принцип скороварки). Между давлением насыщения и температурой насыщения существует однозначная зависимость, задаваемая уравнением Клапейрона – Клаузиуса (рассматривается далее). Значения давления и температуры насыщения содержатся в специальных таблицах насыщенного водяного пара. Вход в эти таблицы либо по давлению, либо по температуре. Связь между давлением и температурой насыщения – это линия АК на рис. 3, каждая точка которой соответствует уравнению Клайперона - Клазиуса. Линия АК называется кривой парообразования.

Точка А – тройная точка, где сосуществуют одновременно все три фазы. Эта точка для воды имеет строго фиксированные параметры: t_тр = 0.01⁰C, P_тр = 610,8 Па.

Точка К – критическая точка, выше которой одновременное сосуществование двух фаз невозможно. При температуре выше критической различий между жидкостью и газом данного вещества нет: свойства совпадают.

Параметры точки К для воды: Ркр = 22,129МПа, t_кр= 374,14⁰С.

Если надо превратить лед в перегретый пар, то вода должна пройти через 6 состояний: вода твердая (лед), недогретая жидкость (t<t_нас), насыщенная жидкость (t=t_нас) – начало парообразования, влажный насыщенный пар, сухой насыщенный пар, перегретый пар.

Точки на кривой АК (рис. 2) соответствуют насыщенной (кипящей) жидкости. Линия АК – линия насыщения жидкости, на которой точки принято обозначать одним штрихом (например С’).

Точки на линии KF (рис. 2) соответствуют сухому насыщенному пару.

Между кривыми АК и KF (рис. 2) лежит область влажного насыщенного пара.

ВЛАЖНЫЙ НАСЫЩЕННЫЙ ПАР – механическая смесь капелек жидкости и сухого насыщенного пара.

СТЕПЕНЬЮ СУХОСТИ ПАРА (х) называется массовая доля сухого насыщенного пара во влажном насыщенном паре.

Точки на кривой KF соответствуют состоянию, когда капелек кипящей жидкости во влажном насыщенном паре уже нет.

ПЕРЕГРЕТЫМ называется пар, температура которого больше температуры насыщения при данном давлении.

ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕМ (СТЕПЕНЬЮ ВЛАЖНОСТИ) называется величина У = 1 – x , то есть массовая доля кипящей жидкости во влажном насыщенном паре.

На линии АК У=1, на линии KF У=0.

У воды твердой известно 5 кристаллических модификаций: III₁, III₂, III₃, III₅, III₆.

Модификация III₁ – обычный лед, остальные модификации существуют только при высоких давлениях.

Вода относится к аномальным веществам, у которых удельный объем твердой фазы больше, чем удельный объем жидкой фазы. Аномальные вещества: чугун, висмут и др. У аномальных веществ кривая плавления на рис. 3 идет из точки А влево вверх, у нормальных веществ – вправо вверх. У аномальных веществ с ростом давления температура плавления понижается (это свойство используется в коньках и лыжах). Правее верхней пограничной кривой (х=1) пар находится в перегретом состоянии. В расчетах процессов водяного пара используется температура t(⁰С) и Т(К). Во всех формулах используется абсолютное давление Р. Если в системе давления выше атмосферного В, то Р = Рман + В, если в системе разряжение (вакуум), то абсолютное давление Р = В – Рвак, где Рвак – показания вакууметра. (Справка: Р, (Па) = 13600 (кг/м³) · 9,81 (м/с²) · h (м), где h – показание ртутного прибора; 1кгс/см² = 0,0981 МПа).

В практике используется понятие УДЕЛЬНОЙ ЭНТАЛЬПИИ водяного пара i, (Дж/кг):

Энтальпия, в отличие от внутренней энергии (U), учитывает потенциальную энергию сжатой системы (РV). Внутренняя же энергия идеального газа зависит только от температуры. В процессах при постоянной температуре изменение УДЕЛЬНОЙ ЭНТРОПИИ S, (Дж/(К·кг)) характеризует теплоту (qT), которой обменивается система и окружающая среда.

Так как , то qT = ТΔS