Водяной пар

ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ. АЛЛОТРОПИЯ

Агрегатные состояния чистого вещества обычно имеют газообразную, жидкую и твердую фазы. На рис. 4.1 изображены линии фазовых переходов вещества.Промежуточное состояние вещества между жидкостью и газом называется паром. Водяной пар – рабочее тело.

Линия ОА - кривая плавления (затвердевания),

линия ОВ – кривая сублимации (десублимации),

линия ОК – кривая кипения (конденсации),она оканчивается в точке К,которую называют критической. Для воды это Т_кр= 647К, t_кр = 374⁰C и p_кр =22,14 МПа = 221 кг/см², выше точки К – только перегретый пар.(v_кр = 0,0032 м³/кг, ρ_кр = 320кг/м³).

Состояние, в котором существуют три фазы, называется тройной точкой -точка О. Для воды это Т₀ = 273,15К, t₀ = 0⁰C и p₀ = 610 Па =0,0062 кг/см².
Рис.4.1. Диаграмма фазовых переходов.

Количество теплоты, погоглощаемой (или выделяющейся) при равновесном изотермическом переходе единицы вещества (1 кг.) из одной фазы в другую, называется удельной скрытой теплотой фазового перехода. Различают скрытые теплоты испарения и конденсации, плавления и затвердевания, сублимации (десублимации). Их значения приводятся в справочной литературе.

Некоторые вещества в твердом состоянии образуют несколько кристаллических модификаций (аллотропических модификаций). Например, алмаз при высоких температурах и давлениях превращается в графит,но и наоборот – при определенных условиях из графита получается исскуственный алмаз. Его сейчас получают из жидкого углерода (Т ≈ 4000К и р ≈10⁴ МПа, 1атм ≈ 0,1 МПа) охлаждением при высоких давлениях + катализаторы. Таким же образом в 1987г. исскуственно получен и борозан ВN (нитрид бора с натрием), более твердый, чем алмаз (–при охлажении компонентов от Т =2500К, р= 10⁵ атм.+ катализатор). В твердой фазе лед воды имеет 6 различных модификаций, кроме основной первой,но все они лежат в области выше 200 мПа и здесь не рассматриваются.

Испарение воды – парообразование на свободной поверхности при температуре меньшей температуры кипения t < t_s при данном давлении. Сушка – рабочее тело есть влажный воздух: сухой воздух плюс водяной пар (газовая смесь). Содержание водяного пара в атмосфере зависит от метеорологических условий и от источников испарения воды (от малых долей до 4 % по массе).

Влажный воздух бывает двух типов: насыщенным и ненасыщенным (смесь сухого воздуха и насыщенного или перегретого водяного пара соответственно). Температура, до которой надо охлаждать ненасыщенный влажный воздух, чтобы перегретый пар в нем стал насыщенным наз. температурой точки росы Т_росы (коалесценция туманов). При дальнейшем охлаждении водяной пар конденсируется, точку Т_росы часто используют, как меру содержания в воздухе воды в парообразном состоянии.

5.1. ПАРООБРАЗОВАНИЕ ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ.

Кипение воды - интенсивное испарение не только на свободной поверхности, но и внутри нее образующихся пузырьков пара.

Рис.5.1. Процессы подогрева жидкости a-b, парообразования b-c,перегрева c-d.

При подводе теплоты жидкость нагревается до температуры кипения t_н , соответствующей давлению p, удельный объем незначительно возрастает от v^/ ₀до v^/ (точка b). В изобарно – изотемическом процессе b-c кипящая жидкость полностью переходит в пар. Точка c – сухой насыщенный пар. Смесь жидкости и сухого насыщенного пара называют влажным паром (например,точка e).При подводе теплоты к сухому насыщенному пару его температура возрастает и он переходит в перегретый пар (например, точка d).В области перегретого пара изобара и изотерма разделяются,изотерма идет ниже изобары (рис.5.1).

Для процессов парообразования при давлениях р, р₁ и т. д. состоянию жидкости при 0⁰ С соответствуют точки a, a₁ и т. д., состоянию кипящей жидкости –точки b, b₁и т. д., состоянию сухого насыщенного пара – точки с,с₁ и т. д.. При соединении этих точек получаются соответственно линии:изотермы жидкости при 0⁰ С; пограничная кривая жидкости или нижняя (левая) пограничная кривая; пограничная кривая пара или верхняя (правая) пограничная кривая.

Пересечение пограничных кривых жидкости и пара в точке к дает критическую точку. Жидкость и ее насыщенный пар существуют только при температурах ниже критической.Выше критической точки есть только перегретый пар. Значение критической температуры Т_кр ≈ 647К, t_кр ≈ 374 ⁰С при давлении p_кр ≈22,1 МПа ≈225 атм.

Массовая доля пара x в смеси сухого насыщенного пара и жидкости называется степенью сухости, а массовая доля жидкости y =(1 – x) – степенью влажности. Степень сухости может изменяться от 0 до 1.

5.2. ДИАГРАММЫ s-T и s-I ДЛЯ ВОДЯНОГО ПАРА

На рис.5.2 и рис. 5.3 представлены s-T и s-i диаграммы водяного пара, построенные по тем же данным,что и диаграмма v-p (рис.5.1), и с применением формул для энтропии и энтальпии. (Диаграмму s –I предложил использовать в 1904 году Молье).

Точки А,В,Е,С,Д и К этих диаграмм соответствуют точкам a b e c d и к диаграммы v-p. Они определяют при давлении p состояния жидкости при t = 0⁰C, кипящей жидкости при температуре насыщения t_н, влажного пара, сухого насыщенного пара, перегретого пара и критическую точку к с t_кр≈374⁰ С, p_кр ≈225атм..

Рис.5.2. Диаграмма s-T.

Следует заметить,что критическая точка К на диаграмме s-I находится ниже её экстремального положения на диаграмме s-T. Видимо, поэтому и появились определения нижней и верхней пограничных кривых, взамен левой и правой.

Подогрев воды при р = const от 0⁰ С до t⁰ C.

При постоянной теплоемкости с₀= с^/ =с

Рис.5.3. Диаграмма s-I.

q^/= c^/t =u^/ = i^/, (u₀^/ = 0) …(5.1)

s^/ = c^/ ln(T_н/273), (s₀^/ = 0). …(5.2)

Дата добавления: 2014-01-07