Уравнение состояния для водяного пара

Видео:Насыщенный и ненасыщенный пар. Влажность воздуха. 10 класс.Скачать

энергетика простыми словами

Видео:Насыщенный пар. Зависимость давления пара от температуры | Физика 10 класс #35 | ИнфоурокСкачать

Водяной пар

Промежуточное состояние вещества между состоянием реального газа и жидкостью принято называть парообразным или просто паром. Превращение жидкости в пар представляет собой фазовый переход из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе наблюдается скачкообразное изменение физических свойств вещества.

Примерами таких фазовых переходов является процесс кипения жидкости с появлением влажного насыщенного пара и последующим переходом его в лишенный влаги сухой насыщенный пар или обратный кипению процесс конденсации насыщенного пара.

Одно из основных свойств сухого насыщенного пара заключается в том, что дальнейший подвод теплоты к нему приводит к возрастанию температуры пара, т. е. перехода его в состояние перегретого пара, а отвод теплоты — к переходу в состояние влажного насыщенного пара. В

Фазовые состояния воды

Рисунок 1. Фазовая диаграмма для водяного пара в T, s координатах.

Область I – газообразное состояние (перегретый пар, обладающий свойствами реального газа);

Область II – равновесное состояние воды и насыщенного водяного пара (двухфазное состояние). Область II также называют областью парообразования;

Область III – жидкое состояние (вода). Область III ограничена изотермой ЕК;

Область IV – равновесное состояние твердой и жидкой фаз;

Область V – твердое состояние;

Области III, II и I разделены пограничными линиями AK (левая линия) и KD (правая линия). Общая точка K для пограничных линий AK и KD обладает особыми свойствами и называется критической точкой. Эта точка имеет параметры p_кр, v_кри Т_кр, при которых кипящая вода переходит в перегретый пар, минуя двухфазную область. Следовательно, вода не может существовать при температурах выше Т_кр.

Критическая точка К имеет параметры:

Значения p, t, v и s для обеих пограничных линий приводятся в специальных таблицах термодинамических свойств водяного пара.

Процесс получения водяного пара из воды

На рисунках 2 и 3 изображены процессы нагрева воды до кипения, парообразования и перегрева пара в p, v— и T, s-диаграммах.

Начальное состояние жидкой воды, находящейся под давлением p₀ и имеющей температуру 0 °С, изображается на диаграммах p, v и T, s точкой а. При подводе теплоты при p = const температура ее увеличивается и растет удельный объем. В некоторый момент температура воды достигает температуры кипения. При этом ее состояние обозначается точкой b. При дальнейшем подводе теплоты начинается парообразование с сильным увеличением объема. При этом образуется двухфазная среда — смесь воды и пара, называемая влажным насыщенным паром. Температура смеси не меняется, так как тепло расходуется на испарение жидкой фазы. Процесс парообразования на этой стадии является изобарно-изотермическим и обозначается на диаграмме как участок bc. Затем в некоторый момент времени вся вода превращается в пар, называемый сухим насыщенным. Это состояние обозначается на диаграмме точкой c.

Рисунок 2. Диаграмма p, v для воды и водяного пара.

Рисунок 3. Диаграмма T, s для воды и водяного пара.

При дальнейшем подводе теплоты температура пара будет увеличиваться и будет протекать процесс перегрева пара c — d. Точкой d обозначается состояние перегретого пара. Расстояние точки d от точки с зависит от температуры перегретого пара.

Индексация для обозначения величин, относящихся к различным состояниям воды и пара:

• величина с индексом «0» относится к начальному состоянию воды;
• величина с индексом «′» относится к воде, нагретой до температуры кипения (насыщения);
• величина с индексом «″» относится к сухому насыщенному пару;
• величина с индексом «x» относится к влажному насыщенному пару;
• величина без индекса относится к перегретому пару.

Процесс парообразования при более высоком давлении p₁ > p₀ можно отметить, что точка a, изображающая начальное состояние воды при температуре 0 °С и новом давлении, остается практически на той же вертикали, так как удельный объем воды почти не зависит от давления.

Точка b′ (состояние воды при температуре насыщения) смещается вправо на p, v-диаграмме и поднимается вверх на T,s-диаграмме. Это потому, что с увеличением давления увеличивается температура насыщения и, следовательно, удельный объем воды.

Точка c′ (состояние сухого насыщенного пара) смещается влево, т. к. с увеличением давления удельный объем пара уменьшается, несмотря на увеличение температуры.

Соединение множества точек b и c при различных давлениях дает нижнюю и верхнюю пограничные кривые ak и kc. Из p, v-диаграммы видно, что по мере увеличения давления разность удельных объемов v″ и v′ уменьшается и при некотором давлении становится равной нулю. В этой точке, называемой критической, сходятся пограничные кривые ak и kc. Состояние, соответствующее точке k, называется критическим. Оно характеризуется тем, что при нем пар и вода имеют одинаковые удельные объемы и не отличаются по свойствам друг от друга. Область, лежащая в криволинейном треугольнике bkc (в p, v-диаграмме), соответствует влажному насыщенному пару.

Состояние перегретого пара изображается точками, лежащими над верхней пограничной кривой kc.

На T, s-диаграмме площадь 0abs′ соответствует количеству теплоты, необходимого для нагрева жидкой воды до температуры насыщения.

Количество подведенной теплоты, Дж/кг, равное теплоте парообразования r, выражается площадью s′bcs, и для нее имеет место соотношение:

Количество подведенной теплоты в процессе перегрева водяного пара изображается площадью s″cds.

На T, s-диаграмме видно, что по мере увеличения давления теплота парообразования уменьшается и в критической точке становиться равной нулю.

Обычно T, s-диаграмма применяется при теоретических исследованиях, так как практическое использование ее сильно затрудняется тем, что количества теплоты выражаются площадями криволинейных фигур.

По материалам моего конспекта лекций по термодинамике и учебника «Основы энергетики». Автор Г. Ф. Быстрицкий. 2-е изд., испр. и доп. — М. :КНОРУС, 2011. — 352 с.

Видео:Всё про влажность и водяной пар за 4 часа | Олимпиадная физикаСкачать

Состояния водяного пара

Изохорный процесс. В изохорном процессе при подводе теплоты к влажному пару увеличивается его давление и температура. При v = const степень сухости с уменьшением температуры может как убывать, так и возрастать. Если начальное состояние вещества находится вблизи кривой х = 0, то с уменьшением температуры при v = const степень сухости увеличивается. Если начальное состояние вещества находится вблизи кривой x = 1, то с уменьшением температуры степень сухости также уменьшается. В изохорном процессе внешняя работа равна нулю. Подведенное количество теплоты расходуется на изменение удельной внутренней энергии рабочего тела:

Если удельный объем v процесса меньше объема сухого насыщенного пара конечного состояния, то в конце процесса пар влажный; если , то пар перегретый. Степень сухости влажного пара можно определить по формуле

, откуда

На pv-диаграмме изохорный процесс изображается отрезком прямой, параллельной оси ординат (рис. 8.4-а), на Ts-диаграмме процесс изображается кривой линией (рис. 8.4-б). В области влажного пара изотропа направлена выпуклостью вверх, а в области перегретого пара – вниз. На is-диаграмме изохора изображается кривой, направленной выпуклостью вниз (рис. 8.4 –в).

Рис. 8.4. Изохорный процесс водяного пара

Изобарный процесс. На pv-диаграмме изобарный процесс изображается отрезком горизонтально прямой, который в области влажного пара изображает и изотермический процесс одновременно (рис. 8.5–а). На Ts-диаграмме в области влажного пара изобара изображается прямой горизонтальной линией, а в области перегретого пара – кривой, обращенной выпуклостью вниз (рис. 8.5–б). На is-диаграмме изобара в области насыщенного пара представляется прямой линией, пересекающей пограничные кривые жидкости и пара. При подводе теплоты к влажному пару степень его сухости увеличивается и он (при постоянной температуре) переходит в сухой, а при дальнейшем подводе теплоты – в перегретый пар. Изобара в области перегретого пара представляет собой кривую, направленную выпуклостью вниз (рис. 8.5-в).

Рис. 8.5. Изобарный процесс водяного пара

Изменение удельной внутренней энергии пара Du = u₂ – u₁

В том случае, когда q задано и требуется найти параметры второй точки, лежащей в области двухфазных состояний, применяется формула для энтальпий влажного пара

,

откуда находится степень сухости х₂, зная которую можно легко найти остальные параметры.

Изотермический процесс. На pv-диаграмме в области влажного пара изотермический процесс изображается горизонтальной прямой. Для насыщенного пара этот процесс совпадает и изобарным. В области перегрева давление пара понижается, а процесс изображается кривой с выпуклостью вниз к оси абсцисс (рис. 8.6-а).

На Ts-диаграмме изотермический процесс изображается отрезком горизонтали (рис. 8.6-б).

На is-диаграмме в области влажного пара изотерма совпадает с изобарой и является прямой наклонной линией. В области перегретого пара изотерма изображается выпуклостью вверх (рис. 8.6-в).

Удельная энергия водяного пара в отличие от внутренней энергии идеального газа изменяется вследствие изменения потенциальной составляющей, поэтому при T = const

Подведенное удельное количество теплоты в процессе

Внешняя работа определяется из первого закона термодинамики:

Рис. 8.6. Изотермический процесс водяного пара

Адиабатный процесс. На pv-диаграмме обратимый адиабатный процесс изображается некоторой кривой (рис. 8.7-а).

Адиабатный процесс совершается без подвода и отвода теплоты, и энтропия рабочего тела при обратимом процессе остается постоянной величиной: s = const. Поэтому на is— и Ts-диаграммах адиабаты изображаются вертикальными прямыми (рис. 8.7-б, в). При адиабатном расширении давление и температура пара уменьшаются; перегретый пар переходит в сухой, а затем во влажный пар. Из условий постоянства энтропий возможно определение конечных параметров пара, если известны параметры начального и один параметр конечного состояний.

Удельная работа в адиабатном процессе определяется из уравнения

Изменение удельной внутренней энергии

Рис. 8.7. Адиабатный процесс водяного пара

Пример 8.1.Определить параметры влажного насыщенного водяного пара при давлении 2,0 МПа и степени сухости .

Р е ш е н и е. По таблицам водяного пара или по диаграмме находим параметры кипящей воды и сухого насыщенного пара при МПа:

°С; кДж/кг; м 3 /кг;

м 3 /кг; кДж/кг; кДж/кг;

кДж/(кг×К); кДж/(кг×К).

По этим данным определяем параметры заданного состояния

м 3 /кг;

кДж/кг;

Кдж/(кг×К).

Пример 8.2.Определить состояние пара, если дано:

1) МПа и м 3 /кг; 2) МПа и °С.

Р е ш е н и е. 1. При МПа объем сухого пара равен м 3 /кг, поэтому пар с объемом м 3 /кг будет влажным со степенью сухости

м 3 /кг.

2. При МПа температура насыщенного пара равна °С. Так как заданная температура пара °С выше температуры насыщения, то, очевидно, пар будет перегретым.

Пример 8.3.Определить состояние водяного пара при давлении 1,5 МПа, если на его получение из воды с температурой 0°Сбыло затрачено 2400 кДж/кг теплоты.

Р е ш е н и е. Так как энтальпия сухого пара при давлении 1,5 МПа равна кДж/кг (считая, что при 0°С ), энтальпия полученного пара считаем равной кДж/кг. Этот пар влажный, так как кДж/кг.

Степень сухости определяем из уравнения

.

Пример 8.4.Определить с помощью таблиц конечное давление, степень сухости и отведенное количество теплоты, если в закрытом сосуде объемом 2 м 3 сухой насыщенный пар охлаждается от начальной температуры °С до конечной температуры °С.

Р е ш е н и е. Начальное давление пара при равно р₁ =

= 1,0 МПа. Конечное давление пара при °С равно р₂ = 0,018 МПа. Пи постоянном объеме м 3 /кг, кДж/кг.

Степень сухости в конце процесса

.

Удельное количество теплоты, отведенное в изохорном процессе, будет равно

, где =

кДж/кг. Тогда получим:

= кДж/кг.

Так как в процессе участвует 2 м 3 паа, масса которого кг, то отведенное количество теплоты будет равно

кДж.

Пример 8.5.Водяной пар массой 1 кг пи давлении МПа и степени сухости нагревается пи постоянном давлении до 300 °С. Определить с помощью таблиц и диаграммы теплоту в процессе, работу расширения и изменение внутренней энергии пара.

Р е ш е н и е. Начальная удельная энтальпия

кДж/кг.

Конечная удельная энтальпия по диаграмме составляет

кДж/кг, а удельное количество теплоты

кДж/кг.

Удельная работа пара равна

кДж/кг,

изменение внутренней энергии

кДж/кг.

Пример 8.6.Определить количество теплоты, сообщаемое пару, изменение внутренней энергии и работу расширения, если пар с температурой 300°С расширяется по изотерме от давления 1,0 МПа до давления 0,1 МПа.

Р е ш е н и е. Подводимое количество теплоты определим по диаграмме, или с помощью таблиц состояния водяного пара:

кДж/кг.

Изменение внутренней энергии пара:

кДж.

Внутренняя энергия пара (как реального газа) есть функция не только температуры, но и объема.

Удельная работа расширения

кДж/кг.

Видео:Уравнение состояния идеального газа. 10 класс.Скачать

Водяной пар

Общие положения. Определение параметров состояния водяного пара. Pv — Тs — и hs – диаграммы состояния водяного пара. Процесс парообразования в паровых диаграммах.

Процесс парообразования. Основные понятия и определения. Рассмотрим про­цесс получения пара. Для этого 1 кг во­ды при температуре 0 °С поместим в ци­линдр с подвижным поршнем. Приложим к поршню извне некоторую постоянную силу Р. Тогда при площади поршня F давление будет постоянным и равным p=P/F. Изобразим процесс парообразо­вания, т. е. превращения вещества из жидкого состояния в газообразное, в р,v-диаграмме

Начальное состояние воды, находя­щейся под давлением р и имеющей тем­пературу 0°С, изобразится на диаграм­ме точкой a0. При подводе теплоты к воде ее температура постепенно повышается до тех пор, пока не достигнет температу­ры кипения ts, соответствующей данному давлению. При этом удельный объем жидкости сначала уменьшается, дости­гает минимального значения при t=4°С, а затем начинает возрастать. (Такой аномалией — увеличением плот­ности при нагревании в некотором диа­пазоне температур — обладают немногие жидкости. У большинства жидкостей удельный объем при нагревании увели­чивается монотонно). Состояние жидко­сти, доведенной до температуры кипения, изображается на диаграмме точкой а’.

При дальнейшем подводе теплоты начинается кипение воды с сильным увеличением 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 ts, 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 сухим насыщенным. Состояние его изображается точ­кой а».

Рисунок 1 — р-v-диаграмма водяного пара

Насыщенным называется пар, находящийся в термическом и динамиче­ским 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 равно­весном состоянии находится максималь­но возможное при данной температуре число 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 поверхности воды. Отсюда следует, что давление насыщенного пара является 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 пере­ходит в жидкость, но в обоих случаях давление пара остается постоянным.

Насыщенный пар, в котором отсут­ствуют взвешенные частицы жидкой фа­зы, называется сухим насыщенным паром. Его удельный объем и темпера­тура являются функциями давления. По­этому состояние сухого пара можно за­дать любым из параметров — давлением, удельным объемом или температурой.

Двухфазная смесь, представляющая собой пар со взвешенными в нем капель­ками жидкости, называется влажным насыщенным паром. Массовая до­ля сухого насыщенного пара во влажном называется степенью сухости па­ра и обозначается буквой х. Массовая доля кипящей воды во влажном паре, равная 1-х, называется степенью влажности. Для кипящей жидкости х=0, а для сухого насыщенного пара х=1. Состояние влажного пара характе­ризуется двумя параметрами: давлением (или температурой насыщения ts, опре­деляющей это давление) и степенью су­хости пара.

При сообщении сухому пару теплоты при том же давлении его температура будет увеличиваться, пар будет перегре­ваться. Точка а изображает состояние перегретого пара ив зависимости от температуры пара может лежать на разных расстояниях от точки а». Таким образом, перегретым называется пар, температура которого превышает температуру насыщенного пара того же давления.

Так как удельный объем перегретого пара при том же давлении больше, чем насыщенного, то в единице объема пере­гретого пара содержится меньшее коли­чество молекул, значит, он обладает меньшей плотностью. Состояние перегретого пара, как и любого газа, определя­ется двумя любыми независимыми пара­метрами.

Если рассмотреть процесс парообра­зования при более высоком давлении, то можно заметить следующие изменения. Точка a0, соответствующая состоянию 1 кг воды при 0 °С и новом давлении, остается почти на той же вертикали, так как вода практически несжимаема. Точ­ка а’ смещается вправо, ибо с ростом давления увеличивается температура ки­пения, а жидкость при повышении темпе­ратуры расширяется. Что же касается пара (точка а»), то, несмотря на увели­чение температуры кипения, удельный объем пара все-таки падает из-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 критической. В критиче­ской точке различия между жидкостью и паром исчезают. Для воды параметры критической точки К составляют: ркр=221,29·105 Па; tкр = 374,15 °С; vкр = 0,00326 м3/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 Tкр парами. Чем выше температура перегрева (при данном давлении), тем ближе пар по своим свойствам к идеаль­ному газу.

Наименьшим давлением, при котором еще 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 рисунке). Параметры тройной точки для воды: р0 = 611 Па; t0 = 0,01 °С; v0=0,00100 м3/кг. Процесс парообразования, происходящий при абсолютном давлении р0=611 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 субли­мацией.

Если теперь соединить одноименные точки плавными кривыми, то получим нулевую изотерму I, каждая точка которой соответствует состоянию 1 кг во­ды при 0°С и давлении р, нижнюю пограничную кривую II, пред­ставляющую зависимость от давления удельного объема жидкости при темпе­ратуре кипения, и верхнюю погра­ничную кривую III, дающую зави­симость удельного объема сухого насы­щенного пара от давления.

Все точки горизонталей между кри­выми II и III соответствуют состояниям влажного насыщенного пара, точки кри­вой II определяют состояние кипящей воды, точки кривой III — состояния сухого насыщенного пара. Влево от кривой II до нулевой изотермы лежит область некипящей однофазной жидкости, впра­во от кривой III — область перегретого пара. Таким образом, кривые II и III определяют область насыщенного пара, отделяя ее от области воды и перегретого пара, и поэтому называются пограничными. 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 подведенная к жидкости теплота , то, при­менив это соотношение к процессу а’а», получим

.

Величина r называется теплотой парообразования и определяет количество теплоты, необходимое для превращения одного килограмма воды в сухой насыщенный пар той же темпе­ратуры.

Приращение энтропии в процессе па­рообразования определяется формулой

.

За нулевое состояние, от которого отсчитываются величины s‘, принято состояние воды в тройной точке. Так как состояние кипящей воды и сухого насы­щенного пара определяется только од­ним параметром, то по известному давле­нию или температуре из таблиц воды и водяного пара берутся значения v‘, v» , h‘, h» ,s‘, s«, r.

Удельный объем vx, энтропия sx и эн­тальпия hx влажного насыщенного пара определяются по правилу аддитивности. Поскольку в 1 кг влажного пара содер­жится x кг сухого и кг кипящей воды, то

.

;

;

Непосредственно из таблиц взять па­раметры влажного пара нельзя. Их опре­деляют по приведенным выше формулам по заданному давлению (или температу­ре) и степени сухости.

Однофазные состояния некипящей воды и перегретого пара задаются двумя параметрами. По заданным давлению и температуре из таблиц воды и перегре­того пара находят значения v, h, s.

Т — s-диаграмма водяного пара. Для исследования различных процессов с во­дяным паром кроме таблиц используется Т — s-диаграмма. Она строится путем переноса числовых данных таблиц водяного пара в Т — s-координаты.

Рисунок 2 — T — s-диаграмма водяного пара

Состояние воды в тройной точке (s0 = 0; T0 = 273,16 К) изображается в диаграмме точкой А’. Откладывая на диаграмме для разных температур значения s‘ и s«, получим нижнюю и верх­нюю пограничные кривые. Влево от ни­жней пограничной кривой располагается область жидкости, между пограничными кривыми — двухфазная область влажно­го насыщенного пара, вправо и вверх от верхней пограничной кривой — область перегретого пара.

На диаграмму наносят изобары, изохоры и линии постоянной степени су­хости, для чего каждую изобару а’а» делят на одинаковое число частей и сое­диняют соответствующие точки линиями x = const. Область диаграммы, лежащая ниже нулевой изотермы, отвечает раз­личным состояниям смеси пар+лед.

h— s-диаграмма водяного пара. Если за независимые параметры, определяю­щие состояние рабочего тела, принять энтропию s и энтальпию h, то каждое состояние можно изобразить точкой на h-s-диаграмме.

На рисунке 6.3 изображена h, s-диаграм­ма для водяного пара, которая строится путем переноса числовых данных таблиц водяного пара в h—s-координаты.

За начало координат принято состоя­ние воды в тройной точке. Откладывая на диаграмме для различных давлений значения s‘ и h» для воды при температу­ре, кипения, а также s« и h« для сухого насыщенного пара, получаем нижнюю и верхнюю пограничные кривые.

Рисунок 3 — h-s-диаграмма водяного пара

Изобары в двухфазной области влаж­ного пара представляют собой пучок рас­ходящихся прямых. Действительно, в процессе р=const , или , т. е. тангенс угла на­клона изобары в h, s-координатах числен­но равен абсолютной температуре данно­го состояния. Так как в области насыще­ния изобара совпадает с изотермой, тангенс угла наклона постоянен и изо­бара является прямой. Чем выше давле­ние насыщения, тем выше температура, тем больше тангенс угла наклона изо­бары, поэтому в области насыщения пря­мые р = const расходятся. Чем больше давление, тем выше лежит изобара. Кри­тическая точка К лежит не на верши­не, как это было в р — v— и Т — s-диаграммах, а на левом склоне пограничной кри­вой.

В области перегрева температура па­ра (при постоянном давлении) растет с увеличением s примерно по логарифми­ческой кривой и крутизна изобары увели­чивается. Аналогичный характер имеют изобары и в области воды, но они идут так близко от пограничной кривой, что практически сливаются с ней.

При низких давлениях и относитель­но высоких температурах перегретый пар по своим свойствам близок к идеальному газу. Так как в изотермическом процессе энтальпия идеального газа не изменяет­ся, изотермы сильно перегретого пара идут горизонтально. При приближение к области насыщения, т. е. к верхней пограничной кривой, свойства перегрето­го пара значительно отклоняются от свойств идеального газа и изотермы искривляются.

В h— s-диаграмме водяного пара нанесены также линии v=const, идущие круче изобар.

Обычно всю диаграмму не выполня­ют, а строят только ее верхнюю часть, наиболее употребительную в практике расчетов. Это дает возможность изобра­жать ее в более крупном масштабе.

Для любой точки на этой диаграмме можно найти р, v, t, h, s, x. Большое достоинство диаграммы состоит в том, что количество теплоты в изобарном про­цессе равно разности ординат конечной и начальной точек процесса и изобража­ется отрезком вертикальной прямой, а не площадью как в Т-s-диаграмме, поэтому h—s-диаграмма исключительно широко используется при проведении тепловых расчетов.

Основные термодинамические про­цессы водяного пара. Для анализа рабо­ты паросиловых установок существенное значение имеют изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы. Расчет этих процессов можно выполнить либо с помощью таблицы воды и водяно­го пара, либо с помощью h, s-диаграммы. Первый способ более точен, но второй более прост и нагляден.

Общий метод расчета по h—s-диаг­рамме состоит в следующем. По извест­ным параметрам наносится начальное состояние рабочего тела, затем прово­дится линия процесса и определяются его параметры в конечном состоянии. Далее вычисляется изменение внутрен­ней энергии, определяются количества теплоты и работы в заданном процессе.

Изохорный процесс. Из диаграммы на рисунке видно, что нагреванием при постоянном объеме влажный пар можно перевести в сухой насыщен­ный и перегретый. Охлаждением его можно сконденсировать, но не до конца, так как при каком угодно низком давле­нии над жидкостью всегда находится не­которое количество насыщенного пара. Это означает, что изохора не пересекает нижнюю пограничную кривую.

Рисунок 4 — Изохорный процесс водяного пара.

Изменение внутренней энергии водного пара при v=const

.

Данная формула справедлива и для всех без исключения остальных термоди­намических процессов.

В изохорном процессе работа 1=0, поэтому подведенная теплота расходует­ся (в соответствии с первым законом термодинамики) на увеличение внутрен­ней энергии пара:

Изобарный процесс. При подводе теплоты к влажному насыщен­ному пару его степень сухости увеличи­вается и он (при постоянной температу­ре) переходит в сухой, а при дальнейшем подводе теплоты — в перегретый пар (температура пара при этом растет). При отводе теплоты влажный пар конденсируется при Ts= const.

Полученная в процессе теплота рав­на разности энтальпий:

.

Работа процесса подсчитывается по формуле:

.

Рисунок 5 — Изобарный процесс водяного пара

Изотермический процесс. Внутренняя энергия водяного пара в процессе T = const не остается постоян­ной (как у идеального газа), так как изменяется ее потенциальная составляю­щая. Величина находится по формуле .

Количество полученной в изотерми­ческом процессе теплоты равно

.

Работа расширения определяется из первого закона термодинамики:

.

Рисунок 6 — Изотермический процесс водяного пара

Адиабатный процесс. При адиабатном расширении давление и температура пара уменьшаются, и перегре­тый пар становится сначала сухим, а за­тем влажным. Работа адиабатного про­цесса определяется выражением

.

Рисунок 7 — Адиабатный процесс водяного пара

Уравнение состояния реальных га­зов

В реальных газах в отличие от иде­альных существенны силы межмолеку­лярных взаимодействий (силы притяже­ния, когда молекулы находятся на значи­тельном расстоянии, и силы отталкивания при достаточном сближении их друг с другом) и нельзя пренебречь собствен­ным объемом молекул.

Наличие межмолекулярных сил от­талкивания приводит к тому, что молеку­лы могут сближаться между собой толь­ко до некоторого минимального расстоя­ния. Поэтому можно считать, что свобод­ный для движения молекул объем будет равен , где b — тот наименьший объем, до которого можно сжать газ. В соответствии с этим длина свободного пробега молекул уменьшается и число ударов о стенку в единицу времени, а следовательно, и давление увеличива­ется по сравнению с идеальным газом в отношении , т. е.

.

Силы притяжения действуют в том же направлении, что и внешнее давле­ние, и приводят к возникновению молеку­лярного (или внутреннего) давления. Сила молекулярного притяжения каких-либо двух малых частей газа пропорцио­нальна произведению числа молекул в каждой из этих частей, т. е. квадрату плотности, поэтому молекулярное давле­ние обратно пропорционально квадрату удельного объема газа: рмол = а/v2, где а — коэффициент пропорциональности, зависящий от природы газа.

Отсюда получаем уравнение Ван-дер-Ваальса (1873 г.):

,

или

.

При больших удельных объемах и сравнительно невысоких давлениях ре­ального газа уравнение Ван-дер-Ваальса практически вырождается в уравнение состояния идеального газа Клапейрона, ибо величина a/v2

(по сравнению с p) и b (по сравнению с v) становятся прене­брежимо малыми.

Уравнение Ван-дер-Ваальса с ка­чественной стороны достаточно хорошо описывает свойства реального газа, но результаты численных расчетов не всег­да согласуются с экспериментальными данными. В ряде случаев эти отклонения объясняются склонностью молекул ре­ального газа к ассоциации в отдельные группы, состоящие из двух, трех и более молекул. Ассоциация происходит вслед­ствие несимметричности внешнего элек­трического поля молекул. Образовавши­еся комплексы ведут себя как самостоя­тельные нестабильные частицы. При столкновениях они распадаются, затем вновь объединяются уже с другими мо­лекулами и т. д. По мере повышения тем­пературы концентрация комплексов с большим числом молекул быстро уменьшается, а доля одиночных молекул растет. Большую склонность к ассоциа­ции проявляют полярные молекулы во­дяного пара.

🎥 Видео

Олимпиадная физика 2023 | Водяной пар, влажность - с ЛЕГКИМ паром!Скачать

Урок 187. Испарение и конденсация. Насыщенный пар и его свойстваСкачать

Урок 189. Влажность воздуха. Абсолютная и относительная влажностьСкачать

Влажность. Всё, что нужно знать про водяной пар для ЕГЭ 2024 по физикеСкачать

Насыщенный и ненасыщенный пар. Влажность воздуха. Практическая часть. 10 класс.Скачать

Олимпиадная физика. Насыщенный пар. ВлажностьСкачать

Парадокс сужающейся трубыСкачать

Работа с диаграммой воды и водяного параСкачать

Забудьте всё что слышали про бензин! Это прорыв! Двигатель на нагретом бензопаре!Скачать

Интенсив "Физтех за месяц" | Влажность. Водяной парСкачать

ОЛИМПИАДНАЯ ФИЗИКА Водяной пар Влажный воздухСкачать

Урок 156. Уравнение состояния идеального газа. Квазистатические процессыСкачать

Термодинамические процессы водяного параСкачать

Расщепление воды (пара). Обзор патентов RU165752U1, RU180441U1.Скачать

Всё про влажность и водяной пар для ОГЭ 2023 по физикеСкачать

Уравнение состояния идеального газа | Физика 10 класс #33 | ИнфоурокСкачать