Водяной пар. 16 Водяной пар Термодинамические таблицы воды и водяного пара. 1 4 Водяной пар. Термодинамические таблицы воды и водяного пара, pv, ts, hs диаграммы водяного пара
 Скачать 89.18 Kb.
|
|
1.4.4 Водяной пар. Термодинамические таблицы воды и водяного пара, PV, TS, HS - диаграммы водяного пара. Вода и водяной пар как рабочее тело и теплоноситель получили наибольшее применение в промышленности. Это объясняется широким распространением воды в природе, а также тем, что вода и водяной пар обладают относительно хорошими термодинамическими характеристиками. Процесс превращения жидкости в пар называют парообразованием. Парообразование происходит в двух случаях: при испарении и при кипении. Испарением называют процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное или парообразное, происходящий на поверхности жидкости. Так как частицы находятся в движении при любой температуре, то и испарение также происходит при любой температуре. Пример: «Мы знаем, что лужи после дождя высыхают даже в холодную погоду». Но скорость испарения зависит от многих факторов. Например, температура вещества. Чем она выше, тем больше скорость движения частиц и их энергия, и тем большее их количество покидает жидкость в единицу времени. Пример: «Наполним одинаковым количеством воды 2 стакана. Один поставим на солнцепёк, а другой оставим в тени. Через некоторое время увидим, что воды в первом стакане стало меньше, чем во втором. Её нагрели солнечные лучи, и она испарилась быстрее. Лужи после дождя летом также высыхают гораздо быстрее, чем весной или осенью. Чем выше температура окружающей среды, тем выше скорость испарения». Скорость испарения зависит также и от площади поверхности испарения. Чем больше эта площадь, тем большее количество молекул вылетает из жидкости в единицу времени. Пример: «При одинаковом объёме жидкость, находящаяся в широкой тарелке, испарится гораздо быстрее жидкости, налитой в стакан». При одинаковых внешних условиях скорость испарения зависит от рода вещества. Пример: «Заполним стеклянные колбы одинаковым объёмом воды и спирта. Через некоторое время увидим, что спирта осталось меньше, чем воды. Он испаряется с большей скоростью. Так происходит, потому что молекулы спирта слабее взаимодействуют друг с другом, чем молекулы воды». Влияет на скорость испарения и наличие ветра. Ветер уносит молекулы, вылетевшие из жидкости, и обратно они уже не возвращаются. Их место занимают новые молекулы, покидающие жидкость. Поэтому в самой жидкости их становится меньше. Следовательно, она испаряется быстрее. Пример: «Мы знаем, что вещи после стирки гораздо быстрее высыхают, когда их обдувает ветер. Струя горячего воздуха в фене способна быстро высушить наши волосы». Испарение происходит и в твёрдых телах. Процесс перехода твёрдых тел в газообразное состояние, минуя жидкую стадию, называют сублимацией или возгонкой. Пример: «Мы видим, как постепенно высыхает на морозе замёрзшее, покрытое льдом бельё. Лёд превращается в пар. Мы ощущаем резкий запах, образующийся при испарении твёрдого вещества нафталина». Кипение - это тоже процесс перехода жидкости в пар. Но парообразование при кипении происходит не только на поверхности жидкости, но и по всему её объёму. Причём процесс этот проходит гораздо интенсивнее, чем при испарении. Пример: «Поставим на огонь чайник с водой. Так как в воде всегда есть растворённый в ней воздух, то при нагревании на дне чайника и на его стенках появляются пузырьки. Эти пузырьки содержат воздух и насыщенный водяной пар. Сначала они появляются на стенках чайника. Количество пара в них увеличивается, увеличиваются в размерах и они сами. Затем под воздействием выталкивающей силы Архимеда они будут отрываться от стенок, подниматься вверх и лопаться на поверхности воды. Когда температура воды достигнет 100 оС, пузырьки будут образовываться уже по всему объёму воды». Испарение происходит при любой температуре, а кипение - только при определённой температуре, которая называется температурой кипения. Если вещество может одновременно существовать в жидкой (или твёрдой) фазе и газообразной, то его газообразное состояние называют паром. Пар образуют молекулы, вылетевшие при испарении из жидкости или твёрдого вещества. Пример: «Нальём жидкость в сосуд и плотно закроем его крышкой. Через некоторое время количество жидкости уменьшится из-за её испарения. Молекулы, покидающие жидкость, будут концентрироваться над её поверхностью в виде пара. Но когда плотность пара станет довольно высокой, некоторые из них начнут снова возвращаться в жидкость. И таких молекул будет всё больше и больше. Наконец, настанет такой момент, когда число молекул, вылетающих из жидкости, и число молекул, возвращающихся в неё, сравняется». Таким образом, пар, соприкасающийся с жидкостью и находящийся в динамическом с ней равновесии, называется насыщенным. Если при парообразовании из жидкости вылетает больше молекул, чем возвращается, то такой пар будет ненасыщенным. Ненасыщенный пар образуется, когда испаряющаяся жидкость находится в открытом сосуде. Покидающие её молекулы рассеиваются в пространстве. Возвращаются в жидкость далеко не все из них. Обратный переход вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией.При конденсации часть молекул пара возвращается в жидкость. Пар начинает превращаться в жидкость (конденсироваться) при определённом сочетании температуры и давления. Такое сочетание называется критической точкой. Максимальная температура, ниже которой начинается конденсация, называется критической температурой.При температуре выше критической газ никогда не превратится в жидкость. При испарении воды её молекулы образуют водяной пар, который смешивается с воздухом или другим газом. Температура, при которой такой пар в воздухе становится насыщенным, начинает конденсироваться при охлаждении и превращается в капельки воды, называется точкой росы. Иногда вещество может перейти из газообразного состояния сразу в твёрдое, минуя жидкую стадию. Такой процесс называется десублимацией. Пример: «Ледяные узоры, которые появляются на стёклах в мороз, и есть пример десублимации. При заморозках почва покрывается инеем - тонкими кристалликами льда, в которые превратились водяные пары из воздуха». Насыщенный пар, в котором отсутствуют взвешенные частицы жидкой фазы, называетсясухим насыщенным паром. Перегретым паром называется пар, температура которого превышает температуру насыщенного пара того же давления. Для анализа работы паросиловых установок большое значение имеют изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы. Изохорный процесс (v = const) в pv-, Ts- и is-диаграммах представлен на рис. 3.6.1.  Рисунок 3.6.1 - Изохорный процесс в pv-, Ts- и is-диаграммах В рv-диаграмме изохорный процесс изображается отрезком прямой, параллельной оси ординат (рис. 3.6.1, а). В Ts-диаграмме процесс изображается кривой линией, которая направлена выпуклостью вверх в области влажного пара и - вниз в области перегретого пара (рис. 3.6.1, 6). В is-диаграмме изохора является кривой линией с выпуклостью вниз (рис. 3.6.1, в). В изохорном процессе внешняя работа равна нулю, и вся теплота, подведенная к рабочему телу, расходуется на изменение внутренней энергии. Количество теплоты, переданное рабочему телу в изохорном процессе, определяется площадью под кривой процесса в Ts-диаграмме. Изобарный процесс (р = const) в pv-, Ts- и is-диаграммах представлен на рис. 3.6.2.  Рисунок 3.6.2 - Изобарный процесс в pv-, Ts- и is-диаграммах В рv-диаграмме он изображается линией, параллельной оси абсцисс (рис. 3.6.2, а). В Ts-диаграмме - горизонтальной прямой в области влажного пара и кривой, имеющей выпуклость вниз, в области перегретого пара (рис. 3.6.2, б). В is-диаграмме изобарный процесс представляется прямой линией в области насыщенного пара и кривой с выпуклостью вниз в области перегретого пара. Изотермический процесс (Т = const) в pv-, Ts- и is-диаграммах представлен на рис. 3.6.3.  Рисунок 3.6.3 - Изотермический процесс в pv-, Ts- и is-диаграммах В рv-диаграмме изотерма в области влажного пара идет параллельно оси абсцисс (совпадая с изобарой), а в области перегретого пара она изображается кривой с выпуклостью вниз (рис. 3.6.3, а). В Ts-диаграмме изотерма представляется линией, параллельной оси абсцисс (рис. 3.6.3, б). В is-диаграмме в области влажного пара изотерма имеет вид прямой линии, совпадающей с изобарой и пересекающей кривые постоянных степеней сухости х, а в области перегретого пара она изображается кривой с выпуклостью, направленной вверх и численно равна площади под кривой процесса в рv-диаграмме (рис. 3.6.3, а). Адиабатный процесс (dq = 0) в pv-, Ts- и is-диаграммах представлен на рис. 3.6.4.  Рисунок 3.6.4 - Адиабатный процесс в pv-, Ts- и is-диаграммах В рv-диаграмме он имеет вид кривой линии с выпуклостью, направленной вниз (рис. 3.6.4, а). В Ts-,и is-диаграммах адиабатный процесс изображается линией, параллельной оси ординат (рис. 3.6.4, б и в). |