Диаграмма sT для водяного пара

При вычислении удельной энтропии водяного пара ее условно принимают равной нулю ( = 0) в тройной точке для жидкой фазы (Т = 273,16 К для воды). Следовательно, в системе координат sT (рис. 7.3) тройная точка находится на оси температур при значении Т₀= 273,16 К (0,01°С).

Рисунок 5.5 - sT-диаграмма водяного пара

Приращение удельной энтропии жидкости при повышении ее температуры вдоль пограничной кривой от температуры Т_А = 273,16 К до температуры Ts определяется по формуле:

следовательно, в координатах sT нижняя пограничная кривая изображается логарифмической кривой, берущей свое начало из точки с координатами s₀ = 0; Т = 273,16 К.

Изобара жидкости по характеру (и по месту расположения) очень близка к нижней пограничной кривой.

Площадь численно равна теплоте парообразования .

В изобарном, одновременно являющимся изотермическим процессе парообразования приращение удельной энтропии находят по формуле:

и удельную энтропию сухого насыщенного пара – по формуле:

Откладывая от нижней пограничной кривой горизонтальные отрезки, равные , получаем ряд точек, принадлежащих верхней пограничной кривой.

Изменение удельной энтропии в равновесном изобарном процессе перегрева пара:

,

следовательно, изобара перегрева пара изображается логарифмической кривой.

Площадь численно равна теплоте перегрева .

5.9 si-диаграмма водяного пара

Для изучения и расчетов различных термодинамических процессов удобно пользоваться si-диаграммой (рис. 5.6).

Рисунок 5.6 - si-диаграмма водяного пара

В системе координат si наносят пограничные кривые, изобары и изотермы (иногда и изохоры). За начало координат принимают состояние воды в тройной точке, где s₀ = 0, i₀ = 0. Состояние воды изображается точками на соответствующих изобарах, которые практически сливаются с пограничной кривой жидкости. Линии изобар в области влажного пара являются прямыми наклонными линиями, расходящимися веером от пограничной кривой сухого пара.

В области перегретого пара изобары имеют кривизну с выпуклостью вниз.

В области влажного пара наносится сетка линий постоянной сухости пара (x = const), которые сходятся в критической точке К.

Изотермы в области влажного пара совпадают с изобарами. В области перегретого пара они расходятся: изобары поднимаются вверх, а изотермы представляют собой кривые линии, обращенные выпуклостью вверх. При низких давлениях изотермы близки к горизонтальным прямым. С повышением давления кривизна изотермы увеличивается.

На диаграмму наносится сетка изохор, которые имеют вид кривых, поднимающихся более круто вверх по сравнению с изобарами.

Обратимый адиабатный процесс в si-диаграмме изображается вертикальными прямыми.

Термодинамические процессы изменения состояния водяного пара

Изохорный процесс

Рисунок 5.7 - Изохорное изменение состояния пара

В изохорном процессе внешняя работа равна нулю, подведенная теплота расходуется на изменение внутренней энергии тела:

.

На vp-диаграмме изохорный процесс изображается отрезком прямой, параллельной оси ординат, на sT– диаграмме плавной линией. В области влажного пара изохора направлена выпуклостью вверх, а в области перегретого пара – вниз. На si-диаграмме изохора изображается кривой, направленной выпуклостью вниз.

Изобарный процесс

Рисунок 5.9 - Изобарное изменение состояния пара

На vP-диаграмме изобарный процесс изображается отрезком горизонтальной прямой, который в области влажного пара представляет собой и изотермический процесс одновременно, на sТ-диаграмме в области влажного пара изобара -прямая, а в области перегретого пара – кривая, обращенная выпуклостью вниз.

Внутренняя энергия, работа, подведенная теплота:

; ; .

Когда q задана: , откуда находится степень сухости.

Изотермический процесс

Рисунок 5.10 - Изотермическое изменение состояния пара

На vP-диаграмме в области влажного пара изотерма – прямая линия, а в области перегретого – кривая с выпуклостью вниз.

В sТ-диаграмме изотерма - прямая, параллельная оси абсцисс.

Внутренняя энергия водяного пара, в отличие от внутренней энергии идеального газа, изменяется вследствие изменения потенциальной составляющей:

Количество подведенной теплоты в процессе равно:

; l = q - Du.

5.10.4 Адиабатный процесс

На si и sT – диаграммах адиабаты изображаются вертикальной прямой. При адиабатном расширении давление и температура пара уменьшаются; перегретый пар переходит в сухой, а затем во влажный.

На vP-диаграмме обратимый процесс изображается некоторой кривой.

Рисунок 5.11 - Адиабатное изменение состояния водяного пара

5.11 Влажный воздух

5.11.1 Основные понятия и определения

В окружающем нас воздухе содержится некоторое количество водяного пара. Смесь сухого воздуха и водяного пара называется влажным воздухом. При невысоких давлениях, когда парциальное давление пара в смеси имеет небольшое значение, можно принять, что газ (воздух) подчиняется уравнению Клапейрона, т.е. влажный газ рассматривается как идеальный. По закону Дальтона давление влажного воздуха можно записать как сумму

(5.41)

где - парциальное давление сухого воздуха;

- парциальное давление водяного пара.

Состояние пара во влажном газе определяется его температурой и парциальным давлением.

Максимальное парциальное давление водяного пара при заданной температуре называется давлением насыщенияи обозначается р _s.

Влажный воздух, в котором парциальное давление пара р_п меньше р_s, называется ненасыщенным. При этом водяной пар, содержащийся в нем, находится в перегретом состоянии. Если ненасыщенный влажный воздух охлаждать при постоянном давлении, то можно достигнуть состояния, при котором р_п станет равным р_s. Влажный воздух в таком состоянии называется насыщенным.

Температура влажного воздуха, при которой р_п становится равной р_s называется точкой росы.

При дальнейшем охлаждении насыщенного воздуха р_п превысит р_s, пар станет влажным и начнет конденсироваться.