Термодинамические свойства паров

Любое чистое вещество может находиться в твердой, жидкой или газообразной фазе. Переход вещества из одной фазы в другую связан с изменением параметров при передаче теплоты. Промежуточное состояние вещества между газом и жидкостью называется паром. Приближенно соотношение между параметрами пара можно характеризовать уравнением Клапейрона-Менделеева или уравнением Ван-дер-Ваальса.

Рис. 1.3. Диаграмма реального газа

Если сжимать газ при постоянной температуре, то можно достичь состояния насыщения (сжижения газа), соответствующего этой температуре и некоторому определенному давлению. При дальнейшем сжатии пар будет конденсироваться и в определенный момент полностью превратится в жидкость. Процесс перехода пара в жидкость происходит при постоянных температуре и давлении, так как давление насыщенного пара однозначно определяется температурой. На р-u-диаграмме (рис. 1.3) область двухфазных состояний (пар и жидкость) лежит между кривыми кипящей жидкости и сухого насыщенного пара. При увеличении давления эти кривые сближаются. Сближение происходит потому, что объем пара уменьшается, а объем жидкости увеличивается. При некотором определенном для данной жидкости (пара) давлении кривые кипящей жидкости и пара встречаются в критической точке К, которой соответствуют критические параметры: давление р_КР, температура Т_КР, удельный объем u_КР, характеризующие критическое состояние вещества. При критическом состоянии исчезают различия между жидкостью и паром. При температуре более высокой, чем критическая, газ ни при каком давлении не может сконденсироваться, т.е. превратиться в жидкость.

1.3.2. Водяной пар. Парообразование при постоянном давлении

Водяной пар получил широкое распространение как рабочее вещество в тепловых двигателях и как движущая среда, используемая для осуществления процесса теплообмена в теплообменных аппаратах.

Водяной пар есть вода в газообразном состоянии.

Процесс превращения воды в пар называется парообразованием и может осуществляться двумя различными по интенсивности и характеру процессами: испарением и кипением.

Под испарением понимают парообразование, происходящее на свободной поверхности воды при температуре ниже точки кипения при данном давлении.

Кипение – процесс интенсивного испарения не только со свободной поверхности воды, но и со всего объема образующихся внутри пузырьков пара.

Рассмотрим процесс парообразования 1 кг воды, заключенного в цилиндр 1 с подвижным поршнем 2 (рис. 1.4), давление под которым в течение всего процесса остается постоянным. Предположим, что в начальном состоянии (положение поршня 0) вода находится при t₀ = 0 ^ОС и занимает объем u₀ = 0,001 м³/кг.

При изобарном процессе подвода теплоты к воде температура и удельный объем воды будет увеличиваться, и при достижении некоторой температуры t_S вода закипит. На рис. 1.4 состоянию воды на границе кипения соответствует положение поршня 1.

Рис. 1.4. Процесс парообразования

При дальнейшем подводе теплоты начинается парообразование. Часть молекул пара, движущихся в пространстве под поршнем равномерно по всем направлениям, соприкасается с поверхностью воды и возвращается обратно в нее. Происходит процесс превращения пара в жидкость (конденсация). В некоторый момент, когда скорости конденсации и парообразования сравниваются, в системе наступает динамическое равновесие.

Пар, находящийся в термодинамическом равновесии с водой, из которой он образуется, называется насыщенным.

Влажный насыщенный пар представляет собой смесь пара с жидкостью, причем жидкость может быть сосредоточена в нижней части цилиндра или равномерно распределена в виде мельчайших капель по всему объему.

Процесс парообразования идет при постоянном давлении и температуре (изобарно-изотермический процесс). Вследствие этого свойства насыщенного пара определяются температурой, являющейся функцией давления среды, в которой происходит процесс парообразования. При подводе теплоты в процессе парообразования количество пара будет возрастать с одновременным уменьшением количества кипящей воды. Положение поршня 2 на рис. 1.4 соответствует моменту окончания процесса парообразования.

Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар, называется теплотой парообразования.

Во всех промежуточных состояниях между первым и вторым положениями поршня (см. рис. 1.4) под ним находится влажный насыщенный пар, представляющий собой смесь m' кг кипящей жидкости и m" кг сухого насыщенного пара.

Отношение называют степенью сухости влажного насыщенного пара, а величину - степенью влажности. Степень сухости изменяется от х = 0 (кипящая вода) до х = 1 (сухой насыщенный пар).

При подводе теплоты сухой насыщенный пар переходит в состояние перегретого пара (положение поршня 3 на рис. 1.4). Под перегретым понимают пар, температура которого выше температуры насыщенного пара того же давления.