Описание экспериментальной установки

 

Установка (рис.3) состоит из колбы 1, помещенной на электронагреватель 2; вакуумного насоса 3; вакуумметра 4. Насос присоединяется к колбе через кран 5. Кран 6 соединяет колбу с атмосферой. В пробку колбы пропущен термометр 7.

Порядок проведения эксперимента

1. Проверить наличие воды в колбе (она должна закрывать головку термометра). Включить нагреватель.

2. При достижении водой температуры 60°С, закрыть кран 6 и открыть кран 5. Включив насос, понижать давление в колбе до начала кипения. В момент начала кипения отключить насос и заметить по вакуумметру величину разряжения р_ВАК.

3. После снятия данных открыть краны 5 и 6 и повысить давление в колбе до атмосферного. Продолжать нагрев воды.

4. Повторить процесс снятия данных через 5 ºС.

5. Продолжать нагрев до закипания воды при атмосферном давления (нулевом разрежении).

6. Записать температуры кипения и р_ВАК в таблицу 1.

7. Выключить нагреватель. Оставить кран 5 закрытым.

8. Определить по барометру атмосферное давление р_АТМ.

 

Примечание. При определении момента закипания воды при пониженном давлении следует иметь в виду, что в первый момент из воды выделяются растворенные газы в виде мелких пузырьков, прилипших к стенкам колбы. Это еще не кипение. Сигналом начала кипения служит появление более крупных, отрывающихся от стенок пузырей.

Обработка экспериментальных данных

 

1. Для каждого опыта определить величину абсолютного давления, соответствующего началу кипения воды: р = р_АТМ  – р_ВАК,

2. Занести результаты измерений и расчетов в таблицу 1.

3. Построить участок нижней пограничной кривой – зависимость давления насыщения от температуры - в координатах р -Т по данным проведенного эксперимента.

4. Для сравнения на этой же диаграмме построить участок линии насыщения фазовой диаграммы по данным приложения 2.

 

Таблица 1

Таблица измерений и обработки результатов

 

№ п/п	Температура насыщения, tS	Разрежение (вакуум) рВАК	Абсолютное давление р	Абсолютная температура	Атмосферное давление рАТМ
	^оС	кгс/см^2	кПа	К	кПа
1 2 … 8

Контрольные вопросы

 

1. Какое состояние описывают точки, лежащие на нижней пограничной кривой?

2. Что такое тройная и критическая точки вещества?

3. Что такое степень сухости? Чему равна степень сухости на нижней пограничной кривой?

3. Как называется процесс равновесного парообразования? Как называется процесс неравновесного парообразования на свободной поверхности?

4. Как меняется температура кипения при росте давления?

5. р-Т диаграмма состояния вещества.

6. р-v диаграмма состояния вещества.

7. Указать состояние рабочего тела, если при данном давлении его температура: а) t < t_S (меньше температуры насыщения); б) t > t_S; в) t = t_S.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ СУХОСТИ ВЛАЖНОГО НАСЫЩЕННОГО ВОДЯНОГО ПАРА

Цель работы: углубление знаний по разделу «Реальные газы и пары». Получение навыков практического исследования свойств влажного пара.

Общие положения

Влажный насыщенный пар (ВНП) - это равновесная смесь жидкого и газообразного состояний вещества: насыщенной жидкости (НЖ) и сухого насыщенного пара (СНП). Согласно правилу фаз Гиббса, параметры каждой из находящихся в равновесии фаз двухфазной смеси полностью определяются заданием одного независимого параметра, которым служит, как правило, давление или температура. Однако, для определения характеристик смеси в целом, необходимо знать ее состав. Он задается введением дополнительной характеристики - степени сухости, которая представляет собой массовую долю сухого насыщенного пара:

 

                            (1)

 

Она может меняться в пределах от 0, что соответствует чистой насыщенной жидкости, до 1,что соответствует сухому насыщенному пару.

Область существования влажного насыщенного пара можно изобразить на термодинамических диаграммах (исключая диаграмму р-Т, на которой она вырождается в линию насыщения). Наиболее удобной для анализа является диаграмма Т-s (рис.1).

Область существования влажного насыщенного пара на ней ограничена нижней и верхней пограничными кривыми, которые отделяют ее от областей ненасыщенной жидкости и перегретого пара. Из-за крайне слабой зависимости свойств жидкости от давления область ненасыщенной жидкости практически сливается с нижней пограничной кривой, и свойства жидкости определяются только температурой.

Пограничные кривые сходятся в критической точке (точка К), где различие жидкости и пара пропадает. Снизу область влажного пара ограничивается горизонтальной линией - изотермой температуры тройной точки (точка О), равной 273,16 К. Ниже этой изотермы находится область равновесия лед-пар.

На диаграмме показаны линии основных термодинамических процессов: изобары p = const (сплошная линия) и изохоры (пунктирная линия). Также показаны линии х = const, которые веером выходят из критической точки К. Если известна температура или давление влажного насыщенного пара, то, используя таблицы термодинамических свойств воды и пара, можно найти такие величины, как объем, энтальпию и энтропию влажного пара:

 

v = v″·x + v′·(1–x),                                   (2)

 

h = h″·x + h′·(1–x) = h′ + r·x,                             (3)

 

s = s″·x + s΄·(1–x) = s′ + r·x/T_S,                        (4)

 

где r = h″ – h′, кДж/кг - удельная теплота парообразования.

штрих соответствует параметрам насыщенной жидкости, два штриха - параметрам сухого насыщенного пара.

 

Удельная теплота парообразования представляет собой теплоту, подводимую к веществу в ходе изобарного (и одновременно изотермического) превращения 1 кг насыщенной жидкости в сухой насыщенный пар. На Т-s диаграмме (рис.1) теплота графически изображается площадью под линией процесса (площадь под процессом 1-2).

 

Методика экспериментального определения степени сухости

 

Непосредственное определение степени сухости по величинам масс компонентов смеси по формуле 1 затруднительно, так как невозможно практически отделить капельки жидкости самых разных размеров от сухого пара. Способы определения степени сухости базируются на контролируемом переводе смеси в однофазное состояние, параметры которого легко найти.

В лабораторной работе влажный пар охлаждают до полной конденсации и переохлаждения конденсата. Теперь для определения конечных параметров достаточно знать только температуру, так как параметры ненасыщенной жидкости практически не зависят от давления.

Охлаждение осуществляется путем смешения пара с холодной водой. Процесс смешения производится в калориметре для предотвращения утечки тепла в окружающую среду. Так как смешение производится изобарно, подведенное тепло должно выражаться изменением энтальпии системы, а из-за теплоизоляции оно равно нулю. Поэтому тепловой баланс происходящего процесса выражается в том факте, что сумма энтальпий смешиваемых влажного пара и холодной воды должна быть равна энтальпии получающейся горячей воды:

 

H_ВНП + H_ХОЛ.В = H_ГОР.В.                              (4)

 

Слагаемые этого равенства можно записать:

 

H_ВНП = m_ВНП∙h_ВНП = m_ВНП (h′ + r∙x),

 

H_ХОЛ.В = m_ХОЛ.В∙h_ХОЛ.В,                            (5)

 

 

H_ГОР.В = m_ГОР.В∙h_ГОР.В = (m_ХОЛ.В + m_ВНП)∙h_ГОР.В.

 

Отсюда:

,      (6)

 

где параметры h′ и r - определяются по таблицам состояний воды и пара, исходя из величины давления, а энтальпии воды - горячей h_ГОР.В и холодной h_ХОЛ.В - и определяются по температуре воды согласно формулам:

 

h_ГОР.В = с_р∙t_ГОР.В ;  h_ХОЛ.В = с_р∙t_ХОЛ.В,               (7)

 

где с_р = 4,19 - изобарная теплоемкость воды, кДж/(кг∙К);

t_ГОР.В , t_ХОЛ.В - температуры горячей и холодной воды, ºС.

 

Массы сконденсировавшегося пара и холодной воды можно найти, проводя взвешивание калориметра – сначала пустого, затем наполненного водой, и наконец, наполненного горячей водой.