Термодинамические процессы изменения состояния водяного пара

 

В технике наибольшее применение получили изобарный и адиабатный процессы водяного пара. Рассмотрим эти процессы.

Изобарный процесс. На -диаграмме изобара в области насыщенного пара представляется прямой линией, пересекающей пограничные кривые жидкости и пара. При подводе теплоты к влажному пару (точка 1) степень сухости его 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. 8.6, a).

 

Рис.8.6

 

На -диаграмме изобарный процесс изображается отрезком горизонтальной прямой, который в области влажного пара изображает и изотермический процесс одновременно (рис. 8.6, б). На -диаграмме в области влажного пара изобара изображается прямой горизонтальной линией, а в области перегретого пара–кривой, обращенной выпуклостью вниз (рис. 8.6, в). Значения всех необходимых величин для расчета берутся из таблиц насыщенных и перегретых паров.

Изменение внутренней энергии пара

 

    ;                     (8.16)

 

внешняя работа

 

    ;                                         (8.17)

 

количество подведенной теплоты

                                                            

.                                                  (8.18)

 

Адиабатный процесс. Адиабатный процесс совершается без подвода и отвода теплоты, и энтропия рабочего тела при обратимом процессе остается постоянной величиной: . Поэтому на  и -диаграммах адиабаты сжатия изображаются вертикальными прямыми 9-2 (рис. 8.7, а, б). При адиабатном расширении (в процесса 2-1) давление и температура пара уменьшаются; перегретый пар переходит в сухой, а затем во влажный пар. Из условий постоянства энтропии возможно определение конечных параметров пара, если известны параметры начального и один параметр конечного состояний.

 

Рис 8.7

 

На -диаграмме обратимый адиабатный процесс сжатия изображается некоторой кривой 1-2 (рис. 8.7, в).

 Работа в адиабатном процессе определяется из уравнения

 

    .                                           (8.19)

Изменение внутренней энергии

 

    .                                        (8.20)

 

ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ

 

Общие понятия. Абсолютная влажность,

влагосодержание и относительная

Влажность воздуха

 

Смесь сухого воздуха (не содержащего молекул воды) с водяным паром называется влажным воздухом.

Влажный воздух широко используется в технике, поэтому знать его свойства очень важно. По своему физическому состоянию он близок к идеальным газам.

Влажный воздух при данном давлении и температуре может содержать разное количество водяного пара. Смесь, состоящую из сухого воздуха и насыщенного водяного пара, называют насыщенным влажным воздухом. Парциальное давление водяного пара в этой смеси равно давлению насыщения при данной температуре. Количество пара в каждом кубическом метре такого воздуха численно равно плотности сухого насыщенного пара  ().

Общее давление влажного воздуха, согласно закону Дальтона, равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара, входящих в его состав:

                                             ,                                           (9.1)

 

где - парциальное давление сухого воздуха; - парциальное давление водяного пара.

Масса пара в влажного воздуха, численно равная плотности
пара  при парциальном давлении , называется абсолютной влажностью. Если при постоянной температуре  увеличивать влажность воздуха, то плотность водяного пара будет возрастать. Если же температура влажного воздуха будет ниже температуры насыщения водяного пара при давлении смеси, то предельной плотностью водяного пара будет плотность сухого насыщенного пара при парциальном давлении его, меньшем, чем давление смеси. В этом предельном состоянии влажный воздух будет представлять собой смесь сухого воздуха и сухого насыщенного водяного пара.

Рассмотрим влажный воздух в -диаграмме при каком-либо давлении  и различных температурах (рис. 9.1). По оси абсцисс откладываем удельные объемы пара; обратные величины удельных объемов измеряют плотность пара, а по отношению к влажному воздуху – его абсолютную влажность.

Из точки 1 (при давлении ), которая определяет состояние сухого насыщенного пара, проводим изотерму . Если рассматривать влажный воздух при температуре t₃₄<t₁₂, то он будет насыщенным тогда, когда пар в воздухе будет сухим насыщенным, т. е. когда влажному воздуху будет соответствовать максимальное значение абсолютной влажности. Этому значению соответствует точка 3 сухого насыщенного пара.

Из -диаграммы видно, что насыщенный воздух при температурах, меньших , представляет собой смесь сухого воздуха и насыщенного пара.

Влажный воздух, который не содержит при данном давлении и температуре максимально возможное количество водяного пара, называют ненасыщенным. Ненасыщенный влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и перегретого пара, что видно из -диаграммы (например, точка 4 на рис. 9.1). Парциальное давление перегретого пара в смеси будет меньше давления насыщения при данной температуре. Количество перегретого пара в воздуха численно равно плотности перегретого пара, но меньше численной величины плотности сухого насыщенного пара. Охлаждая воздух, а следовательно, и перегретый пар при каком-либо постоянном давлении , например по линии 7-8, можно довести перегретый пар до состояния насыщения, характеризуемого точкой 8. Это будет тогда, когда температура воздуха станет равной температуре насыщения при данном парциальном давлении водяного пара. Эту температуру называют температурой точки росы.

Отношение массы пара  во влажном воздухе к массе сухого воздуха  в нем называют влагосодержанием воздуха и измеряют в килограммах на килограмм () или в граммах на килограмм ():

 

                               .                              (9.2)

 

Следовательно, величина, d измеряет массу пара, содержащегося в 1 кг сухого воздуха или в  кг влажного воздуха.

Величину влагосодержания определяют из выражения:

 

                                    .                                  (9.3)

 

Из уравнения (9.3) видно, что с увеличением парциального давления пара    влагосодержание    увеличивается.

Отношение действительной абсолютной влажности ненасыщенного воздуха к максимально возможной абсолютной влажности воздуха при той же температуре называют относительной влажностью и обозначают :

                                           .                                          (9.4)

 

Относительная влажность воздуха может изменяться в пределах от  (сухой воздух) до    (воздух, насыщенный влагой).

Её также можно выразить в виде:

 

                                            .                                          (9.5)

 

Относительная влажность воздуха, если его считать идеальным газом, численно равна отношению парциального давления водяного пара в нем к максимально возможному давлению водяного пара при температуре смеси.

Если температура влажного воздуха ниже или равна температуре насыщения водяного пара при давлении влажного воздуха, то  равно давлению насыщенного пара    при температуре смеси. Если же температура влажного воздуха выше температуры насыщения при давлении смеси, то  равно давлению влажного воздуха .

Понижая температуру ненасыщенного влажного воздуха () при постоянном давлении, его можно довести до состояния насыщения . Это произойдет в тот момент, когда температура воздуха станет равной температуре сухого насыщенного пара при данном парциальном давлении его в воздухе. При дальнейшем охлаждении влажного воздуха из него начнет выделяться вода в виде тумана или росы. Температура, при которой воздух становится насыщенным (при ), называется температурой точки росы и обозначается .

Для измерения относительной влажности и влагосодержаня влажного воздуха применяют психрометр. Психрометр состоит из двух термометров: сухого и мокрого. Шарик ртути мокрого термометра обернут тонким слоем ткани, которая непрерывно смачивается водой если влажный воздух будет ненасыщенным, то с поверхности материи на шарике будет испаряться вода и он покажет более низкую температуру, чем сухой термометр. Очевидно, что сухой термометр будет показывать действительную температуру влажного воздуха , а мокрый показывает температуру испаряющейся воды . Зная психрометрическую разность температур   можно по специальным психрометрическим таблицам определить относительную влажность и влагосодержание воздуха.