Термодинамические процессы реальных газов.

Из всех реальных газов, используемых в теплоэнергетике и теплотехнике, наибольшее распространение имеет водяной пар. Поэтому основным направлением термодинамики реальных газов является исследование термодинамических свойств воды и водяного пара.

Процесс парообразования. Рассмотрим процесс получения пара. Возьмем 1 кг воды при t=0 и поместим в цилиндр с подвижным поршнем. Применим к поршню силу, равную P. Тогда при площади поршня F давление будет постоянным: p=P/F. (см.рис.). при подводе теплоты к воде ее темп будет увеличиваться до тех пор, пока не достигнет температуры насыщения t_s, при которой вода начинает кипеть. Удельный объем жидкости (воды) сначала уменьшается, достигая мин значения при 4°C, а затем начинает возрастать (удельный объем практически всех жидкостей с нагреванием монотонно увеличивается). Жидкость начинает закипать в точке a’. При дальнейшем подводе теплоты все большее кол-во жидкости будет превращаться в пар, т.е. все большая ее часть будет сильно увеличиваться в объеме. Теперь в цилиндре находится смесь воды и пара – влажный пар.

По мере подвода теплоты кол-во жидкой фазы уменьшается, а паровой – увеличивается. Темп смеси при этом остается постоянной, т.к. вся теплота уходит на испарение жидкости, т.е. процесс изобарно-изотермический. Последняя капля жидкости превращается в пар, и весь сосуд заполняется паром, кот называется сухим насыщенным (точка a’’). Насыщенный – пар, находящийся в термическом и динамическом равновесии с жидкостью, из которой он образуется. Динамич равновесие заключается в том, что кол-во молекул, влетающих из воды в паровое пространство, равно числу молекул, конденсирующихся из парового пространства на пов-ти жидкости.

В паровом пространстве при этом находится максимально возможное количество молекул при данной температуре. При увеличении темп кол-во молекул увеличивается, и равновесие восстанавливается за счет возрастания давления пара. При этом плотность увеличивается, т.е. увеличивается и кол-во молекул, конденсирующихся на пов-ти в единицу времени. Следовательно, давление насыщенного пара есть монотонно возрастающая ф-я его температуры и наоборот. При увеличении объема над пов-тью с жидкостью, имеющую темп насыщения, некоторое кол-во жидкости переходит в пар. При уменьшении объема – часть пара конденсируется, но при этом p=const.

Сухой насыщенный пар – пар, в котором отсутствуют взвешенные частицы жидкой фазы. Его удельный объем и темп явл ф-ями давления, поэтому его состояние можно задать лишь одним параметром. Влажный насыщенный пар – 2хфазовая смесь: пар со взвешенными в нем частицами жидкости. Массовая доля сухого насыщенного пара ПРОДОЛЖЕНИЕ 19 во влажном – степень сухости пара χ. Массовая доля кипящей воды во влажном паре – степень влажности 1-χ. (для кипящей жидкости χ=0, для сухого насыщенного пара χ=1). Обычно состояние влажного пара определяется его давлением (температурой насыщения) и степенью сухости/влажности. При дальнейшем подводе теплоты к сухому нас пару при том же давлении, его темп будет увеличиваться, говорят, что пар перегревается. (a – состояние перегретого пара). Перегретый пар – пар, темп кот выше темп сухого насыщенного пара при том же давлении. Т.к. удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного, то кол-во молекул в нем меньше, следовательно, плотность тоже меньше. Состояние перегретого пара определяется любыми 2-мя параметрами.

Если рассмотреть парообразование при большем давлении, то: удельный объем в т. а₀ остается практически тем же, т.к. жидкая фаза почти несжимаема; a’ смещается вправо, т.к. с ростом давления увеличивается температура кипения; a’’ несмотря на увеличение темп кипения, удельный объем пара буде уменьшаться из-за более высокого давления. Т.к. удельный объем с увеличением давления растет, а пара – падает, то при каком-то давлении можно достичь точки, где удельный объем пара и удельный объем жидкости одинаковы. Это критическая точка. В ней физ различие между жидкостью и паром исчезает. (. Критическая температура – максимально возможная температура сосуществования 2х фаз (ж и г). При Т>T_кр возможно существование только одной фазы. Обычно название этой фазы условно считается жидкость или перегретый пар, в зависимости от того, с какого состояния мы перешли к этой фазе.

Все газы находятся в сильно перегретом состоянии. Чем выше темп перегрева, тем газ ближе к идеальному. Наименьшее давление, при кот возможно равновесие воды и насыщенного пара, является давление тройной точки. Она характеризует то единственное состояние, в котором одновременно могут находиться в равновесии вода, пар и лед. (). Процесс парообразования из тройной точки – отрезок a’a’’, в котором процесс нагрева воды до начала кипения отсутствует. При более низких давлениях пар может существовать равновесно только со льдом. Процесс образования пара из твердого состояния – сублимация.

Кривая II – нижняя пограничная кривая, представляет собой зависимость изменения удельного объема от давления при темп кипения. III – верхняя пограничная кривая, зависимость удельного объема сухого насыщенного пара от давления. Все точки между II и III по горизонтали – состояние влажного насыщенного пара. Влево от кривой II до нулевой изотермы – область некипящей однопарной жидкости. Вправо от III – нагретого пара, т.е. II и III ограничивают область насыщения, поэтому называются пограничными кривыми.

 

20. Процессы фазовых превращений.

При нарушении условий равновесия многофазных систем происходит переход вещ-ва из одной фазы в другую. Жидкая и газообразная фазы, считается, имеют однозначную структуру. Твердая фаза может иметь несколько кристаллических модификаций. Фазовые переходы делят на 2 рода:

Фазовый переход 1 рода – относят превращение с поглощением или выделением теплоты, называемой скрытой теплотой превращения (r) и скачкообразным изменением удельного объема.

Фазовый переход 2 рода – превращение без поглощения или выделения теплоты и без изменения удельного объема dv=0; dq=0. Как правило, скачкообразно изменяется теплоемкость и др хар-ки.

Границу между 2-мя фазами описывают кривые равновесия, хар-ся тем, что dp=0; dT=0. ДУ кривой равновесия, связывающее теплоту перехода , изменение удельного объема и наклон касательной кривой равновесия в точке перехода описывается:

Уравнением Клапейрона-Клаузиуса – для фазового перехода 1 рода.

Формулой Эренфеста – для фазового перехода 2 рода. . Т.к. при фазовом превращении все параметры описываются отношением , то удобно использовать pT диаграмму. (см.рис). на ней указываются кривые фаз. AC – равновесное состояние тв и г фаз, AK – жидк и газ фаз. Справа от CAK – газ, между AB и AK – жидкость, слева от CAB – твердая фаза.

pT диаграмма для воды (см.рис).