3. Водяной пар и его свойства

3.1. Водяной пар. Основные понятия и определения.

Одним из распространенным рабочим телом в паровых турбинах, паровых машинах, в атомных установках, теплоносителем в различных теплообменниках является водяной пар. Пар - газообразное тело в состоянии, близкое к кипящей жидкости.Парообразование – процесс превращения вещества из жидкого состояния в парообразное.Испарение – парообразование, происходящее всегда при любой температуре с поверхности жидкости. При некоторой определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей массе жидкости. Этот процесс называетсякипением . Обратный процесс парообразования называетсяконденсацией . Она также протекает при постоянной температуре. Процесс перехода твердого вещества непосредственно в пар называетсясублимацией . Обратный процесс перехода пара в твердое состояние называетсядесублимацией . При испарении жидкости в ограниченном пространстве (в паровых котлах) одновременно происходит обратное явление – конденсация пара. Если скорость конденсации станет равной скорости испарения, то наступает динамическое равновесие. Пар в этом случае имеет максимальную плотность и называетсянасыщенным паром . Если температура пара выше температуры насыщенного пара того же давления, то такой пар называетсяперегретым . Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления называетсястепенью перегрева . Так как удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара, то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар являетсяненасыщенным паром . В момент испарения последней капли жидкости в ограниченном пространстве без изменения температуры и давления образуетсясухой насыщенный пар . Состояние такого пара определяется одним параметром - давлением. Механическая смесь сухого и мельчайших капелек жидкости называетсявлажным паром . Массовая доля сухого пара во влажном паре называетсястепенью сухости –х .

х = m сп / m вп,

m сп - масса сухого пара во влажном; m вп - масса влажного пара. Массовая доля жидкости во влажном паре нызваетсястепенью влажности –у .

у = 1 – .

Для кипящей жидкости при температуре насыщения  = 0, для сухого пара – = 1.

3.2 Влажный воздух. Абсолютная и относительная влажность.

Атмосферный воздух широко используется в технике: в качестве рабочего тела (в воздушных холодильных установках, кондиционерах, теплообменниках и сушильных устройствах) и составной части для горения топлива (в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, в парогенераторах).

Сухим воздухом называется воздух, не содержащий водяных паров. В атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество водяного пара.

Влажным воздухом называется смесь сухого воздуха с водяным паром.

В теплотехнике некоторые газообразные тела принято называть паром. Так, например, вода в газообразном состоянии называется водяным паром, аммиак – аммиачным паром.

Рассмотрим более подробно термодинамические свойства воды и водяного пара. (1-6).

Образование пара из одноименной жидкости происходит посредством испарения и кипения . Между данными процессами существует принципиальное различие. Испарение жидкости происходит лишь с открытой поверхности. Отдельные молекулы, имеющие большую скорость, преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры жидкости. Сущность кипения состоит в том, что генерация пара происходит в основном в объеме самой жидкости за счет испарения ее внутрь пузырьков пара. Различают следующие состояния водяного пара:

влажный пар;

сухой насыщенный пар;

перегретый пар.

Атмосферный воздух (влажный воздух) может быть:

пересыщенный влажный воздух;

насыщенный влажный воздух;

ненасыщенный влажный воздух.

Пересыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и влажного водяного пара. Явление в природе – туман.Насыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и сухого насыщенного водяного пара.Ненасыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара.

Следует отметить принципиально разные значения термина “влажный” применительно к пару и к воздуху. Пар называется влажным, если содержит мелкодисперсную жидкость. Влажный воздух во всех представляющих интерес для техники случаях содержит перегретый или сухой насыщенный водяной пар. В общем случае влажный воздух может содержать и влажный водяной пар (например, облака), но этот случай технического интереса не представляет и далее не рассматривается.

В атмосферном (влажном) воздухе каждый компонент находится под своим парциальным давлением, имеет температуру, равную температуре влажного воздуха и равномерно распределен по всему объему.

Термодинамические свойства влажного воздуха как газовой смеси сухого воздуха и водяного пара определяются по закономерностям, характерным для идеальных газов.

Расчет процессов с влажным воздухом обычно проводится при условии, что количество сухого воздуха в смеси не изменяется. Переменной величиной является количество содержащегося в смеси водяного пара. Поэтому удельные величины, характеризующие влажный воздух, относятся к 1 кг сухого воздуха.

Давление влажного воздуха определяется по закону Дальтона:

Р=Рв+Рп, (3.1)

Где Рв – парциальное давление сухого воздуха, кПа; Рп – парциальное давление водяного пара, кПа.

Запишем уравнение Клапейрона - Менделеева

влажный воздух PV=MRT; (3.2)

сухой воздух P B V=M B R B T; (3.3)

водяной пар Р П V=M П R П Т, (3.4)

где V – объем влажного воздуха, м 3 ; М, М В, М П – масса соответственно влажного, сухого воздуха и водяного пара, кг; R, R В, R П – газовая постоянная соответственно влажного, сухого воздуха и водяного пара, кДж/(кгК); Т – абсолютная температура влажного воздуха, К.

Абсолютная влажность воздуха – количество водяного пара, содержащееся в 1 м 3 влажного воздуха. Она обозначается через П и измеряется в кг/м 3 или г/м 3 . Иначе говоря, она представляет собой плотность водяного пара в воздухе: П =Р П /(R П Т). Очевидно, что

 П =М П /V, где V – объем влажного воздуха массой М.

Относительной влажностью воздуха  называется отношение абсолютной влажности воздуха в данном состоянии к абсолютной влажности насыщенного воздуха (Н) при той же температуре.

Можно отметить два характерных состояния воздуха по величине :<100 %, при этом Р П <Р Н и водяной пар перегретый, а влажный воздух ненасыщенный;=100 %, при этом Р П =Р Н и водяной пар сухой насыщенный, а влажный воздух насыщенный. Температура, до которой необходимо охлаждать ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал сухим насыщенным, называется температурой точки росы t Н.

3.3 i d – диаграмма влажного воздуха

Впервые id - диаграмма для влажного воздуха была предложена проф. Л.К. Рамзиным. В настоящее время она применяется в расчетах систем кондиционирования, сушки, вентиляции и отопления. Вid – диаграмме по оси абсцисс откладывается влагосодержание d, г/кг сухого воздуха, а по оси ординат - удельная энтальпия влажного воздухаi, кДж/кг сухого воздуха. Для более удобного расположения отдельных линий, наносимых наid - диаграмму, она строится в косоугольных координатах, в которых ось абсцисс проводится под углом 135° к оси ординат.

При таком расположении осей координат линии i=const, которые должны быть параллельны оси абсцисс, идут наклонно. Для удобства расчетов значения d сносят на горизонтальную ось координат.

Линии d=const идут в виде прямых параллельных оси ординат, т.е. вертикально. Кроме того, на id.-диаграмме наносят изотермы t С =const, t M =const (штриховые линии на диаграмме) в линии постоянных значений относительной влажности (начиная от.=5% до=100%). Линии постоянных значений относительной влажности=const строят только до изотермы 100° , т. е. до тех пор, пока парциальное давление пара в воздухе Р П меньше атмосферного давления Р. В тот момент, когда Р П станет равным Р, эти линии теряют физический смысл, что видно из уравнения (10), в котором при Р П =Р влагосодержание d=const.

Кривая постоянной относительной влажности =100% делит всю диаграмму на две части. Та ее часть, которая расположена выше этой линии –область ненасыщенного влажного воздуха, в котором пар находятся в перегретом состоянии. Часть диаграммы ниже линии=100% - область насыщенного влажного воздуха.

Так как при =100% показания сухого и мокрого термометров одинаковы, t C =t M , то изотермы t C =t M =const пересекаются на линии=100%..

Чтобы найти на диаграмме точку, соответствующую состоянию данного влажного воздуха, достаточно знать два его параметра из числа изображенных на диаграмме. При проведении эксперимента целесообразно использовать те параметры, которые проще и точнее измеряются в опыте. В нашем случае такими параметрами являются температура сухого и мокрого термометров.

Зная эти температуры, можно найти на диаграмме точку пересечения соответствующих изотерм. Найденная таким образом точка определит состояние влажного воздуха и по id - диаграмме можно определить все остальные параметры воздуха: влагосодержание - d; относительную влажность -, энтальпию воздуха -i; парциальное давление пара – Р П, температуру точки росы – t М.

Водяной пар

Водяно́й пар

вода, содержащаяся в атмосфере в газообразном состоянии. Количество водяного пара в воздухе сильно меняется; наибольшее его содержание – до 4 %. Водяной пар невидим; то, что называют паром в быту (пар от дыхания на холодном воздухе, пар от кипения воды и т. п.), – это результат конденсации водяного пара, как и туман . Количество водяного пара определяет важнейшую для состояния атмосферы характеристику – влажностьвоздуха .

География. Современная иллюстрированная энциклопедия. - М.: Росмэн . Под редакцией проф. А. П. Горкина . 2006 .

Смотреть что такое "водяной пар" в других словарях:

Водяной пар газообразное состояние воды. Не имеет цвета, вкуса и запаха. Содержится в тропосфере. Образуется молекулами воды при ее испарении. При поступлении водяного пара в воздух он, как и все другие газы, создаёт определённое давление,… … Википедия

водяной пар - пар Вода в газообразном состоянии. [РМГ 75 2004] Тематики измерения влажности веществ Синонимы пар EN water steam DE Wasserdampf FR vapeur d eau … Справочник технического переводчика

водяной пар - Вода, находящаяся в земной атмосфере в парообразной фазе и ниже критической температуры для воды … Словарь по географии

ВОДЯНОЙ ПАР - вода в газообразном состоянии. В атмосферу попадает в результате испарения с поверхностей водных бассейнов и почвы. Конденсируется в (см.) в виде туманов, облаков и туч и снова возвращается на поверхность Земли в виде различных осадков … Большая политехническая энциклопедия

водяной пар - газообразное состояние воды. Если при 101,3 кПа (760 мм рт. ст.) воду нагреть до 100 °С, то она закипает и начинает образовываться водяной пар, имеющий ту же температуру, но значительно больший объем. Состояние, при котором вода и пар… … Энциклопедический словарь по металлургии

В школьном курсе физики существует такой раздел, в котором рассматриваются физические состояния различных веществ. И еще из школы нам известны три состояния вещества – жидкое, твердое и газообразное. Газообразное состояние веществ принято называть паром. Однако так ли это? Давайте вместе попытаемся найти ответ на этот вопрос?

Итак, что такое пар? Пар – это газообразное состояние вещества. Как правило, слово пар чаще всего применяется в контексте водяного пара, однако данное понятие может быть применимо и для других жидкостей. Процесс выделения пара из жидкого вещества называется парообразованием, а обратный процесс, в ходе которого пар превращается в жидкость, носит название конденсация. Говоря о парообразовании, можно выделить два вида данного процесса. Первый вид – это кипение. Второй - испарение. Кипение – это образование пара под воздействием высокой температуры. Испарение же – это процесс, происходящий при любой температуре и только лишь со свободной поверхности жидкости.

Теперь разберемся что такое насыщенный пар. Существует два типа пара – насыщенный и ненасыщенный. Насыщенный пар – это такой пар, который образовался вследствие процесса кипения и находящийся в динамическом равновесии с жидкостью.

По своему состоянию насыщенный пар может быть сухим и влажным. Сухой пар – это пар, не содержащий в себе капель жидкости. Влажный пар – это пар, который в своем составе имеет сухой пар, а также взвешенные капельки жидкости. Отношение массы сухого пара к массе влажного пара называется степенью влажности либо степенью сухости пара.

Существует и несколько упрощенное для понимания понятие насыщенного пара. Итак, насыщенный пар – это пар, который находится в равновесии с жидкостью. Причем объем жидкости не увеличивается из-за конденсации пара и не уменьшается вследствие ее испарения. Моделью насыщенного пара является небольшое количество воды в герметично закрытом сосуде.

Невольно возникает вопрос о том, чем отличается пар от воздуха? По своему химическому составу воздух и пар имеют кардинальные различия. Это утверждение влечет за собой еще один вопрос. Из чего состоит пар? Ответ на этот вопрос прост. Водяной пар состоит из частичек воды. Воздух же в своем составе имеет множество химических элементов, таких как водород, кислород, азот, углекислый газ. Следует отметить. Что в воздухе содержится водяной пар в небольшом количестве.

Итак, мы разобрались в том, что представляет собой пар, из чего он состоит и в чем состоит его основное отличие от воздуха. Следует также помнить, что водяной пар является мощнейшим источником энергии.

Промежуточное состояние вещества между состоянием реального газа и жидкостью принято называть парообразным или просто паром. Превращение жидкости в пар представляет собой фазовый переход из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе наблюдается скачкообразное изменение физических свойств вещества.

Примерами таких фазовых переходов является процесс кипения жидкости с появлением влажного насыщенного пара и последующим переходом его в лишенный влаги сухой насыщенный пар или обратный кипению процесс конденсации насыщенного пара.

Одно из основных свойств сухого насыщенного пара заключается в том, что дальнейший подвод теплоты к нему приводит к возрастанию температуры пара, т. е. перехода его в состояние перегретого пара, а отвод теплоты — к переходу в состояние влажного насыщенного пара. В

Фазовые состояния воды

Рисунок 1. Фазовая диаграмма для водяного пара в T, s координатах.

Область I – газообразное состояние (перегретый пар, обладающий свойствами реального газа);

Область II – равновесное состояние воды и насыщенного водяного пара (двухфазное состояние). Область II также называют областью парообразования;

Область III – жидкое состояние (вода). Область III ограничена изотермой ЕК;

Область IV – равновесное состояние твердой и жидкой фаз;

Область V – твердое состояние;

Области III, II и I разделены пограничными линиями AK (левая линия) и KD (правая линия). Общая точка K для пограничных линий AK и KD обладает особыми свойствами и называется критической точкой . Эта точка имеет параметры p кр , v кр и Т кр , при которых кипящая вода переходит в перегретый пар, минуя двухфазную область. Следовательно, вода не может существовать при температурах выше Т кр.

Критическая точка К имеет параметры:

p кр = 22,136 МПа; v кр = 0,00326 м 3 /кг; t кр = 374,15 °С.

Значения p, t, v и s для обеих пограничных линий приводятся в специальных таблицах термодинамических свойств водяного пара.

Процесс получения водяного пара из воды

На рисунках 2 и 3 изображены процессы нагрева воды до кипения, парообразования и перегрева пара в p, v — и T, s -диаграммах.

Начальное состояние жидкой воды, находящейся под давлением p 0 и имеющей температуру 0 °С, изображается на диаграммах p, v и T, s точкой а . При подводе теплоты при p = const температура ее увеличивается и растет удельный объем. В некоторый момент температура воды достигает температуры кипения. При этом ее состояние обозначается точкой b. При дальнейшем подводе теплоты начинается парообразование с сильным увеличением объема. При этом образуется двухфазная среда — смесь воды и пара, называемая влажным насыщенным паром . Температура смеси не меняется, так как тепло расходуется на испарение жидкой фазы. Процесс парообразования на этой стадии является изобарно-изотермическим и обозначается на диаграмме как участок bc . Затем в некоторый момент времени вся вода превращается в пар, называемый сухим насыщенным . Это состояние обозначается на диаграмме точкой c .

Рисунок 2. Диаграмма p, v для воды и водяного пара.

Рисунок 3. Диаграмма T, s для воды и водяного пара.

При дальнейшем подводе теплоты температура пара будет увеличиваться и будет протекать процесс перегрева пара c — d . Точкой d обозначается состояние перегретого пара. Расстояние точки d от точки с зависит от температуры перегретого пара.

Индексация для обозначения величин, относящихся к различным состояниям воды и пара:

• величина с индексом «0» относится к начальному состоянию воды;
• величина с индексом «′» относится к воде, нагретой до температуры кипения (насыщения);
• величина с индексом «″» относится к сухому насыщенному пару;
• величина с индексом «x » относится к влажному насыщенному пару;
• величина без индекса относится к перегретому пару.

Процесс парообразования при более высоком давлении p 1 > p 0 можно отметить, что точка a, изображающая начальное состояние воды при температуре 0 °С и новом давлении, остается практически на той же вертикали, так как удельный объем воды почти не зависит от давления.

Точка b′ (состояние воды при температуре насыщения) смещается вправо на p, v -диаграмме и поднимается вверх на T,s -диаграмме. Это потому, что с увеличением давления увеличивается температура насыщения и, следовательно, удельный объем воды.

Точка c′ (состояние сухого насыщенного пара) смещается влево, т. к. с увеличением давления удельный объем пара уменьшается, несмотря на увеличение температуры.

Соединение множества точек b и c при различных давлениях дает нижнюю и верхнюю пограничные кривые ak и kc. Из p, v -диаграммы видно, что по мере увеличения давления разность удельных объемов v″ и v′ уменьшается и при некотором давлении становится равной нулю. В этой точке, называемой критической, сходятся пограничные кривые ak и kc. Состояние, соответствующее точке k , называется критическим. Оно характеризуется тем, что при нем пар и вода имеют одинаковые удельные объемы и не отличаются по свойствам друг от друга. Область, лежащая в криволинейном треугольнике bkc (в p, v -диаграмме), соответствует влажному насыщенному пару.

Состояние перегретого пара изображается точками, лежащими над верхней пограничной кривой kc .

На T, s -диаграмме площадь 0abs′ соответствует количеству теплоты, необходимого для нагрева жидкой воды до температуры насыщения.

Количество подведенной теплоты, Дж/кг, равное теплоте парообразования r, выражается площадью s′bcs, и для нее имеет место соотношение:

r = T (s″ — s′ ).

Количество подведенной теплоты в процессе перегрева водяного пара изображается площадью s″cds .

На T, s -диаграмме видно, что по мере увеличения давления теплота парообразования уменьшается и в критической точке становиться равной нулю.

Обычно T, s -диаграмма применяется при теоретических исследованиях, так как практическое использование ее сильно затрудняется тем, что количества теплоты выражаются площадями криволинейных фигур.

По материалам моего конспекта лекций по термодинамике и учебника «Основы энергетики». Автор Г. Ф. Быстрицкий. 2-е изд., испр. и доп. — М. :КНОРУС, 2011. — 352 с.

До настоящего времени объектом наших исследований были идеальные газы, т.е. такие газы, где отсутствуют силы межмолекулярных взаимодействий и пренебрегается размерами молекул. На самом деле размеры молекул и силы межмолекулярных взаимодействий имеют большое значение, особенно при низких температурах и больших давлениях.

Одним из представителей реальных газов, применяемых в практике пожарного дела и широко применяемых в промышленном производстве, является водяной пар.

Водяной пар чрезвычайно широко применяется в различных отраслях промышленности, главным образом в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах и как рабочее тело в паросиловых установках. Это объясняется повсеместным распространением воды, ее дешевизной и безвредностью для здоровья человека.

Имея высокое давление и относительно низкую температуру, пар, используемый на практике близок к состоянию жидкости, поэтому пренебрегать силами сцепления между его молекулами и их объемом, как в идеальных газах, нельзя. Следовательно, не представляется возможным использовать для определения параметров состояния водяного пара уравнения состояния идеальных газов, т. е. для пара pv≠RT, ибо водяной пар есть реальный газ.

Попытки ряда ученых (Ван-дер-Ваальса, Бертло, Клаузиуса и др.) уточнить уравнения состояния реальных газов путем введения поправок в уравнение состояния для идеальных газов не увенчались успехом, так как эти поправки относились только к объему и силам сцепления между молекулами реального газа и не учитывали ряда других физических явлений, происходящих в этих газах.

Особую роль играет уравнение, предложенное Ван-дер-Ваальсом в 1873 г., (P + a/ v 2)( v - b) = RT . Являясь приближенным при количественных расчетах, уравнение Ван-дер-Ваальса качественно хорошо отображает физические особенности газов, так как позволяет описать общую картину изменения состояния вещества с переходом его в отдельные фазовые состояния. В этом уравнении а и в для данного газа являются постоянными величинами, учитывающими: первая - силы взаимодействия, а вторая - размер молекул. Отношение а/v 2 характеризует добавочное давление, под которым находится реальный газ вследствие сил сцепления между молекулами. Величина в учитывает уменьшение объема, в котором движутся молекулы реального газа, вследствие того, что они сами обладают объемом.

Наиболее известны в настоящее время уравнение, разработанное в 1937-1946 гг. американским физиком Дж. Майером и независимо от него советским математиком Н. Н. Боголюбовым, а также уравнение предложенное советскими учеными М. П. Вукаловичем и И. И. Новиковым в 1939 г.

Ввиду громоздкости эти уравнения рассматриваться не будут.

Для водяного пара все параметры состояния для удобства пользования сведены в таблицы и представлены в приложении 7.

Итак, водяным паром называется получающийся из воды реальный газ с относительно высокой критической температурой и близкий к состоянию насыщения.

Рассмотрим процесс превращения жидкости в пар, называемый иначе процессом парообразования . Жидкость может превращаться в пар при испарении и кипении.

Испарением называется парообразование, происходящее только с поверхности жидкости и при любой температуре . Интенсивность испарения зависит от природы жидкости и ее температуры. Испарение жидкости может быть полным, если над жидкостью находится неограниченное пространство. В Природе процесс испарения жидкости осуществляется в гигантских масштабах в любое время года.

Суть процесса испарения заключается в том, что отдельные молекулы жидкости, находящиеся у ее поверхности и обладающие большей по сравнению с другими молекулами кинетической энергией, преодолевая силовое действие соседних молекул, создающее поверхностное натяжение, вылетают из жидкости в окружающее пространство. С увеличением температуры интенсивность испарения возрастает, так как увеличиваются скорость и энергия молекул и уменьшаются силы их взаимодействия. При испарении температура жидкости снижается, так как из нее вылетают молекулы, обладающие сравнительно большими скоростями, вследствие чего уменьшается средняя скорость оставшихся в ней молекул.

При сообщении жидкости теплоты повышаются ее температура и интенсивность испарения. При некоторой вполне определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей ее массе . При этом устенок сосуда и внутри жидкости образуются пузырьки пара. Это явление называется кипением жидкости. Давление получающегося при этом пара такое же, как и среды, в которой происходит кипение.

Процесс, обратный парообразованию называется конденсацие й . Этот процесс превращения пара в жидкость так же происходит при постоянной температуре, если давление остается постоянным. При конденсации хаотично движущиеся молекулы пара, соприкасаясь с поверхностью жидкости попадают под влияние межмолекулярных сил воды, остаются там, вновь преобразуясь в жидкость. Т.к. молекулы пара имеют большую по сравнению с молекулами жидкости скорость, то при конденсации температура жидкости увеличивается. Жидкость, образующаяся при конденсации пара, называется конденсатом .

Рассмотрим процесс парообразования более подробно.

Переход жидкости в пар имеет три стадии:

1. Нагревание жидкости до температуры кипения.

2. Парообразование.

3. Перегрев пара.

Остановимся на каждой стадии более подробно.

Возьмём цилиндр с поршнем, поместим туда 1 кг воды при температуре 0°С, условно принимая, что удельный объём воды при этой температуре минимален 0.001 м 3 /кг. На поршень положен груз, который вместе с поршнем оказывает на жидкость постоянное давление Р. Этому состоянию соответствует точка 0. Начнём подводить к этому цилиндру тепло.

Рис. 28. График изменения удельного объёма парожидкостной смеси при давлении насыщения P s .

1. Процесс подогрева жидкости . В этом процессе, осуществляемом при постоянном давлении за счёт теплоты, сообщаемой жидкости, происходит её нагрев от 0 °С до температуры кипения t s . Т.к. вода имеет сравнительно небольшой коэффициент термического расширения, то удельный объём жидкости изменится незначительно и увеличится от v 0 до v¢. Этому состоянию соответствует точка 1, а процессу – отрезок 0-1.

2. Процесс парообразования . При дальнейшем подводе тепла вода будет кипеть и переходить в газообразное состояние, т.е. водяной пар. Этому процессу соответствует отрезок 1-2 и увеличение удельного объёма от v¢ до v¢¢. Процесс парообразования происходит не только при постоянном давлении, но и при постоянной температуре, равной температуре кипения. При этом вода в цилиндре будет находиться уже в двух фазах: пара и жидкости. Вода присутствует в виде жидкости, сосредоточенной внизу цилиндра и в виде мельчайших капелек, равномерно распределённой по всему объёму.

Процесс парообразования сопровождается и обратным процессом, называемым конденсацией. Если скорость конденсации станет равной скорости испарения, то в системе наступает динамическое равновесие. Пар в этом состоянии имеет максимальную плотность и называется насыщенным. Следовательно, под насыщенным понимают пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью, из которой он образуется . Основное свойство этого пара состоит в том, что он имеет температуру, являющуюся функцией его давления, одинакового с давлением той среды, в которой происходит кипение. Поэтому температура кипения иначе называется температурой насыщения и обозначается t н.Давление, соответствующее t н, называется давлением насыщения (обозначается р н или просто p. Пар образуется до тех пор, пока не испарится последняя капля жидкости. Этому моменту будет соответствовать состояние сухого насыщенного (или просто сухого ) пара. Пар, получаемый при неполном испарении жидкости, называется влажным насыщенным паром или просто влажным . Он является смесью сухого пара с капельками жидкости, распространенными равномерно во всей его массе и находящимися в нем во взвешенном состоянии. Массовая доля сухого пара во влажном паре называется степенью сухости или массовым паросодержанием и обозначается через х. Массовая доля жидкости во влажном паре называется степенью влажности и обозначается через у. Очевидно, что у = 1 - х. Степень сухости и степень влажности выражают или в долях единицы, или в %: например, если х = 0.95 и у = 1 - х = 0.05, то это означает, что в смеси находится 95% сухого пара и 5% кипящей жидкости.

3. Перегрев пара. При дальнейшем подводе тепла температура пара будет повышаться (соответственно увеличивается удельный объём от v¢¢ до v¢¢¢). Этому состоянию соответствует отрезок 2-3. Если температура пара выше температуры насыщенного пара того же давления, то такой пар называется перегретым . Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления называется степенью перегрев а .

Поскольку удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара (так как р= const, t пер > t н), то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар является ненасыщенным. По своим физическим свойствам перегретый пар приближается к газам и тем больше, чем выше степень его перегрева.

Из опыта найдены положения точек 0 - 2 при других, более высоких давлениях насыщения. Соединив соответствующие точки при различных давлениях, получим диаграмму состояния водяного пара.

Рис. 29. pv – диаграмма состояния водяного пара.

Из анализа диаграммы видно, что по мере увеличения давления удельный объём жидкости уменьшается. На диаграмме этому уменьшению объёма с ростом давления соответствует линия СД. Температура насыщения, и, следовательно, удельный объём увеличиваются, что и продемонстрировано линией АК. Также быстрее происходит испарение воды, что ясно видно из линии ВК. При увеличении давления уменьшается разность между v¢ и v¢¢, постепенно сближаются линии АК и ВК. При некотором вполне определённом для каждого вещества давлении эти линии сходятся в одной точке К, называемой критической. Точка К, одновременно принадлежащая линии жидкости при температуре кипения АК и линии сухого насыщенного пара ВК, соответствует некоторому предельному критическому состоянию вещества, при котором отсутствует различие между паром и жидкостью. Параметры состояния называются критическими и обозначаются Т к, P к, v к. Для воды критические параметры имеют значения: Т к =647.266К, Р к = 22.1145МПа, v к =0.003147 м 3 /кг.

Состояние, в котором могут находиться в равновесии все три фазы воды, называется тройной точкой воды. Для воды: Т 0 = 273.16К, Р 0 = 0.611 кПа, v 0 = 0.001 м 3 /кг. В термодинамике удельные энтальпия, энтропия и внутренняя энергия в тройной точке принимается равной нулю, т.е. i 0 = 0, s 0 = 0, u 0 = 0.

Определим основные параметры водяного пара

1. Подогрев жидкости

Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг жидкости от 0 °С до температуры кипения называется удельнойтеплотой жидкости . Теплота жидкости является функцией давления, принимающей максимальное значение при критическом давлении.

Величина её определяется:

q = с р (t s -t 0) ,

где с р – средняя массовая изобарная теплоёмкость воды в интервале температур от t 0 = 0 °С до t s , берётся по справочным данным

т.е. q = с р t s

Удельная теплота измеряется в Дж/кг

Величина q выражается как

где i¢ - энтальпия воды при температуре кипения;

i - энтальпия воды при 0 °С.

Согласно первому закону термодинамики

i = u 0 + P s v 0 ,

где u 0 – внутренняя энергия при 0 °С.

i¢ = q + u 0 + P s v 0

Примем условно, как и в случае идеальных газов, что u 0 = 0. Тогда

i¢ = q + P s v 0

Эта формула позволяет вычислить величину i¢ по найденным из опыта величинам Р s , v 0 и q.

При невысоких давлениях Р s , когда для воды величина Р s v 0 мала по сравнению с теплотой жидкости, можно приближённо принять

Теплота жидкости с увеличением давления насыщения увеличивается и в критической точке достигает максимальной величины. Учитывая, что i=u+ Pv (1), можно написать следующее выражение для внутренней энергии воды при температуре кипения:

u¢ = i¢ + P s v¢

Изменение энтропии в процессе подогрева жидкости

Допуская, что энтропия воды при 0

Эта формула позволяет вычислить энтальпию жидкости при температуре кипения.

2. Парообразование

Количество теплоты, необходимое для перевода 1 кг жидкости, нагретой до температуры кипения, в сухой насыщенный пар в изобарном процессе называется удельной теплотой парообразования (r) .

Теплота парообразования определяется:

i¢¢ = r + i¢ по найденной из опыта теплоте парообразования и энтальпии воды при температуре кипения i¢. Учитывая (1), можно записать:

r = (u¢¢-u¢)+P s (v¢¢-v¢),

где u¢ и u¢¢ - внутренняя энергия воды при температуре кипения и сухого насыщенного пара. Это уравнение показывает, что теплота парообразования состоит из двух частей. Одна часть (u¢¢-u¢) затрачивается на увеличение внутренней энергии образующегося из воды пара. Она называется внутренней теплотой парообразования и обозначается буквой r. Другая часть P s (v¢¢-v¢) затрачивается на внешнюю работу, совершаемую паром в изобарном процессе кипения воды, и называется внешней теплотой парообразования (y).

Теплота парообразования уменьшается с увеличением давления насыщения и в критической точке равна нулю. Теплота жидкости и теплота парообразования образуют полную теплоту сухого насыщенного пара l¢¢.

Внутренняя энергия сухого насыщенного пара u¢¢ равна

u¢¢=i¢¢-P s v¢¢

Изменение энтропии пара в процессе парообразования определяется выражением

Это выражение позволяет определить энтропию сухого насыщенного пара s¢¢.

Влажный насыщенный пар между граничными величинами удельных объёмов v¢ и v¢¢ состоит из сухого насыщенного пара и воды. Количество сухого насыщенного пара в 1 кг влажного насыщенного пара называется степенью сухости , или паросодержанием . Эта величина называется буквой x . Величина (1-x) называется степенью влажности пара .

Если учесть степень сухости, то удельный объём влажного насыщенного пара v x

v x = v¢¢x + v¢(1-x)

Теплота парообразования r x , энтальпия i x , полная теплота l x , внутренняя энергия u x и энтропия s x для влажного насыщенного пара имеет следующие величины:

r x = rx; i x = i¢ + rx; l x = q + rx; u x = i¢ + rx – p s v s ; s x = s¢ + rx/T s

3. Процесс перегрева пара

Сухой насыщенный пар перегревается при постоянном давлении от температуры кипения t s до заданной температуры t ; при этом удельный объём пара увеличивается от v¢ до v . Количество теплоты, которое затрачивается на перегрев 1 кг сухого насыщенного пара от температуры кипения до данной температуры, называется теплотой пароперегрева. Теплоту пароперегрева можно определить:

где - с p средняя массовая теплоёмкость пара в интервале температур t s – t (определяется по справочным данным).

Для величины q п можно записать

q п = i – i¢ ,

где I – энтальпия перегретого пара.