Ознакомление с термодинамическими свой­ствами рабочих тел на примере воды и водяного пара

Цель работы: ознакомление студентов с термодинамическими свой­ствами рабочих тел на примере воды и водяного пара. Освоение методики опытного определения зависимости давления от температуры в двухфаз­ной области в процессе изохорного нагревания и способа нахождения удельной теплоты парообразования.

   Краткие сведения из теории: Всякое вещество может находиться в разных фазах, которые пред­ставляют собой различные агрегатные состояния вещества. Каждая из фаз представляет собой однородную систему с одинаковыми физическими свойствами во всех ее частях. Характерной особенностью фазы является наличие границ, отделяющих данную фазу от соприкасающихся с ней дру­гих фаз.

Вещество может переходить из одной фазы в другую, и этот переход называется фазовым переходом или фазовым превращением. Переход из твердой или жидкой фазы в газообразную называется испарением, а обрат­ный переход — конденсацией. Переход из твердой фазы в жидкую называ­ется плавлением, а обратный переход — затвердеванием или кристаллиза­цией. Переход из твердой фазы в газообразную называется сублимацией, а обратный переход - десублимацией. Равновесное сосуществование не­скольких соприкасающихся между собой различных фаз вещества называ­ется фазовым равновесием.

Существование метастабильных состояний вещества обусловлено устойчивостью каждой фазы по обе стороны кривой фазового равновесия. И жидкое состояние, будучи вполне устойчивым выше кривой равновесия, будет достаточно устойчивым и несколько ниже этой кривой. Аналогично газообразное состояние, являясь вполне устойчивым ниже кривой фазового равновесия, будет обладать некоторой устойчивостью и выше этой кри­вой. Поэтому жидкое состояние вещества может встречаться ниже кривой фазового равновесия в виде перегретой жидкости, а газообразное — выше этой кривой в виде переохлажденного или насыщенного пара.

Однако жидкое состояние вещества ниже кривой будет менее устой­чивым по сравнению с газообразным из-за нарушения равенства химиче­ских потенциалов жидкости и пара и рано или поздно перейдет в газооб­разное. Также и газообразное состояние выше кривой менее устойчиво, чем жидкое.

Кривая равновесия жидкой и газообразной фаз заканчивается в кри-.тической точке . Параметры вещества, соответствующие этому состоянию, называются критическими. Для воды они составляют: р_кр = 22,115 МПа; Т_кр = 374,15 °С; г_кр = 0,00326 м³/кг. При температуре выше критической сжижение газа (пара), то есть превращение его в жидкость, невозможно. При этих условиях между жидким и газообразным состоянием вещества нет какого-либо принципиального различия — жидкость и газ различаются лишь количественно, но не качественно.

Существуют также кривые фазового равновесия твердой и жидкой фаз, твердой и газообразной фаз. Все три кривые фазового равновесия изо­бражены на диаграмме, представленной на рисунке 2.

Кривые фазового равновесия каждых двух из трех фаз пересекаются. В результате этого вся плоскость диаграммы р-Т оказывается разбитой на области кристаллической, жидкой и газообразной фаз. Состояния, в кото­рых находятся в равновесии три различных фазы вещества, получили на­звание тройных точек. Равновесное существование более чем трех фаз веществ невозможно.

Переход вещества из одной фазы в другую сопровождается погло­щением или выделением определенного количества теплоты. Количество теплоты, поглощаемое (или выделяемое) при равновесном изотермическом переходе 1 кг вещества из одной фазы в другую, называется удельной теп­лотой фазового перехода и обозначается г.

Изменение давления вдоль кривой равновесия фаз, или, что то же самое, зависимость равновесного давления обеих фаз от температуры оп­ределяется, по формуле Клапейрона-Клаузиуса

где dp/dT— производная от давления по температуре, взятая по кривой фазового равновесия;

r - удельная теплота фазового перехода;

v'- удельный объем воды при температуре кипения;      

v" — удельный объем сухого пара.

Лабораторная установка обеспечивает исследование кривой насы­щения водяного пара только до избыточного давления 0,3 МПа. Однако и в этих условиях можно не только накопить совокупность соответствующих значений р и Т, но и сравнительно простым и достаточно точным способом найти значения удельной теплоты парообразования – конденсации r .

В самом деле, при малых давлениях удельные объемы кипящей воды v' пренебрежимо малы в сравнении с соответствующими значениями удельных объемов сухого пара v".

Исходя из этого, упростим уравнение Клапейрона-Клаузиуса усло­вием v' = 0. Тогда

 (1)

Если так или иначе оказываются известными функция р = f(t), ап­проксимирующая кривую насыщения, и совокупность значений v", то-с помощью этого уравнения можно найти соответствующие значения удель­ной теплоты парообразования - конденсации.

При малых давлениях:

— удельную теплоту парообразования - конденсации будем считать линейной функцией температуры вида (кДж/кг):

 (2)

- состояние сухого пара опишем уравнением, близким к уравнению состояния идеального газа (кДж/[кг-К]):

 (3)