Реальные газы. Водяной пар. Фазовые переходы. Процесс парообразования. Определение параметров воды и водяного пара

1.11.1. Фазовые переходы. Процесс парообразования

Точки состояний воды и пара: a, a1, a2 –жидкость a¢, a1¢, а2¢-кипящая вода a¢¢, a1¢¢, a2¢¢- сухой   насыщенный пар d, d1, d2 – перегретый пар состояния между точками a¢ и a¢¢ - влажный пар

Разные стадии процесса парообразования при постоянном давлении удобно иллюстрировать p,v - координатах (рис.1.27).

 Рис. 1.27. pv-диаграмма водяного пара

Проследим  процесс перехода воды в водяной пар при подводе теплоты по изобаре p=const (линия aa¢a¢¢d). Начальная точка а соответствует состоянию воды при 0°С. Отметим три характерных отрезка изобары. Отрезок aa¢ расположен в области жидкости (воды) и соответствует ее подогреву до температуры  кипения (насыщения) t_н. В точке a¢ вода находится в состоянии кипения. Состояние кипения однозначно определяется одним из параметров: давлением, температурой t_н или удельным объемом. Подвод теплоты к кипящей воде приводит к образованию пара. Отрезок a¢a¢¢ соответствует процессу парообразования при p = const и t_н = const. Этот процесс имеет изобарно-изотермический характер, поскольку вся подводимая теплота идет только на парообразование (переход кипящей воды в пар). При этом увеличивается потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия, а кинетическая энергия молекул, а значит и температура, остаются постоянными. Процесс парообразования происходит в двухфазной области, где жидкость существует, находясь в состоянии насыщения, т.е. термическом и динамическом равновесии со своим паром до тех пор, пока вся она не превратится в пар. Пар в двухфазной области является влажным насыщенным паром, он представляет собой двухфазную смесь, состоящую из пара со взвешенными в нем капельками жидкости. Влажный пар характеризуется степенью его сухости х:

х= m_п /( m_п + m_в), доли.                                       (1.82)

где m_п, m_в - массы пара и кипящей воды при температуре насыщения t_н.

Степень сухости может быть выражена в процентах, тогда ее значение по (1.82) следует умножить на 100%.

Часто вместо степени сухости пользуются понятием степени влажности y:

y=1-x, доли       или        y=100-x, %.

В точке a¢ х=0, далее по всему двухфазному отрезку изобары a¢a¢¢ степень сухости пара х растет, и в момент, когда последняя частица воды испарится (точка a´´), пар становится сухим насыщенным при t = t_н, т.е. х =1. Насыщенный пар, в котором отсутствуют взвешенные частицы жидкой фазы, называется сухим насыщенным.

Состояние влажного пара определяется двумя величинами: каким-либо из параметров и степенью сухости пара - либо t_н и х, либо p и x причем p =p (t_н). Состояние сухого насыщенного пара  (точка a¢¢) однозначно определяется любым из параметров: давлением, температурой t_н или удельным объемом v'' сухого пара. Сообщаемая в двухфазной области a¢-a¢¢ теплота q_п в расчете на 1 кг кипящей воды называется теплотой фазового перехода или теплотой парообразования r, Дж/кг, т. е.  q_п = r, а  для всей массы m кипящей воды, Дж,

Q = mr.

Правее точки a¢¢ по изобаре подвод теплоты к сухому пару сопровождается повышением его температуры t > t_н  и пар становится  перегретым. Перегретым называется пар, температура которого выше температуры насыщения при том же давлении. Состояние перегретого пара  (точка d) определяется двумя любыми независимыми параметрами: р и t, р и v, t и v.

1.11.2.pv-диаграмма водяного пара

Если процесс изобарно-изотермического парообразования повторить и при других значениях давления р₁, р₂ и т.д., вплоть до критического давления p_кр = 221,29 10⁵ Па, то во всех случаях он также пройдет через три стадии - подогрев воды от 0°С до температуры насыщения t_н, парообразование при t_н = const и перегрев пара до температуры t > t_н (на рис. 1.27 лини a₁a₁¢a₁¢¢d₁  и a₂a₂¢a₂¢¢d₂, точка К).

Если соединить одноименные точки состояний воды при 0°С при давлениях р, р₁, р₂, то получим нулевую изотерму (на рис. 1.27 линия a a₁a₂).

Соединяя точки начала кипения a¢, a₁¢, a₂¢, К, получим линию a¢a₁¢a₂¢К  – нижнюю (левую) пограничную кривую жидкости (x=0), она определяет состояние кипящей жидкости. Соединяя точки сухого насыщенного пара a¢¢, a₁¢¢, a₂¢¢, К, получим линию a¢¢a₁¢¢a₂¢¢К. Она характеризует состояние сухого насыщенного пара и называется верхней (правой) пограничной кривой пара (x = 1). Пограничные кривые сопрягаются в точке К, называемой критической точкой воды и водяного пара. В этой точке свойства жидкости и газа становятся одинаковыми