Водяной пар и его свойства

После изучения главы 4 бакалавр должен:

знать

• • термодинамическую фазовую рГ-диаграмму;
• • уравнения Клайпсрона — Клаузиуса;
• • pv-, Ts- и is-диаграммы водяного пара;

уметь

• выполнять термодинамические расчеты с использованием диаграмм в pv-, Ts- и is-диаграммах;

владеть

• навыками построения термодинамических процессов изменения идеального газа (изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный) в перечисленных выше диаграммах.

Основные понятия и определения

Парообразованием называется процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное.

Испарением называется парообразование, которое происходит только с поверхности жидкости. С увеличением температуры интенсивность испарения возрастает.

Кипением называется такой процесс превращения жидкости в пар, который происходит не только с поверхности жидкости, но и внутри нее, т. е. это процесс парообразования во всей массе жидкости. Кипение происходит при определенной температуре, зависящей от рода жидкости и от ее давления. Процесс кипения осуществляется при подводе к жидкости теплоты при неизменном давлении.

Под конденсацией понимается процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое. Процесс конденсации происходит при отводе от пара теплоты при неизменном давлении. Процесс конденсации, так же как и процесс кипения, происходит при постоянной температуре.

Сублимацией (возгонкой) называется процесс перехода вещества из твердого состояния в газообразное. Обратный процесс перехода газа в твердое состояние называется десублимацией.

При парообразовании в неограниченном пространстве вся жидкость может превратиться в пар. Если процесс парообразования происходит в закрытой емкости, то между процессами парообразования и обратного перехода пара в жидкость может наступить равновесие. Пар в таком состоянии принимает максимальную плотность при данной температуре и давлении и называется насыщенным. Следовательно, насыщенный пар — эго пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью, ив которой он получается. При изменении температуры жидкости равновесие нарушается, что приводит к соответствующему изменению плотности и давления насыщенного пара.

При испарении всей жидкости получается сухой насыщенный пар, который не содержит частиц жидкой фазы. Температура и объем сухого насыщенного пара являются функциями давления, поэтому его состояние определяется лишь одним параметром — или давлением, или температурой.

Насыщенный пар, который содержит мельчайшие капельки жидкости, называется влажным насыщенным паром.

Отношение массы сухого насыщенного пара m_Cf содержащегося во влажном паре, к общей массе (нар + жидкость) влажного насыщенного пара т_с + т_ж называется степенью сухости пара (паросодержанием) х, т. е.

где т_в = т_с + т_ж — масса влажного пара; т_ж — масса жидкости во влажном паре.

Таким образом, степень сухости определяет долю сухого насыщенного пара во влажном паре.

Массовая доля жидкости во влажном паре называется степенью влажности пара и обозначается (1 — х).

Степень сухости х может меняться в пределах от нуля до единицы. Например, для кипящей жидкости при температуре насыщения (температуре кипения при данном давлении) х = 0, а для сухого насыщенного пара х = 1.

Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту, то его температура будет возрастать и пар станет перегретым. Разность между температурой t_n перегретого пара и температурой t_Q сухого насыщенного пара называется степенью перегрева. Перегретый пар является ненасыщенным. При данном давлении его плотность меньше плотности сухого насыщенного пара, а удельный объем больше. Чем выше степень перегрева, тем больше по своим свойствам перегретый пар приближается к газу.