Пары, общие понятия и определения. Процесс парообразования.

Водяной пар широко используется в теплотехнике. При высокой температуре и малом давлении он приближается к идеальному газу. Пар может быть получен из жидкости двумя способами: испарением и кипением. Испарением называется парообразование, происходящее с поверхности жидкости. Кипением называется парообразование происходящее во все массе воды, при подводе к ней тепла. Частицы пара имеющие меньшую плотность устремляются вверх, соединяются, образуя пузырьки, достигая поверхности жидкости преодолевают силы поверхностного натяжения вылетают в окружающее пространство. Процесс кипения жидкости происходит при вполне определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится. Эта температура называется температурой насыщения или кипения t_S.

Процесс получения из воды перегретого пара, имеющего температуру выше t_S разделяется на три стадии: подогрев воды до температуры кипения, парообразование и перегрев пара.

П оршень нагружен постоянной силой, удерживающее давление p. Точка a. Если при постоянном давление подводить тепло и нагреть до t_S удельный объем воды возрастет до v’. Точка b. При дальнейшем подводе тепла – кипение воды и образование влажного пара. Весовая доля сухого пара – степень сухости. Когда вся вода превратится в пар он станет сухим насыщенным. Точка C. При дальнейшем подводе теплоты будет происходить процесс перегрева пара, причем его температура и удельный объем будут увеличиваться

Линия BK – зависимость удельного объема воды, нагретой до температуры кипения от давления. CK– зависимость удельного объема сухого насыщенного пара от давления. Видно, что при некотором давлении разность удельных объемов пара и воды становится=0 К – критическая точка, исчезают различие между жидкостью и паром. Tкр=374.15, Pкр=221,29 бар.

ab– процесс подогрева воды, теплота израсходованная на нагрев – площадь под ab.

cd– процесс перегрева пара.

Видно, что с повышением давления температура кипения и энтальпия увеличиваются, а теплота парообразования к уменьшается. В критической точка теплота парообразования станет равной 0.

Дифференциальное соотношение Клапейрона-Клаузуиса. Применение

Уравнение Клапейрона-Клаузиуса устанавливает связь между температурой и теплотой фазового перехода. Получим его для перехода жидкость-пар. Для этого рассмотрим элементарно малый цикл Карно, в котором подвод и отвод тепла осуществляется в результате кипения воды и конденсации насыщенного пара. Ниже приведено изображение такого цикла на p–v диаграмме воды и пара. В процессе 1–2 подводится тепло q1 = r . С достаточной точностью работа за цикл определится произведением lц = F_ц = dp_н (v"−v') (при этом считаем, что заштрихованные фигуры равны; это очень близко к действительности, когда речь идет об очень малой величине разницы давлений dpн). Величину термического КПД можно рассчитать как для любого цикла по формуле

С другой стороны, эту же величину рассчитаем, как для цикла Карно через температуры подвода и

отвода тепла, заменяя для элементарно малого цикла разницу T2 – T1 элементарно малой величиной

Приравнивая правые части полученных формул для t η , находим

Уравнение Клапейрона-Клаузиуса в аналогичном виде можно получить и для других фазовых переходов (плавление, сублимация). Обычно оно служит для проверки достоверности, "увязки" полученных

опытных данных. При высоких давлениях с помощью этого уравнения рассчитывают величину v" , поскольку опытное ее определение в этом случае затруднительно.