Текст работы

Реферат
ВЛАСТИВОСТІ І ПРОЦЕСИ РЕАЛЬНИХ ГАЗІВ І ПАРІВ

Загальні властивості реальних газів. Реальні гази відрізняються від ідеальних газів тим, що молекули цих газів мають об’єми і зв’язані між собою силами взаємодії, що зменшуються із збільшенням відстані між молекулами. Найбільш простим рівнянням стану для реальних газів є рівняння Ван-дер-Ваальса (у даний час існує більше 150 емпірічних рівнянь):

(1)

де - поправка на об’єм молекул м3/кг; , Па - поправка на внутрішній чи молекулярний тиск, обумовлений взаємним притяганням молекул газу. Константи і залежать від природи газу. На діаграмі (рис.1) показані ізотерми побудовані за рівнянням Ван-дер-Ваальса. Точка А відповідає стану рідини, точка В відноситься до пароподібного стану речовини.

Рис.1. Ізотерми реального газу

У дійсності перехід з рідкого стану в пароподібний завжди відбувається через двофазний стан речовини. При цьому при даній температурі процес переходу відбувається також і при постійному тиску. Цей дійсний перехід з рідкого стану в пароподібний зображається прямою лінією АВ.
Практично для особливо чистих речовин можливе здійснення ділянок хвилеподібної кривої AQ і DB. У першому випадку мають місце постійні стани перегрітої пари рідини, а в другому - переохолодженої пари.
При визначеній температурі ізотерма рівняння Ван-дер-Ваальса не буде мати хвилеподібної ділянки (точка К). Цю температуру називають критичною. Якщо з’єднати точки А1, А2, А3, ... і В1, В2, В3, ... одержимо криву, схожу на параболу. Крива АК називається нижньою граничною кривою і відповідає стану кипіння рідини. Крива КВ називається верхньою граничною кривою і відповідає стану сухої насиченої пари.
Отже, для реальної речовини діаграму можна розбити на три області: 1 - область рідкого стану, розташована лівіше нижньої граничної кривої; 2 - область двофазних станів (волога пара), розташована між нижньою і верхньою граничною кривими; 3 - область перегрітої пари, розташована правіше верхньої граничної кривої і вище критичної точки. Умовно область рідини обмежують зверху лінією КМ - критична ізобара.
Водяна пара і її характеристики. Пара - газоподібне тіло в стані, близькому до киплячої рідини. Пароутворення - процес перетворення речовини з рідкого стану в пароподібний. Випаровування - пароутворення , що відбувається завжди при будь-якій температурі з поверхні рідини. Кипіння - це перетворення рідини в пару у всьому об’ємі. Конденсація - це перехід з парової фази в рідку. Сублімація - перехід із твердої фази в газоподібну. Десублімація - перехід з газової фази у тверду. Рівномірна суміш дрібних часток рідини і сухої насиченої пари утворює вологу насичену пару. При переході всієї рідини в пару утвориться суха насичена пара. Насичена пара - це пара, що знаходиться в рівновазі з рідиною. Ненасичена пара - це пара, що не знаходиться в рівновазі з рідиною. Перегрітою парою називається пара, температура якої вище температури сухої насиченої пари при даному тиску. Перегріта пара є ненасиченою парою.
Різниця між температурою перегрітої пари і температурою насиченої пари того тж тиску називається ступенем перегріву.
Для визначення стану вологої пари введене поняття ступеня сухості, який являє собою масову частку сухої насиченої пари у вологій парі:

(2)

де - маса сухої насиченої пари; - маса киплячої води; маса вологої насиченої пари.
Лінії постійного ступеня сухості збігаються в критичній точці К. Киплячій воді відповідає ступінь сухості х = 0, кривій сухої насиченої пари - .
Водяну пару на практиці одержують в котлоагрегатах, де процес перетворення води в пару проходить при сталому тиску (рис.2).

Рис. 2. Схема котлоагрегата

На фазовій діаграмі (рис.3.) область двофазного стану обмежена кривими і , і отримання пари зображається горизонтальною прямою - нагрівання рідини до температури кипіння; - пароутворення; - перегрівання пари.

Рис.3. Фазові діаграми процесу пароутворення в і діаграмах

Аналіз трьох стадій отримання перегрітої пари. Використовуючи вирази першого закону термодинаміки і для ізобарного процесу, отримаємо вираз для обчислення і в процесах отримання водяної пари:

(3)
(4)

Для обчислення ентропії використовується вираз
газ водяний пар термодинамічний
(5)

Питомі параметри води позначаються індексом 0 .
Питомі параметри робочого тіла на кривій кипіння позначаються штрихом на кривій сухої насиченої пари - двома штрихами . Параметри, які стосуються вологої насиченої пари, позначаються індексом х , а параметри перегрітої пари - без індексів і без штрихів .
Параметри стану води в точці а при t = 0 0С і різному тиску мають значення: питомий об’єм v=0,0001 м3/кг, тиск р0 = 611 Па, температура Т0 = 273, 16 К (t = 0,01 0С), ентропія, внутрішня енергія і ентальпія дорівнюють нулю.
Кількість тепла, необхідного для здійснення стадії нагрівання води до температури кипіння, називається теплотою рідини і згідно з виразом (4) становить:

(6)
або враховуючи, що 0 і , (7)

Зміна внутрішньої енергії при нагріванні води, з урахуванням (3.3):

(8)

Зміна ентропії в процесі
(9)

Кількість тепла, що витрачається на пароутворення в процесі , називається теплотою пароутворення , або теплотою фазового перетворення:

(10)

Звідки ентальпія сухої насиченої пари:

(11)

З рівняння першого закону термодинаміки для ізобарного процесу :

(12)

Отже, теплота пароутворення витрачається по-перше на зміну внутрішньої енергії при постійній температурі (тобто на подолання сил зчеплення між молекулами, або на роботу дисгрегації), по-друге, на роботу розширення . Таким чином:

(13)

Величину r називають внутрішньою теплотою пароутворення (вона становить 80%), а величину Y - зовнішньою теплотою пароутворення.
Враховуючи, що 1 кг вологої пари складається з х кг сухої насиченої пари питомого об’єму і (1-х) кг киплячої води питомого об’єму , питомий об’єм вологої пари дорівнюватиме:

(14)

Для звичайних умов tн рн=j рбар, і величина j залежить тільки від d:

або (32)

В нижній частині діаграми побудована за рівнянням (3.28) лінія парціального тиску рП = f(d). Стан вологого повітря (точка А) можна визначити за двома параметрами (j і t або рП і t), після чого знайти h і d. Для цього ж стану можна знайти і температуру точки роси, для цього з точки А слід повести вертикаль (d=const) до перетину з лінією j = 100%. Тоді ізотерма, яка проходить через точку перетину, буде відповідати точці роси tр.
Процес нагрівання повітря на h-d діаграмі зображається вертикальною лінією d = const (А-В), оскільки кількість водяної пари в ньому змінюється. Процес охолодження відбувається також без зміни вологовмісту, якщо повітря не стає насиченим (С-D). Якщо охолодження повітря відбувається до стану повного насичення з j = 100%. (процес (С-Е), то перетин лінії d = const з лінією j = 100% (точка Е) визначає температуру точки роси. У цьому стані водяна пара у вологому повітря стане насиченою.

Рис.8. h - d діаграма вологого повітря

Подальше охолодження повітря нижче роси (лінія Е-F) призводить до конденсації водяної пари, тобто до осушення вологого повітря. Кількість сконденсованої вологи буде визначатися різницею вологовмісту в точках Е і F. Процес адіабатного зволоження повітря при випаровуванні вологи, яка має температуру 0 0С, відбувається за рахунок вологого повітря і без зовнішнього теплообміну. В цьому процесі вологовміст повітря збільшується, а температура його знижується. Проте ентальпія вологого повітря залишається незмінною, оскільки частина її витрачена на випаровування вологи, повертається назад у вологе повітря з вологою яка випаровується. На h-d діаграмі процес адіабатного зволоження буде відбуватися на лінії h = const (процес С-К). Границею для охолодження повітря буде температура, яка відповідає його повному насиченню j = 100%. Температура, до якої повітря охолоджується при постійній ентальпії і стає насиченим, називається температурою адіабатного насичення, або температурою мокрого термометра tм. На h-d діаграмі температуру мокрого термометра в стані С знаходять по ізотермі, яка проходить через точку перетину лінії постійної ентальпії вологого повітря даного стану (hC = hK = const) з кривою j = 100% (точка К). Якщо випаровування відбувається з поверхні води, що має температуру t > 0 0С, то цей процес відбувається по лінії t=const, яка є геометричним місцем точок з однаковою температурою мокрого термометра.
Процес змішування вологого повітря різних станів (рис.9).

Рис.9. Схема визначення параметрів суміші вологого повітря

Якщо в камеру змішування надходять два потоки вологого повітря, стан яких характеризується в точках 1 і 2 параметрами d1, h1, t1 i d2, h2, t2 і масами m1 і m2, то стан вологого повітря після змішування можна визначити з рівняння теплового балансу і рівняння балансу вологи:
1h1 + m2h2 = (m1 + m2) hСМ(33)
m1d 1 + m2d 2 = (m1 + m2) dСМ(34)

Вирішуючи ці рівняння відносно hСМ і dСМ, отримаємо

; (35)

Після перетворень маємо

(36)

Процес змішування зображається прямою лінією, яка проходить через точки 1 і 2. Якщо відстань між ними розділити обернено пропорційно масам змішуваного повітря m1 і m2, отримаємо точку С, яка характеризує стан суміші вологого повітря з параметрами hCМ і dСМ.

Література

Иродов И.Е. Задачи по общей физике. М.: Бином, 2008.
Иродов И.Е. Механика. Основные законы. М.: Лаборатория базовых знаний, 2009.
Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. М.: Лаборатория базовых знаний, 2009.
Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 2007.
Китель И., Найт У., Рудерман М. Берклеевский курс физики. Механика. М.: Наука, 2007.
Матвеев А.Н. Курс физики. т.т. 1-4. М.: Высшая школа, 1976-2009.
Парселл Э. Берклеевский курс физики. Электричество и магнетизм. М.: Наука, 2009.