Презентация на тему Термодинамические свойства воды и водяного пара

(без энергетических взаимодействий с окружающей средой )

У поверхности

льда или жидкости всегда присутствует пар. Соприкасающиеся фазы находятся в т/д равновесии: быстрые молекулы вылетают из жидкой фазы, преодолевая поверхностные силы, а из паровой фазы медленные молекулы переходят в жидкую фазу.
В состоянии равновесия каждой Т соответствует определенное давление пара – полное (если над жидкостью присутствует только пар) или парциальное (если присутствует смесь пара с воздухом или другими газами).
Пар, находящийся в равновесном состоянии с ж. фазой, из которой он образовался - насыщенный, а соответствующая ему Т - Т насыщения, а давление – р насыщения.

(с энергетическими взаимодействиями с окружающей средой )
Процесс некомпенсированного

перехода вещества из ЖФ в Г - испарение.
Процесс некомпенсированного перехода вещества из ТФ в Г - сублимациия (возгонка).
Процесс перехода вещества из жидкой фазы в паровую непосредственно внутри жидкости - кипение.
Любой процесс перехода вещества из жидкой фазы в паровую - парообразование.
Процесс, противоположный парообразованию, т.е. некомпенсированный переход вещества из паровой фазы в жидкую - конденсация.
Процесс, противоположный сублимации, т.е. переход вещества из паровой фазы непосредственно в твердую - десублимация.
Жидкая фаза воды при температуре кипения - насыщенная жидкость.
Пар при температуре кипения (насыщения) - сухой насыщенный пар.
Двухфазная смесь "ж+п" в состоянии насыщения - влажный насыщенный пар.

сухости х, представляющее собой отношение массы сухого насыщенного пара,

mс.н.п, к общей массе смеси, mсм = mс.н.п+ mж.с.н, его с жидкостью в состоянии насыщения:

Отношение массы жидкой фазы воды в состоянии насыщения к массе смеси называется степень влажности (1-х):

Пар с температурой выше температуры насыщения при данном давлении называется перегретым паром. Разность температур перегретого пара t и насыщенного пара того же давления tн называется степенью перегрева пара Δtп = t -tн.

насыщения x = 0 определяется исходя из ее равенства

нулю в тройной точке воды (sо'=0). С изменением давления энтропия Ж при Т тройной точки (или 0 oС) sо изменяется незначительное Поскольку энтропия, является функцией двух независимых параметров состояния, а при t=0 оС для всех давлений жидкости внутренняя энергия Ж =0, то и энтропия жидкости при t=0 оС для всех давлений будет постоянной и равной энтропии жидкости в тройной точке воды, т.е. sо=0.
Зная значение энтропии sо при t=0 oС и заданном давлении, энтропию жидкости на линии насыщения при Tн можно определить как



где sо = sо'= 0 – при давлениях, используемых в технике; сp ≅ 4,187 кДж/(кг·К) – при умеренных давлениях.
Определение энтальпии, энтропии и внутренней энергии жидкости при температурах меньших, чем температура насыщения при заданном давлении, ведется аналогичным образом.

Все параметры сухого насыщенного пара отмечаются двумя штрихами (v", h", s" и т.д.).
r = u"- u' + Р(v"- v') = h"- h'. (6.9)
В процессе парообразования Т не изменяется, следовательно, разность внутренних энергий u" - u' соответствует только работе дисгрегации (разъединения молекул), т.е. работе перевода Ж в П. Она называется внутренней теплотой парообразования ρ: ρ = u" - u' . (6.10)
Работа изменения объема при парообразовании - внешняя теплота парообразования Ψ: Ψ = Р(v" - v') . (6.11)

В диаграмме Р,v она представлена площадью под горизонталью 23 (рис.6.12). Использовав введенные обозначения, уравнение (6.9) можно представить в виде r = ρ + Ψ . (6.12)

При критическом давлении все члены равенства (6.12) равны нулю: r=ρ=ϕ=0.
В изобарном процессе 123 (см. рис.6.13) затрачивается теплота для нагрева жидкости от t=0 оС до состояния сухого насыщенного пара, называющаяся полной теплотой сухого насыщенного пара:
λ" = q' + r = q' + ρ + Ψ = h" - Рvo' . (6.13)
Эта теплота и все ее слагаемые зависят от давления или от температуры насыщения. Зависимость этих величин от температуры насыщения представлена на рис. 6.14.
Энтальпию сухого насыщенного пара можно определить как h" = h' + r = q' + Рvo' + r = λ" + Рvo'. (6.14)

Из рис. 6.14 видно, что λ" имеет максимум. Поскольку Рvo' несоизмеримо мала по сравнению с λ", то и h" имеет максимум. При этом важно отметить, что максимум энтальпии сухого насыщенного пара h" находится при температуре меньшей, чем у критической точки.
Внутренняя энергия сухого насыщенного пара определяется из соотношения u" = h" - Рv" . (6.15)
Изменение энтропии при изобарно-изотермическом процессе парообразования 23
, (6.16)
откуда получаем значение энтропии сухого насыщенного пара. (6.17)

0 и x = 1. (е) на изобаре Р

в области влажного насыщенного пара (6.15, 6.16). В области влажного насыщенного пара пар-ры состояния не м.б. определены только по р и Т, поскольку р однозначно определяет Т насыщения и изобара влажного П одновременно является его изотермой, представляющей линию в Р,v- и Т,s- диаграммах. В качестве вспомогательного условного пар-ра для влажного П применяется степень сухости х. Зная х и пар-ры состояний насыщения В на линии х=0 и П на линии х=1, можно рассчитать все остальные параметры состояния влажного П. Используя пар-ры влажного насыщенного П, можно рассчитать его степень сухости:
Теплота, необходимая для получения влажного П из В c t=0 оС при изобарном ее нагревании, называется полной теплотой влажного П λx = q' + xr = hx - Рvo'.

приводит к повышению его Т по отношению к Т

насыщения при данном р. Параметры состояния перегретого пара обозначаются соответствующими буквами без индексов (t, h, s, u и т.д.)

Теплота, необходимая для перевода 1 кг сухого насыщ. пара в перегретый пар с температурой t при изобарном ее нагревании, называется теплотой перегрева qп



где cp – масс. изобарная тепло-ть перегретого пара

Р

Т от Т насыщения изобарная теплоемкость сначала уменьшается, проходит через минимум, а затем медленно возрастает;
2) при одной и той же Т cp тем больше, чем выше Р
3) с повышением Т зависимость cp от Р уменьшается

Анализ изменения изобарной теплоемкости воды и пара при Р>Ркр показывает:
1) при Р кр с повышением Т жидкости ее изобарная теплоемкость растет и при критической Т переходит в бесконечность, далее вблизи критической точки при t>tкр cp пара резко понижается;
2) при сверхкритических давлениях повышение Т В сопровождается повышением cp В до мах, а затем понижением теплоемкости П;
3) с повышением Р уменьшается степень изменения cp от Т, значение максимума снижается, а максимум теплоемкости смещается в область более высоких температур.

и пара с использованием таблиц необходимо помнить:
1) при Р

= const:
t < tн – жидкая фаза воды,
t > tн – перегретый пар,

t = tн – необходим 3-й параметр,
например:
h = h'- кипящая вода,
h = h" – сухой насыщенный пар,
h' < h < h" – влажный пар,
h < h' – жидкая фаза воды,
h > h" – перегретый пар,
h' < h < h" – влажный пар.
2) при t = const:
Р < Рн – перегретый пар,
Р > Рн – жидкая фаза воды,
Р = Рн – аналогично t = tн при Р=const с ориентацией на h, v, s.
Некоторыение выпуски таблиц включают в себя 2 части: 1-я в СИ, где Р – в Па, h – в кДж/кг, и 2-я в СГС, где Р – в кгс/см2, а h – в ккал/кг.

процессов изменения состояния воды и водяного пара и паровых

циклов широко используется T,s- диаграмма. Она дает большой объем информации, позволяющий судить об особенностях энергетических эффектов и о тепловой экономичности циклов. В тепловой диаграмме T,s наносятся линии постоянных параметров воды и пара и функций состояния (6.21).

Нулевое значение энтропии соответствует тройной точке жидкости (0,01 оС или 273,16 К и 611,2 Па). Построение линий постоянных параметров и функций состояния проводится по данным таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара. Используя табличные значения зависимости между температурой насыщения Тн и энтропией кипящей жидкости s' и сухого насыщенного пара s", можно построить нижнюю (х=0) и верхнюю (х=1) пограничные кривые. Эти пограничные кривые соединяются в критической точке К с координатами Ткр=647,27 К (374,12 оС) и sкр = 4,4237 кДж/(кг·К). Линия х = 0 начинается в тройной точке жидкости при Т = 273,16 К и s1' = 0. Сухому насыщенному пару в тройной точке соответствует энтропия sN"=9,1562 кДж/(кг·К) (см. рис. 6.21, точка N). Ниже горизонтали 1N находится зона сублимации, здесь слева от линии х = 1 – область твердой фазы и пара, а справа от линии х = 1 – область перегретого пара. Выше линии х = 0 находится область жидкой фазы, а выше линии х=1 находится область перегретого пара.

практике широкое применение находит h,s- диаграмма для воды и

водяного пара. Такое широкое использование h,s- диаграммы в теплоэнергетических расчетах обусловлено тем, что для основных процессов теплоэнергетических установок (изобарного, Р=const, и адиабатного, s=const) разности энтальпий представляют их главные энергетические характеристики: количество теплоты или техническую работу, которые в h,s- диаграмме могут быть элементарно представлены отрезками вертикальных прямых линий. В Т,s- диаграмме эти величины представляются сложными площадями.
Диаграмма h,s строится по данным таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара. На рис. 6.22 приведен общий вид такой диаграммы для воды и водяного пара.

За начало отсчета энтропии в h,s- диаграмме, как и в Т,s- диаграмме, приняты параметры тройной точки жидкой фазы воды. В этой точке sо'=0 и uо'=0, а энтальпия hо' = 0,000614 кДж/кг будет больше нуля, но численное ее значение очень мало. Следовательно, начало линии х=0, соответствующее тройной точке воды, расположено очень близко к началу координат. При повышении давления и температуры энтальпия h' и энтропия s' жидкости на линии насыщения растут до критической точки и пограничная линия х=0 представляется вогнутой кривой ОК.
Пограничная кривая сухого насыщенного пара х=1 имеет вид кривой КN. Максимальное значение энтальпии (ординаты) этой кривой h"мах=2801,9 кДж/кг достигается при давлении около 30 бар и энтропии 6,18 кДж/(кг·К).

наиболее часто встречаются: изохорный процесс (растопка котла при повышении

давления), изобарный процесс (установившийся режим работы котла, процессы в подогревателях и конденсаторах пара), адиабатный процесс (в паровой турбине и насосе), изотермический процесс (испарение воды в реакторе кипящего типа). (далее см. текст лекций)

и водяного пара. В воздухе при определенных условиях кроме

водяного пара может находиться его жидкая (вода) или кристаллическая (лед, снег) фаза. В естественных условиях воздух всегда содержит водяной пар. Влажный воздух можно рассматривать как смесь сухого воздуха и водяного пара (жидкую и твердую фазы воды в воздухе пока считаем отсутствующими).
Используя законы для смесей газов, получим, что давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара: Р = Рв + Рп

В качестве определяющих параметров водяного пара во влажном воздухе используются температура воздуха t и парциальное давление водяного пара Рп. Водяной пар во влажном воздухе может находиться в трех состояниях (рис.7.1): точка 1 – перегретый пар, точка 2 – сухой насыщенный пар, точка 3 – влажный насыщенный пар (сухой насыщенный пар плюс капельки жидкости в состоянии насыщения). Высшим пределом парциального давления водяных паров при данной температуре воздуха t является давление насыщения пара Рп max = Рн.

водяных паров в м3 влажного воздуха. Для ее определения

используется величина, обратная удельному объему водяного пара при Рп и t, ρ=1/v (кг/м3). Абсолютная влажность воздуха характеризует содержание в воздухе только паровой фазы воды.
Относительная влажность ϕ – это отношение абсолютной влажности к максимально возможной влажности воздуха при данной температуре:
где ρ" и v" – максимальная абсолютная влажность воздуха и удельный объем сухого насыщенного водяного пара при данной Т t. Относительная влажность воздуха характеризует потенциальную возможность воздуха испарять влагу и забирать в себя пар из окружающей среды при данной Т.
Различают 3 состояния влажного воздуха.
1. Ненасыщенный влажный воздух – ϕ<100 %, Рп<Рн, ρ<ρ", водяной пар во влажном воздухе в виде перегретого пара (точка 1).
2. Насыщенный влажный воздух – ϕ=100 %, Рп=Рн, ρ=ρ", водяной пар во влажном воздухе в виде сухого насыщенного пара (точка 2).
3. Перенасыщенный влажный воздух – ϕ=100 %, Рп=Рн, ρ=ρ", кроме сухого насыщенного пара в воздухе находятся капельки воды в состоянии насыщения (льда,снега (т. 3 при наличии капелек воды).
В технике используется такая характеристика влажного воздуха, как температура точки росы. Это такая температура, начиная с которой при охлаждении влажного воздуха при постоянном давлении из него начинается выпадение капелек воды (соответствует Т(А) процесса 1А, рис. 7.1). При снижении Т воздуха ниже Т точки росы при постоянном давлении всей смеси и постоянном содержании в ней H2О (процесс АВ) парциальное давление водяного пара уменьшается (Рвп<Рп), количество сухого насыщенного пара уменьшается, а количество капелек воды увеличивается. В этом случае в P,v- диаграмме процесс АВ пойдет в области влажного пара с уменьшением степени сухости по мере снижения Т.

оС Р парц водяного пара очень мало (0,006-0,07 бар),

что позволяет применить к перегретому и сухому насыщенному водяному пару уравнение идеального газа:Рпv = RT, Рнv" = RT,
где Рп, Рн и v, v" – парциальные давления и удельные объемы для перегретого и сухого насыщенного водяного пара при температуре Т.
Разделив эти выражения друг на друга, получим расчетное выражение
относительной влажности воздуха через парциальные давления водяного пара:.
Молярная масса атм влажного воздуха определяется по уравнению для смеси газов:μ = rвμв + rпμп,
где rв, rп – объемные доли сухого воздуха и водяного пара, rв = Рв/Р=(Р - Рп)/Р; rп = Рп/Р,
Р, Рв и Рп – атм и парциальные давления сухого воздуха и водяного пара; μв, μп – молярные массы сухого воздуха и водяного пара, μв=28,96 кг/кмоль, μп=18,016 кг/кмоль.В результате получаем расчетное выражение молярной массы влажного воздуха
Газовая постоянная влажного воздуха,
она больше газовой постоянной сухого воздуха.
Плотность влажного воздуха
Влагосодержание d – это масса водяного пара в гр., приходящаяся на 1 кг сух. воздуха.

Энтальпия влажного воздуха Н рассчитывается на 1 кг сухого воздуха (кДж/кг с.в.) и определяется как сумма энтальпий компонентов, находящихся в 1 кг сухого воздуха:
где dп, dж, dт – количество пара, жидкости и твердой фазы Н2О (лед, снег) в граммах на 1 кг сухого воздуха (влагосодержания);
hв, hп, hж, hт – удельные энтальпии сухого воздуха, пара, жидкости и твердой фазы Н2О, кДж/кг.

снег) принимаются постоянными удельная теплота плавления льда и его

изобарная теплоемкость. Эти величины берутся при параметрах тройной точки воды. Такие допущения возможны, поскольку в соответствии с Р,t- диаграммой для воды (рис.7.3) имеют место следующие факты:
в атмосферном воздухе твердая фазы воды (т.ф.) может присутствовать только при температурах и парциальных давлениях пара, меньших (или равных) температуры и давления тройной точки воды, т.к. только на линии сублимации АС возможно одновременное существование паровой и твердой фаз воды;
плавление льда в атмосферном воздухе возможно только при температуре 0 оС;
переход льда в паровую фазу при температурах меньше 0 оС происходит, минуя жидкую фазу воды, – по линии сублимации (АС);

 парциальное давление водяного пара при отрицательных температурах атмосферного воздуха ненамного меньше (или равно) давления тройной точки воды Ро, следовательно, теплота изобарного охлаждения твердой фазы воды от 0 оС может быть рассчитана по изобаре Ро.

из двух термометров: сухого и мокрого. Мокрый термометр обернут

тканью, смачиваемой водой.
Сухой термометр показывает температуру t атмосферного влажного воздуха. Мокрый термометр - температуру tм, которая меньше температуры сухого термометра. Понижение температуры tм по отношению к температуре t вызвано испарением воды из ткани. Однако tм будет больше температуры т. росы вследствие наличия теплообмена влажной ткани с окружающей средой, имеющей температуру t>tм. При насыщенном влажном воздухе вода не может испаряться из ткани и t=tм. При ненасыщенном влажном воздухе t>tм. Чем суше воздух, тем больше разность температур t-tм и тем меньше его влагосодержание. Зависимость влагосодержания dп для атмосферного воздуха от t и tм устанавливается экспериментально. Результаты этих испытаний сводятся в психрометрические таблицы, которыми пользуются для определения влагосодержания воздуха по показаниям температур психрометра.

нулевое начало. Вертикальные линии в H,d- диаграмме представляют линии

постоянных влагосодержаний d=const. Линии постоянных энтальпий H=const параллельны оси d и идут под углом 135о к оси H.

влажного воздуха в H,d- диаграмме (область выше линии ϕ=100

%) изображение изотерм t=const ведется в соответствии с уравнением энтальпии для этой области, когда в воздухе может присутствовать только паровая фаза воды: .Изотермы в этой области представляют собой близкие к параллельным прямые линии с угловым коэффициентом, соответствующим величине (∂H/∂d)t=(2501+1,93t)/1000.
Незначительное расхождение изотерм вызвано произведением 1,93t.
Изотерма 0 оС в этой области, представляет собой горизонтальную прямую. Это достигается выбором масштаба по осям H и d в соответствии со значением углового коэффициента изотермы 0 оС (∂H/∂d)t=0=2501/1000 при ее горизонтальном изображении.
При d=0 получается равенство H=t, т.е. численные значения энтальпий и температур на оси H одинаковы. Поэтому ось энтальпий одновременно выполняет и роль оси Т.
Каждой точке изотермы соответствует определенное значение относительной влажности воздуха ϕ. Это объясняется тем, что при Р=const и при t=const парциальное давление насыщения водяного пара постоянно: Рн=f(t)=const. Следовательно, на изотерме H,d- диаграммы влагосодержание пара
однозначно определяет относительную влажность
Соединив на изотермах точки с одинаковыми ϕ, получают линии постоянных относительных влажностей воздуха (ϕ=const). При этом ϕ=0 соответствует d=0, т.е. линия ϕ=0 совпадает с осью энтальпий Н.

Таким образом, ось энтальпий H в H,d- диаграмме выполняет три функции: является осью энтальпий, осью температур, линией постоянной относительной влажности воздуха ϕ=0.

перенасыщенного влажного воздуха (тумана, ниже линии ϕ=100 %) кроме

ПФ в воздухе может присутствовать Ж или ТФ воды. При атм давлении воздуха и Т выше 0оС могут одновременно существовать только П и ЖФ воды, а при Т-х ниже 0 оС – только П и ТВ (лед,снег) фазы воды, и только при 0оС могут одновременно существовать все три фазы воды. ЖФ воды при «-» Т-х может существовать только при р-х выше давления тройной точки воды Ро, а мах парц давление водяного пара в атм воздухе при этих Т-х не может быть больше этого Р. Области возможного фазового существования воды в атм воздухе - в фазовой диаграмме P,t для воды. Заштрихованная площадь соответствует состоянию воды в атм воздухе. Сверху область ограничена мах парциальным Р насыщения водяного пара, соответствующим 100оС. Большего парциального давления водяного пара в атмосферном воздухе быть не может, т.к. парц. р водяного пара при температуре воздуха 100оС равно полному давлению воздуха (РНмах = Р). Слева ограничение этой области идет по линиям фазовых переходов: по линии насыщения АК – где может находиться одновременно Ж и ПФ воды, и по линии сублимации АС – где возможно одновременное существование тв и ПФ воды.
Количество водяного П в области тумана влажного воздуха при постоянной Т не меняется. Оно соответствует мах возможному влагосодержанию пара в воздухе при данной Т и определяется в H,d- диаграмме на линии ϕ=100 %, как влагосодержание насыщенного воздуха dп1=dн1 (А). Увеличение влагосодержания воздуха на изотерме в области тумана обусловлено увеличением ЖФ воды в воздухе. Парц давление водяных паров на изотерме в области тумана при этом остается постоянным и равным давлению насыщения (Рп1=Рн1). В выражении энтальпии перенасыщенного влажного воздуха при t=const переменной будет только третье слагаемое, определяющее угол наклона изотермы в области тумана H,d- диаграммы выражением (∂H/∂d)t=4,1877t/1000. Угловой коэфф. для изотермы ненасыщенного влажного воздуха (∂H/∂d)t=(2501+1,937t)/1000>(∂H/∂d)t=4,1877t/1000

перенасыщенного влажного воздуха по H,d - диаграмме при t>0

oC

(∂H/∂d)t=(2501+1,937t)/1000>(∂H/∂d)t=4,1877t/1000

области тумана
Рис. 7.8. К определению параметров перенасыщенного влажного

воздуха по H,d - диаграмме при t=0 oC

меньше 0 оС в атмосферном влажном воздухе могут присутствовать

только паровая и твердая фазы воды. В случае ненасыщенного влажного воздуха имеет место только паровая фаза воды, для которой уравнение энтальпии соответствует выражению

точке 1 соответствует ненасыщенный влажный воздух с относительной влажностью ϕ=Рп/Рс=v"/v=ρ/ρ"<1, где Рс – давление сублимации, соответствующее изотерме t<0 оС, а v" – удельный объем сухого "насыщенного" пара при Рс, в этом случае Рп<Рс, а водяной пар перегретый;
точке 2 соответствует насыщенный влажный воздух с относительной влажностью ϕ=100 % и Рп=Рс, ρ=ρ", v=v", а водяной пар во влажном воздухе будет в виде сухого "насыщенного";
точке 3 соответствует перенасыщенный влажный воздух с относительной влажностью ϕ=100 %, Рп=Рс, водяной пар во влажном воздухе кроме сухого "насыщенного" пара содержит твердую фазу воды (лед, снег)

и мокрого tм1 термометров, взятых с показаний психрометра, определяем

на их пересечении в H,d- диаграмме точку 1, соответствующую состоянию влажного воздуха (см. рис.7.6). По осям координат находим H1 и d1 и проходящую через точку 1 линию ϕ1=const. На пересечении линий d1=const и ϕ1=100 % определяется температура точки росы t1росы, а по зависимости Рп=f(d) и d1 находится парциальное давление пара Рп1
Если точка А (см. рис.7.6) располагается в области перенасыщенного влажного воздуха и мы знаем ее температуру, то определить влагосодержание dА в ней можно только экспериментально. Влагосодержание пара в этой точке соответствует величине dнА, находящейся на пересечении линий tА и ϕ=100 %. Влагосодержание жидкой фазы воды в этой точке определяется как разность влагосодержаний: dжА=dА-dнА. Парциальное давление пара для точки А равно давлению насыщения: РА=РнА при tА и ϕ=100 %.