1.6. Законы термодинамики
Первый закон термодинамики является частной формулировкой всеобщего закона сохранения энергии.
Первый закон термодинамики: подведенная к газу теплота расходуется на изменение его внутренней энергии и на работу расширения газа.
dq = du + dl (1.20)
где: q – теплота; u – внутренняя энергия; l - работа по изменению объема.
dq = di + vdp (1.21)
где: q – теплота; i – энтальпия; p – давление; v – объем.
Второй закон термодинамики. Теплота сама собой переходит лишь от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Некомпенсированный переход теплоты от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой невозможен.
Лекция 2. Водяной пар. Влажный воздух (2 часа)
2.1. Уравнение состояния реальных газов
Водяной пар, получаемый в паровых котлах, очень широко используется в теплотехнике, как рабочее тело и теплоноситель. Его состояние близко к насыщению и поэтому он не подчиняется законам для идеальных газов.
Из уравнений состояний реального газа наиболее простым является уравнение Ван-дер-Ваальса, предложенное им в 1873 г.:
(2.1)
где а – коэффициент зависящий от сил сцепления; b – величина учитывающая собственный объем молекул.
Из уравнения (2.1) видно, что состояние реального газа будет тем ближе к состоянию идеального, чем больше v. На этом основании при больших удельных объемах реального газа можно пользоваться уравнением Клапейрона, например для пара, находящегося во влажном воздухе.
2.2. Процесс парообразования
Рассмотрим процесс парообразования при постоянном давлении в координатах р–v (рис. 1.13). Поместим 1 кг воды при температуре 0°С в цилиндр с поршнем. Для некоторого значения p = const это начальное состояние воды изобразится па диаграмме точкой а. При этом его удельный объем v = 0,001 м3/кг.
Рис. 2.1. Процесс парообразования в координатах р–v
Если подогревать воду при постоянном давлении, то объем ее увеличивается и при температуре, которая соответствует состоянию кипения воды, достигает величины, отмеченной на диаграмме точкой b. Удельный объем кипящей воды принято обозначать v'. При дальнейшем подводе теплоты к кипящей воде последняя начнет превращаться в пар, причем давление и температура смеси воды с паром остаются неизменными.
Когда в процессе парообразования последняя частица воды превратится в пар, весь объем окажется заполненным паром. Такой пар как бы «насыщает» объем, в котором он находится, и потому называется насыщенным паром, а его температура, равная температуре кипения, называется температурой насыщения. Она обозначается tн и зависит от давления: при pабс=0,1 МПа tн=99,09°С, при рабс=0,2 МПа tн=119,62 °С, a при pабс= 10 МПа tн=309,53°С.
На участке b – с пар называется влажным насыщенным паром (или просто влажным), так как он состоит из смеси воды и пара. После полного испарения воды (точка с) пар называют сухим насыщенным (или просто сухим).
Влажный пар характеризуется степенью сухости х. Степенью сухости называют массовую долю сухого насыщенного пара, находящегося в 1 кг влажного пара. Например, в 1 кг пара содержится 0,85 кг сухого насыщенного пара и 0,15 кг кипящей воды. Следовательно, степень сухости пара х = 0,85. Величина 1-х называется степенью влажности. Она показывает массовую долю кипящей воды, находящейся в 1 кг влажного пара. Для сухого насыщенного пара х=1.
Рассмотрим теперь процесс парообразования при более высоком давлении (см. рис. 2.1). Удельный объем воды при 0 °С с повышением давления практически не изменяется (а'). Удельный объем кипящей воды несколько увеличится, так как с увеличением давления возрастает температура кипения (точка b'). Точка с', соответствующая сухому насыщенному пару, будет находиться левее точки с, так как давление возрастает более интенсивно, чем температура сухого насыщенного пара, и удельный объем его уменьшается.
Если точки, обозначающие в р–v диаграмме процессы при постоянном давлении, соединить, то получатся линии I, II, III. Линия I характеризует состояние воды при 0°С и является прямой, почти параллельной оси ординат. Линия II–кривая, соединяющая точки b и b' соответствует состоянию кипящей воды. Линия III – кривая, соединяющая точки с и с' соответствует состоянию сухого насыщенного пара. Линии II и III пересекаются в точке k, которая называется критической точкой. В этой точке исчезает различие в свойствах жидкости и пара. Параметры, отвечающие точке k, называются критическими. Для воды они имеют следующие значения: pкр=22,5 МПа, tкр==374,15°С (T=647,ЗК); v =0,00307 м3/кг. Линия II называется нижней пограничной, а линия III – верхней пограничной кривой.
Процесс парообразование графически изображается линией b–с (рис. 2.1). Теплота парообразования – количество теплоты, затрачиваемой на превращение 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар, обозначается буквой r. С увеличением давления теплота парообразования уменьшается. В критическом состоянии r = 0.
В котельном агрегате сухой насыщенный пар обычно продолжает нагреваться при p=const. Этот процесс в p–v-диаграмме изображается линией c–d. При состоянии, отвечающем точке d, пар уже не насыщает пространство и имеет температуру более высокую, чем температура насыщения при данном давлении. Такой пар называется перегретым паром.