11.2 Водяной пар

11.2.1 Парообразование при постоянном давлении

Рассмотрим изменение состояния водяного пара (реального газа), имеющего сравнительно высокую критическую температуру. Изменение параметров состояния водяного пара удобно проследить на р- -диаграмме (рисунок 11.5).

Положим, что 1 кг воды при 0° С заключен в цилиндре, закрытом свободно движущимся невесомым поршнем, на который действует постоянное внешнее давление. Объем воды при указанных условиях обозначим . Если считать жидкость несжимаемой при лю­бых давлениях, то прямая, соединяющая точки l, l, l и параллельная оси ординат, будет определять все возможные состояния воды при 0° С. Следует отметить, что для несжимаемой жидкости эта изохора совпадает с изотермой.

Если (при постоянном давлении) подводить к жидкости теплоту, то при достижении температуры кипения t_В начнется превращение воды в пар – точка т. Удельный объем жидкости вследствие нагрева увеличивается от до . При более высоком давлении процесс парообразования начнется и при более высокой температуре t_н, следовательно, объем воды при достижении точки кипения будет больше, чем раньше (точка т).

На р- – диаграмме геометрическое место точек, определяющих состояние воды, нагретой до температуры кипения, изображается кривой т, т, т. Эту кривую называют нижней (левой) пограничной кривой. При дальнейшем подведении теплоты начинается процесс парообразования. При условии постоянства давления для всех жидкостей имеет место характерное явление: температура смеси жидкости и пара остается неизменной и равной температуре кипения t_H.

Рисунок 11.5 – Изменение параметров состояния водяного пара

Процесс парообразования прекратится в точке n, когда вся жидкость превратится в пар. Между точками т и п система двухфазная, пар в этой области – влажный насыщенный.

Влажный насыщенный пар представляет собой смесь пара с жидкостью, причем жидкость может быть сосредоточена в нижней части цилиндра или равномерно распределена в виде мельчайших капель по всему объему.

Пар, полученный при испарении всей жидкости (точка п), – сухой насыщенный. Удельный объем, пара в этой точке обозначим через ". При проведении процесса парообразования при другом давлении соответственно получим точки n, п". Кривая п' п п" представляет собой верхнюю (правую) пограничную кривую. Пересечение верхней и нижней пограничных кривых определяет положение критической точки К. Для воды критической точке соответствует р_кр = 221,048 бар, Т_кр = 647,15 К; _кр = 0,0031 м³/кг. На рисунке 11.5 в области влажного насыщенного пара пунктирными линиями показаны линии постоянной сухости. Степень сухости пара х представляет собой массовую долю сухого насыщенного пара во влажно паре

(11.14)

Для точек, лежащих на нижней пограничной кривой, х = 0, для точек, лежащих на верхней пограничной кривой, х = 1. Если к сухому насыщенному пару продолжать подводить теплоту, то удельный объем и температура увеличиваются (_n > ", t > t_н). Пар в этом состоянии называют перегретым. Начиная с точки п вправо система однофазная.