5. Адиабатное расширение газов с отдачей внешней работы

При расширении рабочего вещества от давления Р₁ до давления Р₂ можно получить работу, если этот процесс происходит в расширительном устройстве - детандере (процесс а - в).

В этом случае работа совершается за счет изменения энтальпии расширяющегося рабочего вещества и отводится от детандера.

Рассмотрим, как изменяются параметры рабочего вещества, характеризующие процесс с получением внешней работы. Если процесс расширения с совершением внешней работы осуществляется без потерь и без теплообмена с окружающей средой, то энтропия рабочего вещества не меняется, то есть процесс расширения идет изоэнтропно dS=0. Работа, совершаемая рабочим веществом (а - в), отводится из системы. Так как эта работа совершается за счет энергии рабочего вещества, то его температура в процессе расширения всегда понижается.

Понижение температуры определяется производной ( ) , которая может быть названа коэффициентом обратимого адиабатного (изоэнтропного) расширения и по аналогии с обозначена .

Воспользуемся уравнением (5) для величин T, P, S, тогда

﴾ ﴿ *﴾ ﴿ *﴾ ﴿ =-1

С учетом уравнения Максвелла﴾ ﴿ = -﴾ ﴿ и выражением теплоемкости c_p=T﴾ ﴿ , получаем = T﴾ ﴿ c_p.

Сравнивая с коэффициентом дросселирования , получаем

- = ,

поскольку и c_p всегда положительны, то



Таким образом, процесс адиабатного расширения с получением внешней работы термодинамически более эффективен, чем процесс адиабатного дросселирования. Это видно из диаграммы (процесс а – с - дросселирование).

6. Охлаждение за счет фазовых превращений

Охлаждение за счет фазовых превращений широко применяется в холодильной технике. Так, например, в парокомпрессионных холодильных машинах осуществляется переход парообразного хладагента в жидкий и обратно.

Фазовые переходы однородных тел

Всякое тело может находиться в различных фазах, т. е. различных агрегатных состояниях, и его характеризуют одинаковые физические свойства в разных частях этого тела. Возможно состояние тела как в виде одной фазы, так и одновременно двух фаз этого тела, а также переход тела из одной фазы в другую.

У всякого тела различают три основные фазы: твердую (кристаллическую), жидкую и парообразную (газообразную). При определенных условиях возможен переход тела из одной фазы в другую, называемый фазовым переходом или фазовым превращением. Фазовые переходы сопровождают процессы поглощения или выделения тепла. Для однородного (чистого) тела фазовые переходы протекают при постоянном давлении, зависящем от температуры.

Различают фазовые переходы тела с поглощением тепла: плавление – переход из твердого состояния в жидкое; кипение и испарение – переход из жидкой фазы в паровую; сублимация – переход из твердой фазы в паровую, минуя жидкую фазу.

Фазовые переходы тела с выделением тепла: кристаллизация –переход из жидкой фазы в твердую или из паровой в твердую, минуя жидкую фазу; конденсация – переход из паровой фазы в жидкую.

Фазовые переходы чистого гомогенного вещества (например, процессы кипения или конденсации) происходят в том случае, если нарушено состояние равновесия между жидкой и паровой фазой (кипение) или паровой и жидкой фазами (конденсация).

Нарушение фазового равновесия может произойти при изменении одного из параметров состояния: температуры или давления. Известно, что при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) кипение воды и переход ее в паровую фазу осуществляются при температуре 100 °С, которая в данном случае характеризует температуру фазового перехода при подведении тепла. Поскольку две фазы тела могут находиться в равновесии только при определенных значениях давления р и температуры Т, то если известно значение одного из параметров, например, равновесного давления р, то можно установить значение другого параметра – температуры Т. При фазовом равновесии тела удельные объемы фаз υ также зависят только от температуры.