4. При решении задач по h,s-диаграмме состояние рабочего тела определяют как точку пересечения любых двух линий и находят необходимые параметры пара.

1.4.18. Водяной пар

К реальным газам в технической термодинамике принято относить перегретые пары некоторых жидкостей. В отличие от воображаемого идеального газа реальный газ пи соответствующих условиях может быть сжижен, то есть сконденсирован, или же переведён в твёрдое состояние. В технике широко применяют пары различных веществ: воды, аммиака, хлористого метила, сернистого ангидрида и другие. Наибольшее применение имеет водяной пар, являющийся рабочим телом паровых турбин, которые являются основными тепловыми двигателями на тепловых электрических станциях, и как теплоноситель — в теплообменных аппаратах.

Водяной пар применяется в различных состояниях в весьма широком диапазоне давлений и температур и часто переходит в жидкое состояние (в конденсат). В этих условиях нельзя пренебрегать в расчётах силами сцепления и объёмом молекул, так как это привело бы к значительным погрешностям. Поэтому к водяному пару нельзя применять законы идеальных газов и соответственно, нельзя применять к нему характеристическое уравнение идеального газа рv=RT. В этих состояниях водяной пар рассматривают как реальный газ.

При различных расчётах и изучении процессов, протекающих в водяном паре, используются таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.

Разделение вещества на газ и пар условно, так как между ними не существует какой-либо границы. Паром называется всякий реальный газ, который в условиях его применения способен переходить в жидкость. Пар можно получать двумя способами: при испарении и при кипении. В процессе испарения молекулы жидкости у её поверхности, имеющие большую скорость, чем другие молекулы, преодолевают силы молекулярного сцепления и вылетают в окружающее пространство. Чем выше температура жидкости, тем более интенсивно происходит испарение. При кипении пар образуется во всей массе жидкости и, имея меньшую плотность, чем жидкость, устремляется вверх, соединяясь при этом с другими частицами пара и образуя, таким образом, клубки. Такие клубки, достигая поверхности жидкости, преодолевают силы поверхностного натяжения и вылетают в окружающее пространство. Процесс кипения может происходить лишь при вполне определённой для данного давления температуре жидкости, которая называется температурой кипения или насыщения и обозначается либо t_s или t_н. В практических условиях пар обычно получают при постоянном давлении. Для всех жидкостей температура кипения t_н повышается с увеличением давления.

Пар, образующийся из кипящей жидкости, называется насыщенным. Это значит, что в закрытом сосуде число молекул пара, поступающих в пространство над кипящей жидкостью, равно числу молекул, возвращающихся обратно в жидкость.

Смесь пара и жидкости (двухфазовая система) называется влажным насыщенным паром.

Состояние влажного насыщенного пара определяется давлением р и степенью сухости х или температурой кипения t_н и степенью сухости х. Степенью сухости называется массовая доля сухого пара, содержащегося во влажном паре. Для сухого пара х=1, для кипящей жидкости х=0.

Массовая доля жидкости, содержащейся во влажном паре, называется степенью влажности и обозначается 1-х.

Если при постоянном давлении к кипящей жидкости подвести необходимое количество теплоты для испарения всей жидкости, то в момент исчезновения последних капель жидкости (воды) получим сухой насыщенный пар при температуре кипения (насыщения) t_н. Состояние сухого насыщенного пара определяется одним параметром: давлением или температурой насыщения t_н. Все параметры сухого насыщенного пара обозначаются соответствующими буквами с двумя штрихами, например, удельный объём v^//, энтальпии h^// и т.д.

Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту, то он становится перегретым. Перегрев является третьей стадией процесса парообразования, сопровождающейся повышением температуры пара и увеличением его удельного объёма.

Таким образом, перегретым называется пар, имеющий температуру выше температуры кипения жидкости, из которой он получился. Разность между температурой перегретого пара и температурой его насыщения, называется степенью перегрева: t-t_н. Чем выше при данном давлении температура перегретого пара, тем больше степень перегрева и его удельный объём v. Отнятие теплоты от перегретого пара при постоянном давлении связано с уменьшением его температуры. Если она не понижается до температуры кипения, то пар остаётся перегретым. Это свойство перегретого пара позволяет доставлять его потребителям в перегретом состоянии. Более высокая работоспособность перегретого водяного пара по сравнению с насыщенным является основной причиной его широкого использования в паровых турбинах.

Фазовый переход вещества из жидкого состояния в состояние пара называется парообразованием, а из парового состояния в жидкое ― конденсацией.

Парообразование, происходящее только на свободной поверхности жидкости, называется испарением, а парообразование, происходящее не только на поверхности жидкости, но и внутри, во всей её толще, ― кипением.

Состояние сухого насыщенного пара крайне неустойчиво, так как даже при самом

незначительном подводе или отводе теплоты он превращается либо в перегретый, либо во влажный насыщенный пар. В присутствии жидкости пар может быть только влажным насыщенным. При подводе к нему теплоты без присутствия жидкости он подсушивается и, только после того как степень сухости становится равной единице, начинается его перегрев.

Итак, основные положения пройденного материала.

Термический КПД ― это отношение полезно использованной в цикле теплоты или полученной работы ко всему количеству теплоты, затраченной на цикл.

Цикл Карно ― это обратимый круговой процесс, в котором совершается наиболее полное превращение теплоты в работу или работы в теплоту.

Энтальпия ― это пятый параметр состояния, характеризующий потенциальную энергию связи данного рабочего тела с внешней средой и введён для сокращения теплотехнических расчётов.

Р,v-диаграмма ― это система координат, в которой состояние газа изображается точкой, процесс изменения какой-либо линией.

Работа в р,v-диаграмме изображается площадью, ограниченной сверху линией процесса, ординатами крайних точек и осью абсцисс.