7. Перший закон термодинаміки для реальних газів

Здійснення термодинамічних процесів реальними газами і парами супроводжується, як правило, зміною їх фазового стану, частки рідкої фази у парі або стану самої пари. Розрахункові залежності для визначення характеристик процесів, наведених у таблиці 5 для ідеального газу, в умовах реальних газів і пари дають значну похибку.

У зв’язку з цим параметри реальних робочих тіл рекомендується встановлювати за таблицями термодинамічних властивостей відповідних газів або за їх діаграмами, фіксуючи стан робочого тіла [2]. Характеристики, що відсутні на діаграмах та в таблицях, рекомендується визначати згідно із законами термодинаміки, складеними стосовно реальних газів.

7.1. Ізохорний процес зміни стану газу

Робота розширення в ізохорному процесі п-к, l_П-К = 0.

Підведена теплота визначається за залежністю

q_п-к = U_к – U_п = (і_к – Р_к ·υ_к)–( і_п – Р_п ·υ_п)= і_к – і_п – υ(Р_к –Р_п), кДж/кг. (46)

При переведенні і_П та і_К у кДж/кг, υ в м³/кг, Р_К і Р_П у кПа кількість теплоти одержуємо в кДж/кг.

Величина питомого об’єму υ_х для стану вологої пари може бути визначеною за одержаними із термодинамічних таблиць значеннями питомих об’ємів сухої насиченої пари υ_н (υ″) та киплячої рідини υ_кр (υ′ ) згідно із законом адитивності

υ_х= υ_н·х + (1–х) υ_кр= υ″·х + (1–х) υ′, м³/кг, (47)

де х – показник сухості пари, част. од.

Аналогічно можна визначити й інші характеристики вологої пари як суміші сухої насиченої пари і рідкої фази:

• ентальпію: і_х = і_кр + r·х = і′+ r·х, кДж/кг; (48)

• ентропію: S_х = S_кр + r·х /Т_н = S′+ r·х /Т_н, кДж/кг гр. (49)

Якщо процес розвивається в однофазній області перегрітої пари, то знаходження ентальпії і й ентропії S виконується за іншими залежностями

і = і_н +С_mр (Т– Т_н), кДж/кг; (50)

S = S_н +С_mυ ln(Т/Т_н), кДж/кг гр, (51)

де і_н, S_н – ентальпія та ентропія пари в сухому насиченому стані, кДж/кг;

T, Т_н – температура перегрітої і сухої насиченої пари, ⁰К.

7.2. Ізобарний процес

За ізобарою Р = сonst протікають такі реальні процеси, як нагрівання, охолодження і конденсація робочих тіл у котлах, печах, теплообмінниках, холодильних машинах; процеси зміни параметрів повітря в приміщеннях, у системах вентиляції, більшість процесів згорання палива.Зображення ізобарного процесу в координатах Р– υ, Т– S, і – S представлене на рис. 6.

В області вологої пари (1–2) ізобарний процес збігається з ізотермічним.` Таким чином, процес пароутворення 1–2 здійснюється при підведенні теплоти, в якому Т = сonst і Р = сonst. У точці 2 стан пари відповідає сухому насиченому, х = 1. Подальше підведення теплоти проходить ізобарно Р₂ = Р₃ = const і приводить до утворення перегрітої пари з параметрами в точці 3 ( υ₃, S₃, і₃, t₃, Р₂).

Кількість підведеної теплоти в процесах 1-2 і 2-3 визначається рівняннями

q_1-2 = і₂ – і₁ = r; q_2-3 = , кДж/кг. (52)

Зміна внутрішньої енергії становить

U₂ – U₁ =(і₂ – Р₂ ·υ₂) – (і₁ – Р₁ ·υ₁) = і₂ – і₁ – Р(υ₂– υ₁), кДж/кг, (53)

за умови, що Р₁ = Р₂ = Р = const.

Рис.6. Ізобарний процес підведення теплоти

Робота визначається за залежностями

l_1-2 = q_1-2 – (U₂ – U₁) = Р·(υ₂– υ₁),

кДж/кг. (54)

l_2-3 = q_2-3 – (U₃ – U₂) = Р·(υ₃– υ₂),