методичка лаба термодинамика

а при трехступенчатом соответственно

(площадь 1cdef2”mn1) (рис.2)

Выигрыш в работе при переходе от одноступенчатого к двухступенчатому сжатию

31

определится площадью ab2’2a, (рис.2), а при переходе от одноступенчатого к трехступенчатому сжатию

и определится площадью cdef2”2c. (рис.2).

Определение параметров в случае двухступенчатого сжатия:

а температура Т2’ в конце процесса двухступенчатого сжатия

Удельные объемы в точках а и 2’ можно определить из уравнения состояния.

Определение параметров в случае трехступенчатого сжатия: Давления

Удельные объемы определяются из уравнения состояния.

32

Одно и то же вещество в зависимости от внешних условий (давление и температура) может находиться в различных агрегатных состояниях. При изменении давления изменяются температуры затвердевания и кипения вещества. Вещество в разных агрегатных состояниях имеет различные физические свойства, в частности, плотность. При переходе вещества из жидкой фазы в газообразную, теплота фазового перехода тратится как на работу расширения, так и на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия. При этом уменьшается и плотность вещества. При плавлении и сублимации теплота фазового перехода затрачивается на разрушение кристаллической решетки твердого тела.

Фазовый переход из твердой фазы в газообразную, происходящий при очень низких давлениях, называется сублимацией (обратный процесс – десублимация). Фазовый переход из твердой фазы в жидкую называется плавлением (обратный процесс – затвердевание).Фазовый переход из жидкой фазы в газообразную называется кипением или насыщением (обратный процесс – конденсация).

Принята следующая классификация точек фазового перехода : точка перехода жидкость - пар называется точкой кипения (она же точка конденсации), точка перехода твердое тело - жидкость - точка плавления (она же точка затвердевания), точка перехода твердое тело - пар - точка сублимации (десублимации).

С повышением температуры в веществе происходит некоторое дробление молекулярных ассоциаций (в твердой фазе - разрыхление кристаллов). Этот процесс заметно ускоряется вблизи точек перехода, в которых изменение молекулярной структуры вещества происходит скачкообразно.

При анализе фазовых равновесий и процессов фазовых переходов важную роль играет правило фаз Гиббса. Оно устанавливает зависимость между числом независимых интенсивных переменных, определяющих состояние термодинамической системы, находящейся в равновесии (эти независимые переменные называют степенями свободы системы), числом фаз и числом компонентов системы ( компонент - чистое вещество).

Правило фаз Гиббса формулируется следующим образом

34

- число степеней свободы термодинамической системы, К - число компонентов системы, Р - число фаз в системе.

Применительно к чистому веществу (однокомпонентная система ) (К = 1) число степеней свободы = 2. Такими независимыми переменными могут являться, например, давление Р и температура Т. Это означает, что если для такой системы произвольно задать , например, давление и температуру, то все другие интенсивные параметры системы (удельный объем, энтальпия, энтропия и т.д.) будут определены однозначно.

Рассмотрим систему, которая состоит, как и прежде, из чистого вещества, но содержит не одну, а две фазы, находящиеся в равновесии между собой. Поскольку в этом случае Р = 2, система обладает только одной степенью свободы, т.е. независимыми переменными , полностью определяющими равновесное состояние каждой фазы системы, могут являться, например, давление Р или температура Т. Этот вывод очень важен. В самом деле, если мы знаем температуру фазового перехода, то она однозначно определяет собой все другие интенсивные термодинамические величины каждой из фаз - давление в точке перехода, плотности вещества в каждой из сосуществующих фаз, удельную энтальпию, энтропию и т.д.

Линию фазового перехода можно изобразить на Р,Т - диаграмме, если нанести на нее состояния, соответствующие давлениям и температурам фазового перехода.

Для однокомпонентной трехфазной системы (Р = 3) число степеней свободы такой системы равно нулю. Отсутствие в этом случае степеней свободы означает, что в однокомпонентной системе три фазы могут находиться в равновесии лишь при вполне определенных температуре и давление, характерных для данного конкретного вещества на кривой фазового перехода в Р,Т - диаграмме состояние, в котором сосуществуют три фазы, изобразится точкой (так называемой тройной точкой). Для воды тройная точка соответствует температуре 0.01 0 С и давлению 610.8 Па.

35

r = T(s”-s’) (кДж/кг) – скрытая теплота парообразованияколичество теплоты, которое необходимо подвести к кипящей жидкости, чтобы обратить ее в пар,

v” - удельный объем сухого насыщенного пара, м 3/кг; v’ - удельный объем кипящей жидкости ,м 3/кг;

s” - удельная энтропия сухого насыщенного пара, кДж/кг К; s’- удельная энтропия кипящей жидкости, кДж/кг К;

p s – равновесное давление в точках фазового перехода жидкость - пар.

Индекс s - означает на линии кипения (насыщения) (англ. s - saturation).

Поскольку плотность пара всегда меньше плотности жидкости, т.е. v”> v’, из уравнения Клапейрона - Клаузиуса следует, что для фазового перехода жидкость - пар

всегда dps 0, т.е. с ростом температуры давление насыщения dT

увеличивается.

в сеть

1.Стеклянный сосуд с водой; 2. Термометр;

3. Вакууметр; 4. Кран; 5. Вакуумный насос; 6. Нагреватель; 7. Регулировочный вентиль; 8. Барометр.

Рис. 1 - Схема экспериментальной установки

37

Порядок выполнения работы

1.Включить нагреватель 6 в сеть.

2.Включить вакуумный насос 5.

3.Регулировочным вентилем 7 при работающем насосе установить определенное разрежение в сосуде 1, зафиксировав его вакууметром 3.

4.Термометром 2 измерить температуру кипения при этом давлении.

5.Изменяя разрежение Рвак регулировочным вентилем 7 и каждый раз фиксируя его вакууметром 3, по термометру 2 определить температуру кипения воды ts при данном давлении.

6.Барометром 8 измерить атмосферное давление В.

7.Выключить насос 5.

8.Выключить нагреватель 6.

Таблица измерений

Расчетные формулы

Вакууметр измеряет давление вакуума в сосуде. Абсолютное давление определяется

По таблицам «Вода и водяной пар в состоянии насыщения» построить теоретическую зависимость температуры кипения от давления. Нанести на нее точки, полученные в результате эксперимента, произвести сравнение.

38

Лабораторная работа № 6

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ВО ВЛАЖНОМ ВОЗДУХЕ

Основные сведения

Влажный воздух представляет собой один из частных случаев газовой смеси - смесь сухого воздуха и водяного пара. С влажным воздухом приходится иметь дело в некоторых теплотехнических процессах и прежде всего в процессе сушки. Для практики представляет интерес влажный воздух при атмосферном (или близким к атмосферному давлении). При этом с достаточной для технических расчетов точностью можно рассматривать и сухой воздух, и содержащийся в нем водяной пар как идеальные газы.

В соответствии с законом Дальтона сумма парциальных давлений газов, входящих в газовую смесь, равна общему давлению газовой смеси. Так как обычно давление влажного воздуха равно атмосферному (В), можно написать

Чем больше водяного пара находится во влажном воздухе, тем выше его парциальное давление. Парциальное давление пара во влажном воздухе не может быть выше p s - давления насыщения при данной температуре влажного воздуха

влажном воздухе p s определяется только температурой смеси и не зависит от давления смеси p.

насыщенным. Водяной пар, содержащийся в ненасыщенном влажном воздухе, находится в перегретом состоянии. Если понижать температуру ненасыщенного влажного воздуха, сохраняя его давление постоянным, то можно достигнуть состояния насыщения. При этом перегретый водяной пар, имеющий

39

начальную температуру t 1 будет охлажден до температуры t 2 , для которой давление пара соответствует состоянию насыщения, и при дальнейшем понижении температуры из воздуха будет выпадать влага и уменьшаться парциальное давление пара. С этим мы сталкиваемся в повседневной жизни: так как атмосферный воздух всегда содержит какое-то количество водяных паров, то часто при понижении температуры воздух становится насыщенным, о чем свидетельствует появление тумана или росы. Поэтому температура, при которой давление p п становится равным p s, называется

точкой росы.

Величины d и х характеризуют влажный воздух, в котором вода может находится как в виде пара, так и в виде капелек влаги или кристалликов льда

Записав уравнение Клапейрона для сухого воздуха и для водяного пара, и разделив второе на первое. получим

40