Адиабатный процесс газа.

Процесс протекающий без подвода и отвода теплоты, т.е. при отсутствии теплообмена с окружающей средой, называют адиабатным, а кривая этого процесса –адиабатой. Условия процесса: dq=0 , q=0.

Т.к. dq=0 , то согласно первому закону термодинамики:

и

Таким образом совершаемая рабочим телом механическая работа в адиабат­ном термодинамическом процессе равна уменьшению внутренней энер­гии тела, техническая работа при этом пропорциональна изменению (умень­шению) энтальпии. В обратимом диа­батном процессе энтропия термодина­мического тела не меняется: S=Const.

Уравнение адиабаты в системе коор­динат pv –диаграммы при постоянной теплоёмкости () для идеаль­ного газа: где - показатель адиабаты

Зависимости между начальными и ко­нечными параме­трами процесса: между р и v ,

между T и v

между р и T

Работу 1 кг газа находят по следую­щим формулам

Изменение внутренней энергии газа и работа адиабатного процесса равны по величине и противоположны по знаку. .

Изменение внутренней энергии иде­ального газа в адиа­батном процессе может быть также выражено уравне­нием

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики устанавливает направление протека­ния самопроизвольных тепловых про­цессов в природе и определяет условия превращения теплоты в работу. Закон утверждает, что теплота в природе са­мопроизвольно переходит только от тел более нагретых к менее нагретым.

В соответствии со вторым законом термодинамики для превращения теп­лоты в работу в любом тепловом дви­гателе необходимо иметь два тела с различными температурами. Более нагретое тело будет источником теп­лоты для получения работы, менее нагретое – теплоприемником. При этом к. п. д. теплового двигателя все­гда будет меньше единицы.

Второй закон динамики математиче­ски может быть выражен:

Где dS –бесконечно малое приращении энтропии системы;

dQ – бесконечно малое количество теплоты, полученной системой от ис­точника теплоты;

T - абсолютная температура источ­ника теплоты.

Знак неравенства соответствует необ­ратимым процессам, а равенства - об­ратимым. Следовательно, аналитиче­ское выражение второго закона термо­динамики для бесконечно малого об­ратимого процесса примет вид

dQ=TdS

а т.к. согласно первому закону термо­динамики

dQ=dU+pdV

то

TdS=dU+pdV.

Цикл Карно и его свойства.

Цикл Карно. Состоит из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл представ­ляет собой замкнутый процесс , со­вершаемый рабочим телом в идеаль­ной тепловой машине при наличии двух источников теплоты: нагревателя и холодильника.

 Цикл Карно в pv-диаграмме

Процессы 1—2 и 3—4 являются изо­термическими, а 2—3 и 4—1 — адиа­батными. Начальная температура ра­бочего тела в цикле принимается рав­ной температуре нагревателя T₁. При изотермическом расширении от состо­яния 1 до состояния 2 рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты q₁ при температуре T₁. На участке 2—3 рабочее тело адиабатно расширяется. При этом температура рабочего тела понижается отT₁ до T₂, а давление падает от p₂ до p₃. При сжа­тии по изотерме 3—4 от рабочего тела отводится к холодильнику количество теплоты q₂ при температуре T₂. Дальнейшее сжатие по адиабате 4—1 приводит к повышению температуры рабочего тела от T₂ до T₁, а рабочее тело возвращается в первоначальное состояние.

Суммарная работа цикла l_ц графически изображается площадью 12341.

Термический к. п. д. цикла:

Количество подведённой теплоты:

Количество отведённой теплоты:

Работа цикла Карно

Термический к.п.д. цикла:

Цикл с подводом теплоты при посто­янном объёме состоит из двух адиабат и двух изохор

Характеристики цикла:

-степень сжатия

степень повышения давления

Количество подведённой теплоты :

Количество отведённой теплоты:

Работа цикла

Термический к.п.д. цикла:

Цикл с подводом теплоты при посто­янном давлении состоит из двух адиа­бат, одной изобары и одной изохоры.

Характеристики цикла:

-степень сжатия

степень предварительного расширения.

Количество подведённой теплоты :

Количество отведённой теплоты:

Работа цикла

Термический к.п.д. цикла:

Цикл с комбинированным под­водом теплоты состоит из двух адиабат, двух изохор и одной изобары

Характеристики цикла

; ;

Количество подведённой теплоты

Количество отведённой теплоты

Термический к.п.д. цикла

Таблицы водяного пара.

Перегретый пар или насыщенный пар по своим свойствам значительно отли­чаются от идеальных газов. Уравнения для состояния паров весьма сложны и в расчётной практике не применяются. Для практических целей используют таблицы и диаграммы, составленные на основании опытных и теоретиче­ских данных. Таблицы составлены с высокой степенью точности для пере­гретых и насыщенных паров до темпе­ратуры 1000⁰С и давления 98,0 Мпа.

В таблицах для насыщенного пара приведены температуры насыщения, давления, значения удельных объёмов, энтальпия и энтропия жидкости и су­хого пара, теплота парообразования. В таблицах перегретого пара приведены для различных давлений и температур величины основных параметров: удельный объём, энтальпия и энтро­пия.

i – S диаграмма водяного пара.

Большим достоинством is диаграммы является то, что техническая работа и количество теплоты, участвующие в процессах, изображаются отрезками линий, а не площадями. При построе­нии is- диаграммы по оси ординат от­кладывается удельная энтальпия пара, а по оси абсцисс – удельная энтропия. За начало координат принято состоя­ние воды в тройной точке, где , .

Пользуясь данными таблиц водяного пара , на диаграмму наносят погра­ничные кривые жидкости и пара, схо­дящиеся в критической точке К. По­граничная кривая жидкости выходит из начала координат, т.к. в этой точке энтропию и энтальпию принимают равной нулю. Состояние воды отме­чают точками на соответствующих изобарах. Линии изобар в области влажного пара являются прямыми наклонными линиями расходящимися веером от пограничной кривой жидко­сти. В изобарном процессе:

или

Угловой коэффициент наклона изо­бары к оси абсцисс в каждой точке диаграммы числено равен абсолютной температуре данного состояния. Т.к. в области влажного пара изобара совпа­дает с изотермой, то согласно послед­нему уравнению изобары влажного пара являются прямыми линиями:

, а это и есть уравнение пря­мой линии. В области перегретого пара изобары имеют кривизну с вы­пуклостью, обращённой вниз. В обла­сти влажного пара наносится сетка ли­ний постоянной сухости пара (x=const) которые сходятся в критической точке К.

Изотермы в области влажного пара совпадают с изобарами. В области пе­регретого пара они расходятся: изо­бары поднимаются вверх, а изотермы представляют собой кривые линии, обращённые выпуклостью вверх. На диаграмму наносят сетку изохор, ко­торые имеют вид кривых, поднимаю­щихся более круто вверх по сравне­нию с изобарами. Обратимый адиа­батный процесс изображается верти­кальной прямой. Область лежащая ниже изобары тройной точки изобра­жает состояния смеси пар + лёд.

Адиабатический процесс водяного пара. Изображение процесса в p – V , i – S и T –S диаграммах.

Адиабатный процесс совершается без подвода и отвода теплоты, и энтропия рабочего тела при обратимом процессе остаётся постоянной величиной: s=const. Поэтому на is и Ts-диаграм­мах адиабаты изображаются верти­кальными прямыми: рис. а и б

При адиабатном расширении давление и температура пара уменьшаются; перегретый пар переходит в сухой, а затем во влажный пар. Из условий по­стоянства энтропии возможны опреде­ление конечных параметров пара, если известны параметры начального и один параметр конечного состояний.

На pv- диаграмме обратимый адиабат­ный процесс изображается некоторой кривой (рис. в)

Удельная работа в адиабатном про­цессе определяется из уравнения:

.

Изменение удельной внутренней энер­гии:

Многоступенчатое сжатие в ком­прессоре.

Для получения газа высокого давления применяют многоступенчатые ком­прессоры

в которых сжатие газа осуществляется политропно в нескольких последова­тельно соединённых цилиндрах с про­межуточным его охлаждением после каждого сжатия.

Применение сжатия газа в нескольких цилиндрах понижает отношение дав­лений в каждом из них и повышает объёмный к.п.д. компрессора. Кроме того, промежуточное охлаждение газа после каждой ступени улучшает усло­вия смазки поршня в цилиндре и уменьшает расход энергии на привод компрессора.

идеальная индикаторная диаграмма трёхступенчатого компрессора, где 0-1 – линия всасывания в первую ступень;

1-2 – политропный процесс сжатия в первой ступени; 2-а – линия нагнета­ния из первой ступени в первый охла­дитель; а-3 – линия всасывания во вто­рую ступень; 3-4 – политропный про­цесс сжатия во второй ступени; 4-в – линия нагнетания из второй ступени во второй охладитель; в-5 – линия вса­сывания в третью ступень; 5-6 - по­литропный процесс сжатия в третьей ступени; 6-с – линия нагнетания из третьей ступени в резервуар или на производство. Отрезки 2-3, 4-5 изоб­ражают уменьшение объёма газа в процессе при постоянном давлении от охлаждения в первом и втором охла­дителях. Охлаждение рабочего тела во всех охладителях производится до од­ной и той же температуры, равной начальной Т₁, поэтому температуры газа в точках 1, 3 и 5 одинаковые и лежат на изотерме 1 – 7.

Отношение давлений во всех ступе­нях обычно берётся одинаковым:

При одинаковых отношениях давле­ний во всех ступенях, равенстве начальных температур и равенстве показателей политропы равны между собой и конечные температуры газа в отдельных ступенях компрессора:

Степень увеличения давления в каж­дой ступени или при z ступеней

Степень увеличения давления в каж­дой ступени равна корню z-й степени из отношений конечного давления

к начальному

При равенстве температур газа у входа в каждую ступень и равенстве отно­шений давлений во всех цилиндрах получаем равенство затраченных ра­бот во всех ступенях компрессора:

Во второй ступени

Работа в третьей ступени

Откуда l₁=l₂=l₃

Полная удельная работа в джоулях, расходуемая на сжатие газа в трёх сту­пенях компрессора: l_к=3l₁

При одинаковых условиях сжатия газа количества теплоты , отводимые от газа в отдельных ступенях, равны между собой:

Теплоту отводимую от газа в любом охладителе при изобарном процессе охлаждения, находим по формуле:

В Ts-диаграммах процессы адиабат­ного сжатия изображены прямыми 1-2, 3-4, 5-6, а процессы охлаждения кри­выми 2-3, 4-5, 6-7.

Процессы политропного сжатия изоб­ражены кривыми 1-2, 3-4, 5-6, а про­цессы охлаждения в охладителях - ли­ниями 2-3, 4-5, 6-7.

Цикл ДВС со сгоранием при V=const

На рисунке изображена индикаторная диа­грамма двигателя, работающего с быстрым сгоранием топлива при постоянном объёме. В качестве горючего используется бензин, светильный или генераторный газ, спирты и др.

При ходе поршня из левого мёртвого поло­жения в крайнее правое через всасывающий клапан засасывается горючая смесь. Этот процесс изображён кривой 0-1, называется линией всасывания, она не является термо­динамическим процессом , т.к. в нём основ­ные параметры не изменяются, а изменя­ются только масса и объём смеси в цилин­дре. При обратном движении поршня вса­сывающий клапан закрывается, происходит сжатие горючей смеси. Изображается кри­вой 1-2, называется линией сжатия. В точке 2 происходит воспламенение горючей смеси от электрической искры. Сгорание горючей смеси происходит почти мгновенно, т.е. практически при постоянном объёме. Этот процесс изображён кривой 2-3. В результате сгорания топлива температура газа резко возрастает и давление увеличивается (точка 3). Затем продукты горения расширяются. Поршень перемещается в правое мёртвое положение, и газы совершают полезную ра­боту. На индикаторной диаграмме процесс расширения изображается кривой 3-4, назы­ваемой линией расширения. В точке 4 от­крывается выхлопной клапан, и давление в цилиндре падает почти до наружного давле­ния. При дальнейшем движении поршня справа на лево из цилиндра удаляются про­дукты сгорания через выхлопной клапан при давлении, несколько превышающим ат­мосферное давление. Изображается кривой 4-0 и называется линией выхлопа. Такой рабочий процесс совершается за четыре хода поршня или за два оборота вала. Такие двигатели называются четырёхтактными.

Цикл с подводом теплоты при постоянном объёме состоит из двух адиабат и двух изо­хор

Характеристиками цикла являются:

– степень сжатия

– степень повышения дав­ления

Количество подведённой теплоты :

Количество отведённой теплоты:

Работа цикла

Термический к.п.д. цикла:

Цикл ДВС со сгоранием при p=const

Изучение циклов с подводом количе­ства теплоты при постоянном объёме показало, что для повышения эконо­мичности двигателя , работающего по этому циклу, необходимо применять высокие степени сжатия. Воздух при большом сжатии имеет настолько вы­сокую температуру что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без запальных приспособлений. Раз­дельное сжатие воздуха и топлива поз­воляет использовать любое жидкое тяжёлое и дешёвое топливо – нефть, мазут, смолы, каменноугольные масла.

Таким достоинством обладают двига­тели, работающие с постепенным сго­ранием топлива при постоянном дав­лении. В них воздух сжимается в ци­линдре двигателя, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от ком­прессора.

Идеальный цикл двигателя с посте­пенным сгоранием топлива при посто­янном давлении, т.е. цикл с подводом количества теплоты при постоянном давлении осуществляется следующим образом.

Газообразное рабочее тело с началь­ными параметрами p₁ , v₁ , T₁ сжима­ется по адиабате 1-2; затем телу по изобаре 2-3 сообщается некоторое ко­личество теплоты q₁. От точки 3 рабо­чее тело расширяется по адиабате 3-4. По изохоре 4-1 рабочее тело возвра­щается в первоначальное состояние, при этом в теплоприёмник отводится теплота q₂.

Характеристики цикла:

-степень сжатия

степень предварительного расширения.

Количество подведённой теплоты :

Количество отведённой теплоты:

Работа цикла

Термический к.п.д. цикла:

Цикл ДВС с подводом тепла при V и p =const

В бескомпрессорном двигателе высо­кого сжатия со смешанным подводом количества теплоты жидкое топливо топливным насосом подаётся через топливную форсунку в головку ци­линдра в виде мельчайших капелек. Попадая в нагретый воздух, топливо самовоспламеняется и горит в течении всего периода, пока открыта форсунка: вначале при постоянном объёме, а за­тем при постоянном давлении.

Идеальный цикл двигателя со сме­шанным подводом количества теплоты изображён в pv – и Ts – диаграммах.

рабочее тело с начальными парамет­рами p₁ , v₁ , T₁ сжимается по адиабате 1-2 до точки 2. По изохоре 2-3 к рабо­чему телу подводится первая доля теплоты . По изобаре 3-4 подво­дится вторая доля теплоты . От точки 4 рабочее тело расширяется по адиабате 4-5. По изохоре 5-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние – в точку 1, при этом отво­дится теплота в теплоприёмник.

Характеристики цикла являются:

-степень сжатия

– степень повышения дав­ления

- степень предварительного расширения .

Определим термический КПД цикла при условии что теплоёмкости c_p , c_v и показатель адиабаты k= c_p / c_v по­стоянны:

Первая доля подведённой теплоты:

Вторая доля подведённого количества теплоты:

Количество отведённой теплоты:

Термический КПД цикла

Цикл газотурбинной установки

Рабочим телом в газотурбинных установках являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива.

На рисунке представлена схема наиболее распространённого типа газотурбинной установки со сгоранием топлива при посто­янном давлении.

Компрессор К, расположенный на одном валу с газовой турбиной Т, всасывает воздух из атмосферы и сжимает его до заданного давления. Сжатый в компрессоре воздух по­ступает в камеру сгорания КС; туда же топ­ливным насосом ТН подаётся жидкое горю­чее. Сгорание происходит при постоянном давлении. Из камеры сгорания газы посту­пают в сопла С, из которых они с большой скоростью поступают на рабочие лопатки Л турбины и приводят во вращение её ротор. Отработавшие газы через выпускной патру­бок П выпускаются в атмосферу.

Цикл ГТУ с подводом количества теплоты в процессе p=const.

Идеальный цикл газотурбинной уста­новки на pv – и Ts – диаграммах с подводом теплоты при p=const. Цикл состоит из двух адиабат и двух изобар.

Отвод теплоты от рабочего тела про­изводится не по изохоре, как в ДВС, а по изобаре. Рабочее тело с началь­ными параметрами p₁ , v₁ , T₁ сжима­ется по адиабате 1-2 до точки 2. От точки2 к рабочему телу подводится некоторое удельное количество теп­лоты q₁ по изобаре 2-3. Затем рабочее тело расширяется по адиабате 3-4 до начального давления и возвращается по изобаре 4-1 в первоначальное со­стояние, при этом отводится удельное количество теплоты q₂.

Характеристиками цикла является сте­пень повышения давления в компрес­соре и степень изобарного расширения .

Количество подводимой теплоты:

Количество отводимой теплоты:

Термический КПД цикла

Цикл паросиловой установки. Цикл Ренкина.

За основной цикл в паротурбинной уста­новке принят идеальный цикл Ренкина. В этом цикле осуществляется полная конден­сация рабочего тела в конденсаторе, вслед­ствие чего вместо громоздкого малоэффек­тивного компрессора для подачи воды в ко­тёл применяют питательный водяной насос, который имеет малые габариты и высокий КПД.

На pv- диаграмме точка 4 характеризует со­стояние кипящей воды в котле при давлении p₁. Линия 4-5 изображает процесс парообра­зования в котле; затем пар подсушивается в перегревателе при давлении p₁. Полученный пар по адиабате 1-2 расширяется в цилиндре парового двигателя до давления p₂ в кон­денсаторе. В процессе 2 – пар полностью конденсируется до состояния кипящей жид­кости при давлении p₂ , отдавая теплоту па­рообразования охлаждающей воде. Процесс сжатия воды осуществляется в насосе; получающееся при этом повышение темпе­ратуры воды ничтожно мало, и им в иссле­дованиях при давлениях до 3,0 – 4,0 МПа пренебрегают. Линия 3-4 изображает изме­нение объёма воды при нагревании от тем­пературы в конденсаторе до температуры кипения. Работа насоса изображается за­штрихованной пл. 03 7. Энтальпия пара при выходе из перегревателя в точке 1 равна i₁ и на Ts –диаграмме изображается пл. 9 34617109. Энтальпия пара при входе в конденсатор в точке 2 равна i₂ и на Ts –диаграмме изображается пл. 9 . Эн­тальпия воды при выходе из конденсатора в точке равна i₁ и на Ts –диаграмме изобра­жается пл. 9 8109. Полезная работа пара в цикле Ренкина l изображается на pv- диа­грамме пл. .

Если в цикле Ренкина учитывать работу насоса, то процесс адиабатного сжатия воды в нём представится на Ts- диаграмме адиа­батой , а изобара 3-4 соответствует нагреванию воды в котле при давлении p₁ до соответствующей температуры кипения.

Термический КПД цикла Ренкина определя­ется по формуле:

Удельное количество теплоты в цикле подводится при p=const в процессах 3-4 (подогрев воды до температуры кипения), 4-6 (парообразование) и 6-1(перегрев пара) и равно разности энтальпий начальной и ко­нечной точек процесса:

Это удельное количество теплоты изобра­жается на Ts –диаграмме пл. 8 . От­вод удельного количества теплоты q₂ осуществляется в конденсаторе по изобаре 2- , следовательно

Отводимая теплота изображается на Ts –диаграмме пл.

Термический КПД цикла Ренкина :

Цикл воздушной компрессорной хо­лодильной установки

На рисунке изображена схема воздушной холодильной установки, где в качестве ра­бочего тела применяют воздух, являющийся наиболее удобным, безвредным и доступ­ным рабочим телом. Воздушная холодиль­ная установка работает следующим обра­зом.

Воздух, охлаждающий помещение 1, сжи­мается в компрессоре 2, в результате чего температура его увеличивается. Сжатый воздух при постоянном давлении нагнета­ется в теплообменник 3, в котором охлажда­ется водой до температуры окружающей среды. После этого сжатый воздух посту­пает в расширительный цилиндр, или де­тандер 4, где расширяется до начального давления. При расширении температура воздуха падает до -60 или -70⁰С и холо­дильный воздух направляется для охлажде­ния помещения, где, нагреваясь, опять по­ступает в компрессор.

в pv – и Ts – диаграммах:

воздух в процессе 1-2 адиабатно сжимается от давления p₁ до p₂. В изобарном процессе 2-3 от воздуха отводится удельное количе­ство теплоты внешнему источнику и темпе­ратура его понижается от T₂ до Т₃. При адиабатном расширении в процессе 3-4 воз­дух дополнительно охлаждается от темпера­туры Т₃ до Т₄. Далее в изобарном процессе 4-1 происходит отвод теплоты от охлаждае­мого помещения (теплоотдатчика), в ре­зультате чего воздух нагревается от Т₄ до Т₁.

Работа затрачиваемая на осуществление цикла, равна разности удельных количеств теплоты q₁ и q_2. Считая теплоёмкость посто­янной имеем:

Тогда холодильный коэффициент цикла:

=

Из адиабатных процессов 1-2 и 3-4

и

Но p₂=p₃, а p₁=p₄ тогда

Окончательно имеем

Где Т₁ – температура охлаждаемого поме­щения или температура воздуха, засасыва­емого в компрессор.

Т₂ – температура сжатого воздуха.

Цикл паровой компрессорной холо­дильной установки

Наибольшее распространение для охлаждения тел до температуры -20⁰С получили холодильные установки, в которых холодильным агентом явля­ются легкокипящие жидкости - ам­миак, фреоны, сернистый ангидрид и другие при невысоких давлениях (же­лательно близких к атмосферному).

На рисунке схема компрессорной установки, работающей на парах ам­миака NH₃.

1- компрессор; 2- конденсатор; 3- дроссельный вентиль; 4 – охлаждаемое помещение (испаритель)

В компрессоре сжимается аммиачный сухой насыщенный пар или влажный пар с большой степенью сухости по адиабате 1-2 до состояния перегретого пара в точке 2. Из компрессора пар нагнетается в конденсатор, где полно­стью превращается в жидкость (про­цесс 2-3-4). Из конденсатора жидкий аммиак проходит через дроссельный вентиль, в котором дросселируется, что сопровождается понижением тем­пературы и давления. Затем жидкий аммиак с низкой температурой посту­пает в охладитель, где, получая коли­чество теплоты (в процессе 5-1) испа­ряется и охлаждает рассол, который циркулирует в охлаждаемых камерах. Процесс дросселирования как необра­тимый процесс изображается на диа­грамме условной кривой 4-5.

В паровой компрессорной установке не применяется расширительный ци­линдр (детандер), а рабочее тело дрос­селируется в регулировочном вентиле. Замена расширительного цилиндра дросселем сопровождается возраста­нием энтропии, что вызывает некото­рую потерю холодопроизводительно­сти, но эта замена значительно упро­щает установку и даёт возможность легко регулировать давление пара и получать необратимую температуру в охладителе .

Удельная работа затрачен­ная на совершение цикла: =

Холодильный коэффициент компрессорной аммиачной установки:

Где - удель­ное количество теплоты, воспринимаемое аммиачным паром в охладителе.

Холодильный коэффициент установки

Значения энтальпий в уравнении опреде­ляют по is-диаграмме или по таблице амми­ака.

Паровые холодильные установки имеют большое преимущество перед воздушными. Они компактны, дёшевы и имеют более вы­сокий холодильный коэффициент.

Процесс парообразования в p – V диаграмме

Фазовая pv – диаграмма системы, состоя­щей из жидкости и пара, представляет собой график зависимости удельных объёмов воды и пара от давления.

Пусть вода при температуре 0⁰С и некото­ром давлении ρ занимает удельный объём v₀ (отрезок NS) . Вся кривая АЕ выражает за­висимость удельного объёма воды от давле­ния при температуре 0⁰С . Т.к. вода веще­ство почти несжимаемое то кривая АЕ по­чти параллельна оси ординат. Если при по­стоянном давлении сообщать воде теплоту, то её температура будет повышаться и удельный объём увеличиваться. При неко­торой температуре t_{s вода закипает, а её удель­ный объём} v’ в точке А’ достигнет при дан­ном давлении максимального значения. С увеличением давления растёт температура кипящей жидкости t_{s и} объём v’ также уве­личивается. График зависимости v’ от дав­ления представлен кривой АК которая назы­вается пограничной кривой жидкости. Ха­рактеристикой кривой является степень су­хости x=0. В случае дальнейшего подвода теплоты при постоянном давлении начнётся процесс парообразования. При этом количе­ство воды уменьшается, количество пара увеличивается. В момент окончания паро­образования в точке В’ пар будет сухим насыщенным. Удельный объём сухого насыщенного пара обозначается v’’.

Если процесс парообразования протекает при постоянном давлении то температура его не изменяется и процесс A’B’ является одновременно изобарным и изотермиче­ским. В точках A’ и B’ вещество находится в однофазном состоянии. В промежуточных точках вещество состоит из смеси воды и пара. Такую смесь тел называют двухфазной системой.

График зависимости удельного объёма v’’ от давления представлен кривой КВ, кото­рая называется пограничной кривой пара.

Если к сухому насыщенному пару подво­дить теплоту при постоянном давлении, то температура и объём его будут увеличи­ваться и пар из сухого насыщенного перей­дёт в перегретый (точка D). Обе кривые АК и КВ делят диаграмму на три части. Влево от пограничной кривой жидкости АК до ну­левой изотермы располагается область жид­кости. Между кривыми АК и КВ располага­ется двухфазная система, состоящая из смеси воды и сухого пара. Вправо от КВ и вверх от точки К располагается область пе­регретого пара или газообразного состояния тела. Обе кривые АК и КВ сходятся в одной точке К, называемой критической точкой.

Критическая точка является конечной точ­кой фазового перехода жидкость – пар, начинающегося в тройной точке. Выше кри­тической точки существование вещества в двухфазном состоянии невозможно. Ника­ким давлением нельзя перевести газ в жид­кое состояние притемпературах выше кри­тической.

Параметры критической точки для воды:

t_к=374,12⁰С ; v_к=0,003147 м³/кг;

ρ_к=22,115 МПа; i_к=2095,2 кДж/кг

s_к=4,424 кДж/(кг·К).

Процесс p =const водяного пара. Изображение процесса в p – V , i – S и T –S диаграммах.

На is – диаграмме изобара в области насы­щенного пара представляется прямой ли­нией, пересекающей пограничные кривые жидкости пара. При подводе теплоты к влажному пару степень сухости его увели­чивается и он (при постоянной температуре) переходит в сухой, а при дальнейшем под­воде теплоты – в перегретый пар. Изобара в области перегретого пара представляет со­бой кривую, направленную выпуклостью вниз.

На pv – диаграмме изобарный процесс изображается отрезком горизонтальной прямой, который в области влажного пара изображает и изотермический процесс од­новременно.

На Ts – диаграмме в области влажного пара изобара изображается прямой горизонталь­ной линией, а в области перегретого пара – кривой, обращённой выпуклостью вниз. Значения всех необходимых величин для расчёта берутся из таблиц насыщенных и перегретых паров.

Изменение удельной внутренней энергии пара:

Внешняя работа:

Подведённое удельное количество теплоты:

В том случае, когда q задано и требуется найти параметры вто­рой точки, лежащей в области двухфазных состояний, применя­ется формула для энтальпии влажного пара:

Процесс T=const водяного пара. Изображение процесса в p – V , i – S и T –S диаграммах.

Изотермический процесс.

На is – диаграмме в области влажного пара изотерма совпадает с изобарой и является прямой наклонной линией. В области пере­гретого пара изотерма изображается кривой с выпуклостью вверх.

На pv – диаграмме в области влажного пара изотермический процесс изображается гори­зонтальной прямой. Для насыщенного пара этот процесс совпадает с изобарным. В об­ласти перегрева давление пара понижается, а процесс изображается кривой с выпукло­стью к оси абцисс.

На Ts – диаграмме изотермный процесс изображается отрезком горизонтали.

Удельная внутренняя энергия водяного пара в отличие от внутренней энергии идеаль­ного газа изменяется в следствии изменения потенциальной составляющей, поэтому при T=const

Подведённое удельное количество теплоты в процессе:

Внешняя работа определяется из первого закона термодинамики:

Формула Майера.

Особое значение в термодина­мике имеют теплоемкости газа при по­стоянном давлении, т.е. в изобарном процессе – и при постоянном объ­еме, т.е. в изохорном процессе – . Эти теплоемкости связываются формулой Майера

Отношение теплоемкостей

где k – показатель адиабаты.

Понятие «Холодильный коэффици­ент»

Холодильный коэффициент безраз­мерная величина (обычно больше еди­ницы), характеризующая энергетиче­скую эффективность ра­боты холодильной машины; равна от­ношению холодопроизводительности  к количеству энергии (работе), затра­ченной в единицу времени на осу­ществление холодильного цикла. Определяется типом холодильного цикла, по котором у работает машина, совершенством её основных элементов и для одной и той же машины зависит от температурных условий её работы.

Холодильный коэффициент иде­альной холодильной машины, работа­ющей по обратному циклу Карно:

где T_мин и T_макс – соответственно низ­шая и высшая температуры в цикле.

Холодильный коэффициент воздуш­ной холодильной машины (рисунок),

где T₁ и T₂ – соответственно темпера­туры начала и конца адиабатного сжа­тия;

T₃ и T₄ – температуры начала и конца адиабатного расширения в детандере.

Уравнение состояния рабочего тела.

Уравнение состояния тела устанавли­вается зависимость между парамет­рами состояния. Для идеального газа уравнение состояния выражается за­коном Клапейрона:

а) для 1 кг газа

где R – газовая постоянная;

б) для m кг газа

.

Для моля идеального газа урав­нение состояния предложено Менде­леевым:

,

где объем моля газа;

молекулярная масса.

При нормальных физических условиях .

Универсальная газовая постоянная

Газовая постоянная

Объем газа V, находящегося при произвольных физических условиях (р и Т), может быть приведен к нормаль­ным физическим условиям (p_н и T_н)

по формуле