термодинамические параметры состояния воды и водяного пара

Блог об энергетике

энергетика простыми словами

Водяной пар

Промежуточное состояние вещества между состоянием реального газа и жидкостью принято называть парообразным или просто паром. Превращение жидкости в пар представляет собой фазовый переход из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе наблюдается скачкообразное изменение физических свойств вещества.

Примерами таких фазовых переходов является процесс кипения жидкости с появлением влажного насыщенного пара и последующим переходом его в лишенный влаги сухой насыщенный пар или обратный кипению процесс конденсации насыщенного пара.

Одно из основных свойств сухого насыщенного пара заключается в том, что дальнейший подвод теплоты к нему приводит к возрастанию температуры пара, т. е. перехода его в состояние перегретого пара, а отвод теплоты — к переходу в состояние влажного насыщенного пара. В

Фазовые состояния воды

Рисунок 1. Фазовая диаграмма для водяного пара в T, s координатах.

Область I – газообразное состояние (перегретый пар, обладающий свойствами реального газа);

Область II – равновесное состояние воды и насыщенного водяного пара (двухфазное состояние). Область II также называют областью парообразования;

Область III – жидкое состояние (вода). Область III ограничена изотермой ЕК;

Область IV – равновесное состояние твердой и жидкой фаз;

Область V – твердое состояние;

Области III, II и I разделены пограничными линиями AK (левая линия) и KD (правая линия). Общая точка K для пограничных линий AK и KD обладает особыми свойствами и называется критической точкой. Эта точка имеет параметры p_кр, v_кри Т_кр, при которых кипящая вода переходит в перегретый пар, минуя двухфазную область. Следовательно, вода не может существовать при температурах выше Т_кр.

Критическая точка К имеет параметры:

Значения p, t, v и s для обеих пограничных линий приводятся в специальных таблицах термодинамических свойств водяного пара.

Процесс получения водяного пара из воды

На рисунках 2 и 3 изображены процессы нагрева воды до кипения, парообразования и перегрева пара в p, v— и T, s-диаграммах.

Начальное состояние жидкой воды, находящейся под давлением p₀ и имеющей температуру 0 °С, изображается на диаграммах p, v и T, s точкой а. При подводе теплоты при p = const температура ее увеличивается и растет удельный объем. В некоторый момент температура воды достигает температуры кипения. При этом ее состояние обозначается точкой b. При дальнейшем подводе теплоты начинается парообразование с сильным увеличением объема. При этом образуется двухфазная среда — смесь воды и пара, называемая влажным насыщенным паром. Температура смеси не меняется, так как тепло расходуется на испарение жидкой фазы. Процесс парообразования на этой стадии является изобарно-изотермическим и обозначается на диаграмме как участок bc. Затем в некоторый момент времени вся вода превращается в пар, называемый сухим насыщенным. Это состояние обозначается на диаграмме точкой c.

Рисунок 2. Диаграмма p, v для воды и водяного пара.

Рисунок 3. Диаграмма T, s для воды и водяного пара.

При дальнейшем подводе теплоты температура пара будет увеличиваться и будет протекать процесс перегрева пара c — d. Точкой d обозначается состояние перегретого пара. Расстояние точки d от точки с зависит от температуры перегретого пара.

Индексация для обозначения величин, относящихся к различным состояниям воды и пара:

Процесс парообразования при более высоком давлении p₁ > p₀ можно отметить, что точка a, изображающая начальное состояние воды при температуре 0 °С и новом давлении, остается практически на той же вертикали, так как удельный объем воды почти не зависит от давления.

Точка b′ (состояние воды при температуре насыщения) смещается вправо на p, v-диаграмме и поднимается вверх на T,s-диаграмме. Это потому, что с увеличением давления увеличивается температура насыщения и, следовательно, удельный объем воды.

Точка c′ (состояние сухого насыщенного пара) смещается влево, т. к. с увеличением давления удельный объем пара уменьшается, несмотря на увеличение температуры.

Соединение множества точек b и c при различных давлениях дает нижнюю и верхнюю пограничные кривые ak и kc. Из p, v-диаграммы видно, что по мере увеличения давления разность удельных объемов v″ и v′ уменьшается и при некотором давлении становится равной нулю. В этой точке, называемой критической, сходятся пограничные кривые ak и kc. Состояние, соответствующее точке k, называется критическим. Оно характеризуется тем, что при нем пар и вода имеют одинаковые удельные объемы и не отличаются по свойствам друг от друга. Область, лежащая в криволинейном треугольнике bkc (в p, v-диаграмме), соответствует влажному насыщенному пару.

Состояние перегретого пара изображается точками, лежащими над верхней пограничной кривой kc.

На T, s-диаграмме площадь 0abs′ соответствует количеству теплоты, необходимого для нагрева жидкой воды до температуры насыщения.

Количество подведенной теплоты, Дж/кг, равное теплоте парообразования r, выражается площадью s′bcs, и для нее имеет место соотношение:

Количество подведенной теплоты в процессе перегрева водяного пара изображается площадью s″cds.

На T, s-диаграмме видно, что по мере увеличения давления теплота парообразования уменьшается и в критической точке становиться равной нулю.

Обычно T, s-диаграмма применяется при теоретических исследованиях, так как практическое использование ее сильно затрудняется тем, что количества теплоты выражаются площадями криволинейных фигур.

По материалам моего конспекта лекций по термодинамике и учебника «Основы энергетики». Автор Г. Ф. Быстрицкий. 2-е изд., испр. и доп. — М. :КНОРУС, 2011. — 352 с.

Источник

Термодинамические свойства и процессы воды и водяного пара

Водяной пар является реальным газом. В зависимости от состояния он может быть сухим насыщенным, влажным и перегретым.

Насыщенный пар находится в термическом и динамическом равновесии с жидкостью, из которой он образуется. Температура и давление пара в состоянии насыщения называются параметрами насыщения (или кипения).

Насыщенный пар, в котором отсутствуют взвешенные частицы жидкой фазы, называется сухим насыщенным паром. Состояние сухого насыщенного пара однозначно определяется одним параметром – давлением или температурой насыщения. Остальные параметры сухого насыщенного пара (удельный объем , энтальпия , энтропия ) находятся по таблицам или диаграмме h–s (см. прил. 2, 3).

Влажный пар – это равновесная смесь кипящей жидкости и сухого насыщенного пара. Состояние влажного пара определяется его давлением или температурой , а также степенью сухости x. Степень сухости пара x – это массовая доля сухого насыщенного пара во влажном паре, т. е. . Очевидно, что значение x = 0 соответствует воде в состоянии кипения, а x = 1 – сухому насыщенному пару. Параметры влажного пара вычисляются по формулам

(8.1)

где – параметры кипящей жидкости при давлении влажного пара

Перегретый пар – пар, температура которого выше температуры насыщения при данном давлении. Для характеристики перегретого пара необходимо знать два его параметра – давление и температуру, давление и объем и т. д. Остальные параметры и функции находятся по таблицам или диаграмме h–s (см. прил. 2, 3).

Внутренняя энергии пара в любом состоянии рассчитывается исходя из определения энтальпии . Откуда

. (8.2)

На рис. 8.1 представлены p–v и T–s диаграммы для водяного пара. Здесь показаны области различных состояний воды и водяного пара. На левой ветви пограничной кривой (нижней пограничной кривой) находятся точки, соответствующие началу кипения воды, на правой ветви (верхней пограничной кривой) – сухому насыщенному пару. Обе пограничные кривые сходятся в критической точке К, здесь исчезают различия в свойствах жидкости и пара. При температурах выше критической возможно существование только перегретого пара. Для воды параметры критического состояния следующие:

.

Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар при постоянном давлении, называют удельной теплотой парообразования r. Удельная теплота парообразования находится как

. (8.3)

Рис. 8.1. p–v и T–s диаграммы для водяного пара

Для практических расчетов и определения параметров воды и водяного пара используют два вида таблиц термодинамических свойств: «Состояние насыщения» (например, по температурам) (прил. 2, табл. П.2.1), где приводятся свойства кипящей жидкости и сухого насыщенного пара и «Свойства воды и перегретого пара» (прил. 2, табл. П.2.2).

Кроме этого, широко используется h–s диаграмма (рис. 8.2). Изобары в области влажного пара являются расходящимися прямыми линиями, затем, пересекая верхнюю пограничную кривую, изобары без излома отклоняются вверх. Изохоры (показаны штриховыми линиями) имеют такой же вид, как и изобары, но являются более крутыми. Изотермы в области влажного пара совпадают с изобарами, а в области перегретого пара отклоняются с изломом вправо, выходя на горизонталь при удалении от верхней пограничной кривой.

Затененная часть диаграммы редко используется при расчете циклов паросиловых установок, поэтому для удобства пользования ее отбрасывают, что существенно уменьшает размеры диаграммы.

Рис. 8.2. h–s диаграмма для водяного пара

Рис. 8.3. Изохорный и изобарный процессы водяного пара

Рис. 8.4. Изотермический и адиабатный процессы водяного пара

Термодинамические процессы водяного пара

Процесс	v = const	p = const	T = const	s = const
q		h2 – h1	T(s2 – s1)
l	p(v2 – v1)	q – Δu
l’	v(p1–p2)	q – Δh

Задачи

8.1. Вода, находящаяся при давлении 15 бар, нагрета до 190 о С. Началось ли кипение воды?

Источник

Свойства водяного пара: температура, тройная точка, упругость, термодинамическое равновесие, плотность

Изучение теплофизических свойств воды и водяного пара помогает понять, почему происходит испарение. Благодаря динамическому равновесию газообразного и жидкого состояния Н₂О осуществляется круговорот воды в природе. Атмосфера планеты служит защитным колпаком, в ней происходят те же термодинамические процессы, что и в закрытой емкости с водой. Зависимость давления пара от температуры, плотности соответствует уравнению Менделеева-Клапейрона. С помощью формул можно вычислить, чему будет равна плотность пара в пузырьках, поднимающихся к поверхности воды, или при какой температуре закипит вода, если подняться на гору, где давление воздуха ниже.

Вода превращается в пар при температуре

Понятие «водяной пар» характеризует свойство жидкости улетучиваться. Начало испарения — отрыв частичек воды от поверхности воды. Из жидкого агрегатного состояния молекулы переходят в газообразное. Превращение в газовую фазу происходит до момента насыщения, когда возникает равновесие между жидкой или твердой субстанцией и газом. Молекула воды не в силах оторваться от поверхности, если плотность достигает максимальной величины, газ становится насыщенным. Определить величину давления насыщения водяного пара можно для любой температуры. Даже лёд обладает способностью испаряться.

Когда говорят об испарении, уточняют градусы Цельсия, при которых начинается парообразование. При 100°С жидкость закипает только при атмосферном давлении 760 мм рт. столба. Чем ниже давление, тем свободнее отрываются частицы воды от поверхности, насыщая воздух. Снижение давления до 0,006 атмосфер (тройная точка) приводит к тому, что вода одновременно присутствует в трех фазовых состояниях: жидком, твердом, газообразном. Кипение воды в лабораторных условиях достигается без перехода в жидкое состояние. Происходит вскипание твердой фазы, процесс называется возгонкой. Лед трансформируется в газообразное состояние при температуре –0,1°С под давлением ниже тройной точки. Величину давления и плотности насыщенного водяного пара при различной температуре устанавливают экспериментальным путем.

Способность паров насыщать воздух характеризуется влажностью. Упругость водяного пара определяют прибором для измерения влажности, он называется психрометром. Измеряется парциальное давление водяных паров, находящихся в атмосферном воздухе.

Насыщенный водяной пар

Вернемся к эксперименту. Итак, у нас в закрытой банке жидкость. Что происходит? Испарение воды. Процесс начинается при низкой плотности воздуха. Благодаря пару, давление на поверхность жидкости возрастает, оно препятствует движению молекул. Их все меньше и меньше отрывается от воды. Наступает момент, когда образуются капли влаги. Этот процесс называется «конденсация». Когда скорость образования пара равна скорости конденсации, возникает термодинамическое равновесие. Пар в этот момент считается насыщенным. Жидкость и газ уравновешивают друг друга. Такое состояние достигается при определенных условиях, важные параметры:

Почему не учитывается объем банки? Он не меняет термодинамических свойств воды и водяного пара в состоянии насыщения. Допустим, крышка экспериментальной банки опустилась ниже, объем уменьшился. К чему это приведет? Пар будет ускоренно конденсироваться до момента равновесия. При увеличении объема ускорится парообразование, но замкнутая система опять придет в равновесное состояние.

Изучая термодинамику, легко понять, почему пар обжигает сильнее воды той же температуры. Что такое кипение? Состояние, при котором жидкая фаза активно превращается в парообразное состояние. Следовательно, происходит обратный процесс конденсации, он сопровождается выделением теплоты. За счет этого ожог от пара сильнее.

Удельная теплоемкость возрастает, если повышается температура воды. Процесс парообразования виден в момент кипения. При повышении давления температура газов достигает 200°С, это свойство используется в теплотехнике, горячим, вязким паром заполняют теплообменники.

Давление насыщенного водяного пара

Формула p=nkT указывает на прямую зависимость давления идеального газа (p) и его температуры (Т). Параметр n –число молекул, содержащихся в заданном объеме, характеризует плотность пара. Постоянная Больцмана k устанавливает взаимосвязь температуры с энергией образования вещества (энтальпия).

Пар нельзя сравнивать с идеальным газом. Его давление при повышении температуры растет быстрее из-за повышения плотности. Концентрация частиц в неизменном объеме возрастает. Эти особенности свойств водяного пара необходимо учитывать при расчетах давления насыщенного водяного пара. Если в идеальном газе возрастает энергия ударов молекул о стенки сосуда, то в насыщенном паре существенно возрастает число ударов за счет увеличения концентрации активных частиц.

Плотность насыщенного водяного пара

Плотностью называется отношение массы вещества к его объему. Этот параметр характеризует расстояние между отдельными молекулами. В жидкой фазе они сцепляются между собой, в твердой расположены симметрично относительно друг друга. В газообразном находятся на произвольном удаленном расстоянии, чем объясняется отличие плотности водяного пара от плотности воды.

Теперь подробно рассмотрим, какое влияние оказывает на плотность насыщенных водяных паров изменение температуры. Она непостоянна из-за изменения массы газообразной фазы:

По сути, она должна постоянно меняться, так как частицы воды непрерывно движутся, переходят из одного агрегатного состояния в другое. Но при динамическом равновесии концентрация неизменна: сколько молекул испарится, столько же конденсируется. Показатели устанавливаются экспериментально для каждой температуры. Их значения сведены в таблицы.

Источник

Термодинамические параметры состояния воды и водяного пара

Инженерные расчеты процессов изменения состояния воды и водяного пара и паровых циклов осуществляются по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара [11]. Эти таблицы составлены на основании надежных экспериментальных данных с согласованием результатов экспериментов и расчетных величин в мировом масштабе.

В нашей стране утвержденным стандартом являются таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара, составленные М.П.Вукаловичем, С.Л.Ривкиным, А.А.Александровым [11].

Они включают в себя данные по термодинамическим свойствам воды и водяного пара в диапазоне изменений давления от 0,0061 до 1000 бар и температуры от 0 до 1000 0 С.

Необходимо отметить, что в качестве определяющего параметра в табл. 1 и 2 можно использовать любой из параметров (v’, v», h’, h», s’, s»), а не только давление и температуру насыщения. Поскольку в инженерной практике Р и t выступают чаще всего в качестве определяющих параметров, их и поместили в левой колонке.

В табл. 3 в качестве определяющих, кроме Р и t, может выступать любая пара параметров: Р, t, v, h, s.

При ориентации в фазовых состояниях воды и пара с использованием таблиц необходимо помнить:

1) при Р = const:

2) при t = const:

Источник

Блог об энергетике

энергетика простыми словами

is (hs)-диаграмма состояния воды и водяного пара

Размер: 3070х3995 пикселей

Диаграмма цветная — степени сухости, температура, давление и объем выделены разными цветами, что делает работу с диаграммой очень удобной.

Большой размер позволит распечатать диаграмму на формате А3 и больше.

is-диаграмма применяется для практических расчетов процессов водяного пара. На ней теплота и энтальпия измеряются линейными отрезками.

is-диаграмма обладает рядом важных свойств: по ней можно быстро определить параметры пара и разность энтальпий в виде отрезков, наглядно изобразить адиабатный процесс, и решать другие задачи.

Так же вы можете использовать очень удобную и наглядную программу.

Описание is-диаграммы

На is-диаграмме изображены термодинамические процессы:

Степень сухости и паросодержание (х) — розовые линии. Жирная розовая линия — степень сухости х=1. Все что ниже этой линии — зона влажного пара.

Ось «Х» — энтропия, ось «Y» — энтальпия.

Семейство изобар в области насыщения представляет собой пучок расходящихся прямых, начинающихся на нижней и оканчивающихся на верхней пограничной кривой. Чем больше давление, тем выше лежит соответствующая изобара. Переход изобар из области влажного насыщенного в область перегретого пара происходит без перелома на верхней пограничной кривой.

В i, s-диаграмме водяного пара наносятся также линии постоянного паросодержания (x = const) и линии постоянного удельного объема (v = const). Изохоры идут несколько круче, чем изобары.

Состояние перегретого пара обычно определяется в технике давлением p и температурой t. Точка, изображающая это состояние, находится на пересечении соответствующей изобары и изотермы. Состояние влажного насыщенного пара определяется давлением p и паросодержанием x.

Точка, изображающее это состояние, определяется пересечением изобары и линии x = const.

Как пользоваться is-диаграммой

Для описания воспользуемся небольшой задачей. Возьмем с потолка условие.

Пусть начальные параметры пара будут: давление пара р = 120 бар, температура пара t = 550°С. Пар адиабатно расширяется в турбине до температуры, например, 400 °С.

Для примера этого будет достаточно.

Адиабатный процесс на is-диаграмме — это вертикальная линия (горизонтальная линия — дросселирование). Это для справки.

Итак, начальное давление и температура у нас есть. Найдем эту точку на is-диаграмме:

Нам нужна изобара, соответствующая давлению 120 бар и изотерма, соответствующая температуре 550 °С. На их пересечении и будет точка, соответствующая начальным параметрам пара в нашей задаче.

Найдя эту точку, мы уже можем определить в ней энтальпию и энтропию. Опустив на оси проекции найденной точки, узнаем значения энтальпии (ось «Y») и энтропии (ось «Х»).

3480 кДж/кг, S = 6,65 кДж/(кг•К)

Далее нам нужно узнать параметры пара после адиабатного расширения. Мы знаем, что по поставленным нами условиям, пар расширился и его температура в точке 2 = 400 °С. Я уже упоминал, что на is-диаграмме адиабатный процесс изображается в виде вертикальной линии. Проведем эту линию из точки 1 (начальные параметры) до пересечения с изотермой 400 °С.

Получена точка 2. Через эту точку проходит изобара. Она соответствует давлению 50 бар. Энтропия у нас не изменилась, так как процесс адиабатный, а вот энтальпия стала равна i = 3200 кДж/кг.

Вот и все. Дальше остаются только расчеты: определение изменения внутренней энергии (Δu), работы (l, l’) и т. д. Все это считается по формулам (формулы можете найти в статье «Основные термодинамические процессы»), а значения и график процесса расширения пара у вас уже есть.

Источник