Общие условия равновесия фаз

РАВНОВЕСИЕ ФАЗ

Вещества, применяемые в качестве рабочих тел, при осуществлении процессов могут находиться в состоянии одной или разных фаз. К первой группе относятся газы, а ко второй – вода, ртуть, иод и др.

Всякое вещество может находиться в различных фазах, которые могут представлять собой различные агрегатные состояния вещества. Каждая из фаз представляет собой однородную систему с одинаковыми физическими свойствами во всех ее частях. Характерной особенностью фазы является наличие границ, отделяющих различные соприкасающиеся между собой фазы.

Вещество может переходить из одной фазы в другую; этот переход но­сит название фазового перехода или фазового превращения.

Переход вещества из конденсированной (т. е. твердой или жидкой) фазы в газообразную называется испарением или парообразованием (а в случае твердого тела, кроме того,— сублимацией), обратный переход называется конденсацией; переход из твердой фазы в жидкую называется плавлением, а обратный переход из жидкой фазы в твердую — затвердеванием или кристаллизацией.

Переход чистого вещества из одной фазы в другую при данном давле­нии происходит при вполне определенной температуре; так, например, плав­ление льда при атмосферном давлении происходит при температуре 0° С.

При температуре фазового перехода в системе будут существовать и соприкасаться друг с другом две, а в некоторых случаях (точка тройного равновесия), при вполне опре­деленной температуре — три фазы вещества.

Равновесное существование отдельных соприкасающихся между собой фаз вещества, способных превращаться одна в другую, называется фазовым равновесием.

На Ts -диаграмме по оси абсцисс откладываются значения удельной (отнесённой к 1 кг массы) энтропии s данного вещества, а по оси ординат—абсолютная температура Т.

Ts-диаграмма обладает тем преимуществом, что обратимый адиабатический (или изоэнтропический) процесс изображается на этой диаграмме вертикальной прямой линией, а изотермический процесс — горизонтальной прямой линией.

 

Рис. 1. Ts –диаграмма вещества

На плоскости Т — s наносятся сетки изобар (линии p(s, T) = const) и изоэнтальпии (линии i(s, Т) = const), а иногда и изохор (линии v(s, Т) = const. Кроме того, на Ts -диаграмме наносится пограничная кривая, т. е. кривая насыщения, а в области двухфазного состояния вещества жидкость — пар проводятся кривые постоянной степени сухости.

Общий вид Ts-диаграммы показан на рис.1.:

- область I представляет собой область твердого состояния веще­ства;

- область IV — область равно­весного сосуществования твердой и жидкой фаз;

- область II — область жидкости;

- область V-— область равновесного сосущество­вания твердой и паровой фаз;

 

- область VI— область равновесного сосущество­вания жидкой и паровой фаз, причем при прибли­жении к кривой KF содержание жидкости уменьшается, а пара возрастает. В технике смесь кипящей жидкости и сухого пара называют влажным паром.

- область III— область перегретого пара.

Изотерма BF, разграничивающая области IV и V и VI и V, опре­деляет температуру равновесного сосуществования всех трех фаз, т. е. тройную точку вещества (для воды в точке А s0 = 0 Дж /(кг∙ К), p0 = 611Па, T0 = 273.16 K, v0 = 0.00100 м3 / кг). Линия AKF представ­ляет пограничную кривую между жидкой и паровой фазой. Точка К этой кривой есть критическая точка. Ветвь АК пограничной кривой, называемая также левой пограничной кривой, есть линия кипящей или насы­щенной, т. е. находящейся в равновесии с насыщенным паром, жидкости; ветвь KF или правая пограничная кривая есть линия сухого насы­щенного пара.

Через точку К проходит изотерма, на границе которой происходит переход непосредственно из жидкости в перегретый пар. При температуре и давлении выше критических вещество может находиться только в жидком или газообразном (сухой перегретый пар) состоянии.

В таблице приведены критические параметры для некоторых техни­ческих газов, а также так называемый критический коэффициент, представляющий собой отношение

,

который был бы равен 1,0, если бы реальные газы в критической точке следовали законам идеаль­ных газов. На самом деле, как видно из таблицы, критический коэффи­циент для газов в три с лишним раза больше единицы, а для водяного пара при­мерно в 4,5 раза больше.

Таблица 8

 

  Газ     ркр, МПа     tкр, 0C   Критический коэффициент  
Гелий Не Водород Н2 . . . Азот N2..... Окись углерода СО Кислород О2. . , Углекислота СО2 Водяной пар Н2О   0,222 1,255 3,285 3,40 4,99 7,16 22,129   —267,8 —239,9 —147,1 —139 —118,8 +31,35 +374,15   3,184 3,28 3,42 3,54 3,346 3,49 4,458  

 

 

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ВОДЯНОГО ПАРА

Воде в качестве рабочего тела присущ серьёзный недостаток: в пределах рабочих температур она находится в трёх состояниях: жидком, влажного и сухого пара. Из рис. 1а видно, насколько линии изотерм для воды отличаются от изотерм газов.

Для водяного пара отношение

Рис. 1а. Протекание изотерм при разных состояниях воды

зависит от параметров пара, в отличие от идеальных газов, где это выражение называется газовой постоянной R и практически не зависит от их давления или температуры. Поэтому к водяному пару не применимо уравнение состояния, как для газов, и расчёт его параметров осуществляется по особым правилам.

Рассмотрим отдельные стадии процесса образования водяного пара.

 

Получение водяного пара для технических нужд осуществляется в паровых котлах, где при этом поддерживается неизменное давление по манометру в течение всего времени его работы.

На v-p — диаграмме про­цесс превращения 1 кг воды при р = const в перегретый пар изображается линией a-b-c-d-e, а на v-t— диаграм­ме—линией а' - b' -с' -d' -e'. Процесс испарения, происхо­дящий за счет теплоты q, подводимой к воде, начи­нается в точке а, когда в цилиндре находится капельно-жидкая вода при дав­лении р и температуре 0° С.

Рис.2. Изображение процесса получе­ния пара в координатах v-p

Различают несколько ста­дий в процессе парообразова­ния. Область II. Прежде всего необходи­мо нагреть воду от 0° С до температуры кипения, величина которой зависит от давления. На процесс нагревания а-b затра­чивается определенное коли­чество теплоты. Тепловое расширение воды приводит к тому, что объем воды кипя­щем состоянии больше, чем при 0° С, и поэтому на v-p — диаграмме точка b лежит правее точки а. На этой стадии вода— гомогенная среда, в которой вещество находится в капельно­-жидком, некипящем состоянии.

На v-t — диаграмме процесс нагревания до температуры кипения (или температуры насыщения) изображается линией а'-b'.

Область III. Дальнейший подвод теплоты приводит к испарению воды. Количество пара тем больше, чем больше будет подведено теплоты на этой стадии парообразования. При этом температура воды и пара в процессе испарения остается также, как и давление, постоянной и равной t" до тех пор, пока вся вода не превратится в пар (точки d и d' на рис. 1). В промежуточной точке с и с'- находится смесь кипящей воды и пара. Среда в этой области — гетерогенная, двухфазная, в которой кипящая жидкость и сухой насыщенный пар находятся в равнове­сии. Характерно, что в области III процессы(например, b-d) являются одновременно как изобарными, так и изотермными. Это иллюстрируется линиями b-d и b'-d' в обеих системах координат. Подведённая теплота на этой стадии расходуется на парообразование. В технике смесь кипящей жидкости и сухого пара называют влажным паром.

Точки, характеризующие влажный пар, на обеих диаграммах распо­ложены между b и d (или соответственно между b' и d'). Состояния между этими точками отличаются друг от друга количествами получен­ного пара и оставшейся еще не испарённой кипящей воды. Чём ближе точка с к точке d, тем меньше влажность и больше паросодержание.

Точка d на верхней пограничной кривой определяет состояние в момент, когда вся вода превращается в пар, а температура его продолжает оставаться равной t". Состояние это называется сухим насыщенным паром.

Область III. Подвод теплоты к сухому насыщенному пару вызовет его перегрев, т.е. увеличение температуры выше температуры насыщения t". Во всех точках, лежащих правее точки d на линии р = const (на­пример, в точке е), пар является перегретым. В технике состояние газа вблизи от верхней пограничной кривой принято называть перегретым паром. Среда — гомогенная, в которой вещество находится в газообразном со­стоянии. Разница состояний пере­гретого пара заключается в различных значениях температур перегре­ва, которые тем выше, чем дальше вправо от точки d располагается точка е.

Путем изменения в ту или другую сторону величин давления, при которых происходит процесс парообразования, можно на рис. 1 наметить ряд точек a, b, d, a', b', d', соответствующих определенным давлениям. Соединение одноименных точек между собой плавной кри­вой дает три кри­вые.

Совокупность геометрических мест точек а дает изотерму капельно-­жидкой воды при температуре 0° С. Изотерма капельно-жидкой воды при температуре 0° С с увели­чением давления очень медленно из-за малой сжимаемости воды приближается к оси ординат, а в точке О пересекает линию кипящей жидкости.

Совокупность геометрических мест точек b дает кривую состояний кипящей воды при определенных дав­лениях нижней пограничной кривой .

Совокупность геометрических мест точек d дает кривую_сухого насыщенного пара также при определенных давлениях верхней пограничной кривой.

С повышением давления точки bсd приближаются друг к другу и при определенных давлении и объеме встречаются в критической точке К. Для воды параметры критической точки к составляют: ркр = 221,29 бар, укр = 0,00326 м3/кг; tкр = 374,15° С. На рис.2 нанесена изотерма при tкр , выше которой происходит непосредственный переход от жидкости к перегретому пару.