Р, v – діаграма водяної пари

Розглянемо особливості процесу паротворення. Нехай у циліндрі знаходиться 1 кг води при температурі 0 С, на поверхню якої за допомогою поршня діє постійний тиск р. Об’єм води, який знаходиться під поршнем дорівнює питомому об’єму при 0 С, позначимо через ( = 0,001м³/кг) Будемо вважати, для спрощення, що вода є практично нестисливою рідиною і має найбільшу щільність при 0 С, а не при 4 С (точніше 3,98 С). При нагріванні циліндра і передачі теплоти воді, температура її буде підвищуватися, об’єм зростати, і при досягненні t = t , що відповідає р = р1, вода закипить і почнеться паротворення.

Усі зміни стану рідини і пара будемо відзначати у р, v - координатах (мал. 10.1).

Процес утворення перегрітої пари при р=const складається з трьох послідовно здійснюваних фізичних процесів:

1. підігрів рідини до температури tн;

2. паротворення при tн = const;

3. перегрів пари, який супроводжується підвищенням температури.

При р = р1 цим процесам у р, v – діаграмі відповідають відрізки а-а , а -а , а -д. В інтервалі між точками а й а температура буде постійною і рівною tн1 і пара буде вологою, причому ближче до т. а ступінь сухості її буде менше (х = 0), а у т.а , яка відповідає стану сухої пари, х = 1. Якщо процес паротворення буде йти при більш високому тиску (р2 > р1), то об’єм води практично залишиться

Мал.10.1 незмінним. Об’єм v , який відповідає киплячій воді, трохи збільшиться (), тому що tн2 > tн1, а об’єм , оскільки процес паротворення при більш високому тиску і високій температурі протікає більш інтенсивно. Отже, при зростанні тиску різниця об’ємів (відрізок ) збільшується, а різниця об’ємів (відрізок ) зменшується. Аналогічна картина буде і тоді, коли процес паротворення йде при більшому тиску (р₃ > p₂; ; , тому що tн3 > tн2). Наявність однозначної залежності між р і tн визначає стан сухої пари і киплячої води. Для вологої пари потрібно знати ще ступінь сухості х.

Якщо на (мал.10.1) з'єднати крапки з одним і двома штрихами, які лежать на ізобарах різних тисків, одержимо лінії ; , кожна з який має цілком визначене значення. Наприклад, лінія а-b-c виражає залежність питомого об’єму води при 0 С, від тиску. Вона майже рівнобіжна осі ординат, тому що вода – практично нестислива рідина. Лінія дає залежність питомого об’єму киплячої води від тиску. Ця лінія зветься нижньою прикордонною кривою. У р, v – діаграмі, ця крива відокремлює область води від області насичених пар. Лінія показує залежність питомого об’єму сухої пари від тиску і зветься верхньою прикордонною кривою. Вона відокремлює область насиченої пари від області перегрітої (ненасиченої) пари.

Точка зустрічі прикордонних кривих зветься критичною крапкою К. Ця крапка відповідає деякому граничному критичному стану речовини, коли відсутнє розходження між рідиною і парою. У цій крапці відсутня ділянка процесу паротворення. Параметри речовини при цьому стані звуться критичними. Наприклад, для води рк = 22,1145 МПа; Тк = 647,266 К; v к = 0,003147 м³/кг;

Критична температура є максимальною температурою насиченої пари. При температурі вище критичної можуть знаходитися лише перегріті пари і гази. Уперше поняття про критичну температуру було дано в 1860 р. Д.І. Менделєєвим. Він визначив її як таку температуру, вище якої газ не може бути переведений у рідину, яке б високий тиск до нього не був прикладений.

Не завжди, однак, процес паротворення відбувається так, як це показано на мал.10.2. Якщо вода очищена від механічних домішок і розчинених у ній газів, паротворення може початися при температурі вище Тн (іноді на 15-20 К) через відсутність центрів паротворення. Така вода зветься перегрітою. З іншої сторони при швидкому ізобарному охолодженні перегрітої пари конденсація її може початися не при Тн. а при трохи більш низькій температурі. Така пара зветься переохолодженою чи пересиченою. При рішенні питання, у якому агрегатному стані можуть бути речовини (пара або вода) при заданих р і Т, р і v, чи Т і v, потрібно завжди мати в увазі наступне. При р = const для перегрітої пари і Т_д > Tн (див. мал. 10.1); для води, навпаки і Т < Тн; при Т = const для перегрітої пари і р_е < рн; для води і рn > рн. Знаючи ці співвідношення і користуючись таблицями для насиченої пари, можна завжди визначити, у який із трьох областей 1, 2 чи 3 (див. мал. 10.1) знаходиться робоче тіло з заданими параметрами, тобто чи є рідиною (область 1), насиченою (область 2) чи перегрітою (область 3) пара.

Для надкритичної області за ймовірну границю «вода – пар» умовно приймають критичну ізотерму (штрих пунктирна крива). При цьому ліворуч і праворуч від цієї ізотерми речовина знаходиться в однофазному гомогенному стані, володіючи, наприклад, у т.Y властивостями рідини, а в т.Z – властивостями пари.

ЛЕКЦИЯ 11