Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах

1. изохорный - протекающий при постоянном объеме;

2. изобарный - протекающий при посто­янном давлении;

3. изотермический - происходящий при постоянной темпера­туре;

4. адиабатный - процесс, при ко­тором отсутствует теплообмен с окружа­ющей средой;

5. политропный - удов­летворяющий уравнению pvⁿ = const.

Изохорный процесс.При изохорном процессе выполняется условие dv = 0 или v = const.

Рис. 1.13. Изображение изохорного процесса

в р, v - и Т, s-координатах

Давление газа прямо пропорционально его абсолютной темпе­ратуре:

.

; ; ;

при ; при .

Изобарный процесс.При изобарном процессе выполняется условие p = const.

Рис. 1.14. Изображение изобарного процесса

в р, v - и Т, s-координатах

.

; ;

Изотермический процесс.При изобарном процессе выполняется условие t = const.

Рис. 1.15. Изображение изотермического процесса

в р, v - и Т, s-координатах

.

; ; .

Адиабатный процесс. При адиабатном процессе выполняется условие .

Рис. 1.16. Изображение адиабатного процесса

в р, v - и Т, s-координатах

.

где -показатель адиабаты; k=1.66 – для одноатомного газа; k=1.4 – для двухатомного газа; k=1.33 – для многоатомного газа.

Политропный процесс.Любой произвольный процесс можно описать в р, v -координатах (по крайней мере на небольшом участке) уравнением

,

подбирая соответствующее значение п. Процесс, описываемый данным уравнением называется политропным (всякий процесс идеального газа, в котором удельная теплоемкость является постоянной величиной, называется политропным). Показатель политропы п может прини­мать любое численное значение в преде­лах от – ¥ до + ¥, но для данного процесса он является величиной посто­янной.

;

;

;

,

где - теплоемкость идеального газа в политропном процессе.

Рис. 1.17. Изображение основных термодинамических процессов идеального газа в р, v - и Т, s-координатах

Основные понятия и определения водяного пара

Парообразование – процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное.

Испарение – парообразование, которое происходит всегда при любой температуре со свободной поверхности жидкости или твердого тела.

Кипение – процесс парообразования, как на свободной поверхности жидкости, так и внутри ее (наступает при некоторой температуре, зависящей от физических свойств рабочего тела и давления).

Конденсация – переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое.

Конденсат – жидкость полученная при конденсации пара.

Сублимация – процесс перехода твердого вещества непосредственно в пар.

Насыщенным называется пар, находящийся в термическом и

динамическом равновесии с жидкостью, из которой он образуется.

Сухим насыщенным называется пар, в котором отсутствуют взвешенные частицы жидкой фазы. Его удельный объем и температура являются функциями давления. Поэтому состояние сухого пара можно задать любым из параметров – давлением, удельным объемом или температурой.

Влажным насыщенным паром называется двухфазная смесь, представляющая собой пар со взвешенными в нем капельками жидкости. Состояние влажного пара характеризуется двумя параметрами: давлением (или температурой насыщения t_s, определяющей это давление) и степенью сухости пара.

Степень сухости (х) – массовая доля сухого насыщенного пара во влажном. Обратная величина степени сухости (1-х) – степень влажности.

Перегретый пар – это пар, температура которого превышает температуру насыщенного пара того же давления. Состояние перегретого пара, как и любого газа, определяется двумя любыми независимыми параметрами (пар является насыщенным; по своим физическим свойствам приближается к газу и тем ближе, чем выше степень перегрева).

p,v-диаграмма водяного пара

Рассмотрим процесс получения пара. Для этого 1 кг воды при температуре 0 ⁰С поместим в цилиндр с подвижным поршнем. Приложим к поршню извне некоторую постоянную силу P. Тогда при площади поршня F давление будет постоянным и равным . Изобразим процесс парообразования (превращения вещества из жидкого состояния в газообразное) в p,v-диаграмме.

Рис. 1.18. p,v-диаграмма водяного пара

Начальное состояние воды, находящейся под давлением р и имеющей температуру 0 ⁰С, изобразится на диаграмме точкой а₀. При подводе теплоты к воде ее температура постепенно повышается до тех пор, пока не достигнет температуры кипения t_s, соответствующей данному давлению. При этом удельный объем жидкости сначала уменьшается, достигает минимального значения при t=4 ⁰С, а затем начинает возрастать (аномалия у воды). Состояние жидкости, доведенной до температуры кипения, изображается на диаграмме точке .

При дальнейшем подводе теплоты начинается кипение воды с сильным увеличением объема. В цилиндре теперь находится двухфазная среда – смесь воды и пара, называемая влажным насыщенным паром. По мере подвода теплоты количество жидкой фазы уменьшается, а паровой – растет.

Температура смеси при этом остается неизменной и равной t_s, так как теплота расходуется на испарение жидкой фазы. Следовательно, процесс парообразования на этой стадии является изобарно-изотермическим.

Наконец, последняя капля воды превращается в пар, и цилиндр оказывается заполненным только паром, который называется сухим насыщенным. Состояние его изображается точкой .

При сообщении сухому пару теплоты при том же давлении его температура будет увеличиваться, пар будет перегреваться. Точка а изображает состояние перегретого пара и в зависимости от температуры пара может лежать на разных расстояниях от точки .

Если рассмотреть процесс парообразования при более высоком давлении, то можно заметить следующие изменения. Точка а₀ остается почти на той же вертикали, так как вода практически несжимаема. Точка смещается вправо, ибо с ростом давления увеличивается температура кипения, а жидкость при повышении температуры расширяется. Что же касается пара (точка ), то, несмотря на увеличение температуры кипения, удельный объем пара все-таки падает из-за более сильного влияния растущего давления.

Поскольку удельный объем жидкости растет, а пара падает, то при постоянном увеличении давления мы достигнем такой точки К, в которой удельные объемы жидкости и пара сравняются. Эта точка называется критической. В критической точке различия между жидкостью и паром исчезают. Для воды параметры критической точки составляют: ; ; . При температурах, больших критической, возможно существование только одной фазы. Название этой фазы (жидкость или перегретый пар) в какой-то степени условно и определяется обычно ее температурой.

Наименьшим давлением, при котором еще возможно равновесие, воды и насыщенного пара, является давление, соответствующее тройной точке. Под последней понимается то единственное состояние, в котором могут одновременно находится в равновесии пар, вода и лед (точка ) Параметры тройной точки для воды: ; ; . Процесс парообразования, происходящий при абсолютном давлении , показан на диаграмме , которая практически совпадает с осью абсцисс. При более низких давлениях пар может сосуществовать лишь в равновесии со льдом (сублимация - процесс парообразования из льда).

Если теперь соединить одноименные точки плавными кривыми, то получим:

1) нулевую изотерму I - каждая точка соответствует состоянию 1 кг воды при 0 ⁰С и давлении р;

2) нижнюю пограничную кривую II – зависимость от давления удельного объема жидкости при температуре кипения t_s;

3) верхнюю пограничную кривую III – зависимость удельного объема сухого насыщенного пара от давления.

Все точки горизонталей между кривыми II и III соответствуют состоянию влажного насыщенного пара, точки кривой II определяют состояние кипящей воды, точки кривой III – состояние сухого насыщенного пара. Влево от кривой II до нулевой изотермы I лежит область некипящей однофазной жидкости, вправо от кривой III – область перегретого пара.

Кривые II и III определяют область насыщенного пара, отделяя ее от области воды и перегретого пара. Их называют пограничными.