Лабораторная работа № 5 Определение некоторых свойств воды и водяного пара

1. Цель работы.

Определение параметров воды и влажного пара: r, x, i_x, s_x, вычисляемых на основании экспериментальных наблюдений и таблиц.

2. Основные теоретические положения.

В процессе получения пара наблюдаются три последовательно развивающиеся и переходящие друг в друга стадии парообразования: нагрев→испарение→перегрев, которые характеризуются специфическими закономерностями и различным изменением параметров. В процессе конденсации сохраняются те же стадии, но в обратной последовательности.

Первая стадия получения пара – нагрев жидкости до кипения. В термодинамике тепло, затрачиваемое в этой стадии, получило название энтальпии жидкости, под которой понимают тепло, необходимое для нагрева одного килограмма воды в изобарном процессе от 0°С до температуры кипения (насыщения) t_s, обозначаемое i′. Чем выше температура кипения воды, тем больше её энтальпия, измеряемая в Дж/кг. Вычисляется энтальпия по формуле:

i′ = c_pm · t_s (1)

где c_pm - средняя удельная теплоёмкость, Дж/кг·град;

t_s - температура кипения, зависящая от давления.

Энтропия кипящей жидкости равна:

(2)

Изменение энтропии отсчитывается от 0°С, при котором энтропию принимают условно равной нулю.

Вторая стадия – переход жидкости в парообразное состояние (испарение жидкости) существенно отличается от первой. Процесс характеризуется не только постоянством давления, но и постоянством температуры, т.е. является изобарно-изотермическим процессом, при котором давление и температура испарения, равная температуре кипения, взаимосвязаны. Примером этой связи может служить эмпирическая формула:

(3)

где р - удельное абсолютное давление, МПа.

Испарение начинается с момента закипания жидкости при подводе теплоты и заканчивается полным испарением её. Количество теплоты, необходимое для этой цели, строго определённое для каждого давления, называется скрытой теплотой парообразования и обозначается r. Теплота парообразования измеряется в Дж/кг. С повышением давления r уменьшается, стремясь к нулю при критическом давлении р_кр≈ 22,5 МПа.

В процессе испарения количество жидкости непрерывно уменьшается, а содержание пара возрастает. Весовое соотношение между паром и жидкостью называется степенью сухости x или паросодержанием, представляющими долю пара в одном килограмме пароводяной смеси (1-х – степень влажности или влагосодержание). Очевидно, что в момент начала испарения х=0, а при полном испарении х=1. Пар в последнем случае получил название сухого насыщенного пара.

Если же испарение воды не доведено до конца, т.е. 0<x<1, то пар является влажным насыщенным и на его производство затрачивается в процессе испарения меньше тепла, т.е. x·r.

Общее количество тепла, затраченного для получения из 1 кг воды при 0°С сухого насыщенного пара (нагрев и завершённое испарение), иначе говоря энтальпия сухого насыщенного пара i″, может быть представлена формулой:

i″ = i′ + r = c_pm· t_s + r (4)

По отношению к влажному пару (незавершённое испарение) формула получает вид:

i_x = i′ + r x (5)

Изменение энтропии в процессе испарения для завершённого испарения равно:

(6)

для незавершённого испарения:

(7)

(8)

Третья стадия получения рабочего пара – перегрев пара осуществляется при продолжающемся подводе тепла к сухому насыщенному пару. В этом случае между давлением пара и его температурой имеет место полная независимость: мы можем нагреть пар выше температуры насыщения t_s до любой заданной температуры t; перегретый пар приобретает свойства реальных газов. Теплота перегрева подсчитывается по формуле:

q_n = c_pm(t – t_s) , (9)

где c_pm - средняя удельная теплоёмкость перегретого пара в интервале температуры t_s– t, зависящая не только от температуры, но и от давления (определяется по таблицам).

Энтальпия перегретого пара может быть представлена в виде суммы теплоты трёх последовательных стадий парообразования:

i = i′ + r + c_pm(t – t_s) = i″ + c_pm(t – t_s) (10)

Таким образом, под энтальпией перегретого пара понимают количество тепла в джоулях, необходимое, чтобы нагреть 1 кг воды от 0°С до начала кипения, последующего испарения и для перегрева до заданной температуры при постоянном давлении.

Энтропия перегретого пара определяется по формуле:

(11)