3. Vanndamp og dens egenskaper

3.1. Vanndamp. Grunnleggende begreper og definisjoner.

En av de vanligste arbeidsvæskene i dampturbiner, dampmotorer, kjernekraftverk, kjølevæske i ulike varmevekslere er vanndamp. Damp - et gassformet legeme i en tilstand nær en kokende væske. fordampning Prosessen med å endre et stoff fra en flytende tilstand til en damptilstand. Fordampning - fordampning, som alltid skjer ved enhver temperatur fra overflaten av væsken. Ved en viss temperatur, avhengig av væskens natur og trykket den befinner seg under, begynner fordampning i hele væskemassen. Denne prosessen kalles kokende . Den omvendte prosessen med fordamping kalles kondensasjon . Den kjører også ved konstant temperatur. Prosessen der et fast stoff endres direkte til damp kalles sublimering . Den omvendte prosessen med overgang av damp til en fast tilstand kalles desublimering . Når en væske fordamper i et begrenset rom (i dampkjeler), oppstår det motsatte fenomenet samtidig - dampkondensering. Hvis kondensasjonshastigheten blir lik fordampningshastigheten, inntrer dynamisk likevekt. Dampen i dette tilfellet har en maksimal tetthet og kalles mettet damp . Hvis damptemperaturen er høyere enn temperaturen til mettet damp med samme trykk, kalles slik damp overopphetet . Forskjellen mellom temperaturen på overopphetet damp og temperaturen på mettet damp ved samme trykk kalles grad av overoppheting . Siden det spesifikke volumet av overhetet damp er større enn det spesifikke volumet av mettet damp, er tettheten til overhetet damp mindre enn tettheten til mettet damp. Derfor er overopphetet damp umettet damp . I øyeblikket for fordampning av den siste dråpen væske i et begrenset rom, uten å endre temperatur og trykk, tørr mettet damp . Tilstanden til slik damp bestemmes av en parameter - trykk. Den mekaniske blandingen av tørre og små dråper væske kalles våt damp . Massefraksjonen av tørr damp i våt damp kalles grad av tørrhet –X.

X\u003d m cn / m ch,

m cn - massen av tørr damp i vått; m vp - masse av våt damp. Massefraksjonen av væske i våt damp kalles grad av fuktighet –på.

på= 1 – .

For en kokende væske ved metningstemperatur  = 0, for tørr damp –  = 1.

3.2 Fuktig luft. Absolutt og relativ fuktighet.

Atmosfærisk luft er mye brukt i teknologi: som en arbeidsvæske (i luftkjøleenheter, klimaanlegg, varmevekslere og tørkere) og som en integrert del for drivstoffforbrenning (i forbrenningsmotorer, gassturbinanlegg, dampgeneratorer).

Tørr luft kalt luft som ikke inneholder vanndamp. Atmosfærisk luft inneholder alltid noe vanndamp.

fuktig luft er en blanding av tørr luft og vanndamp.

I varmeteknikk kalles noen gassformige legemer damp. Så for eksempel kalles vann i gassform vanndamp, ammoniakk - ammoniakkdamp.

La oss vurdere mer detaljert de termodynamiske egenskapene til vann og damp. (1-6).

Dannelsen av damp fra væsken med samme navn skjer gjennom fordampning og koking . Det er en grunnleggende forskjell mellom disse prosessene. Fordampning av væsken skjer bare fra den åpne overflaten. Individuelle molekyler med høy hastighet overvinner tiltrekningen til nabomolekyler og flyr ut i det omkringliggende rommet. Fordampningshastigheten øker med temperaturen på væsken. Essensen av koking er at dampgenerering skjer hovedsakelig i volumet av selve væsken på grunn av dens fordampning inne i dampboblene. Det er følgende tilstander av vanndamp:

våt damp;

tørr mettet damp;

overopphetet damp.

Atmosfærisk luft (fuktig luft) kan være:

overmettet fuktig luft;

mettet fuktig luft;

umettet fuktig luft.

overmettet Fuktig luft er en blanding av tørr luft og fuktig vanndamp. Et naturfenomen er tåke. Mettet Fuktig luft er en blanding av tørr luft og tørr mettet vanndamp. umettet Fuktig luft er en blanding av tørr luft og overopphetet vanndamp.

Det skal bemerkes fundamentalt forskjellige betydninger av begrepet "våt" i forhold til damp og luft. Damp kalles våt hvis den inneholder en fint fordelt væske. Fuktig luft inneholder i alle tilfeller av interesse for teknologi overopphetet eller tørr mettet vanndamp. I det generelle tilfellet kan fuktig luft også inneholde fuktig vanndamp (for eksempel skyer), men dette tilfellet er ikke av teknisk interesse og vurderes ikke videre.

I atmosfærisk (fuktig) luft er hver komponent under sitt eget partialtrykk, har en temperatur lik temperaturen på fuktig luft og er jevnt fordelt over hele volumet.

De termodynamiske egenskapene til fuktig luft som en gassformig blanding av tørr luft og vanndamp bestemmes i henhold til lovene som er karakteristiske for ideelle gasser.

Beregningen av prosesser med fuktig luft utføres vanligvis under forutsetning av at mengden tørr luft i blandingen ikke endres. Variabelen er mengden vanndamp som finnes i blandingen. Derfor refererer de spesifikke verdiene som kjennetegner fuktig luft til 1 kg tørr luft.

Fuktig lufttrykk bestemmes av Daltons lov:

Р=Рв+Рп, (3.1)

Hvor Pv er partialtrykket til tørr luft, kPa; Pp er partialtrykket til vanndamp, kPa.

La oss skrive Clapeyron - Mendeleev-ligningen

våt luft PV=MRT; (3.2)

tørke luft P B V=M B R B T; (3.3)

vann damp P P V=M P R P T, (3,4)

hvor V er volumet av fuktig luft, m 3; M, M V, MP - masse av henholdsvis fuktig, tørr luft og vanndamp, kg; R, R V, R P – gasskonstant for henholdsvis fuktig, tørr luft og vanndamp, kJ/(kgK); T er den absolutte temperaturen til fuktig luft, K.

Absolutt luftfuktighet - mengden vanndamp i 1 m 3 fuktig luft. Den er betegnet med  P og måles i kg/m 3 eller g/m 3. Med andre ord representerer den tettheten av vanndamp i luften:  P \u003d R P / (RP T). Det er åpenbart det

 P \u003d MP / V, der V er volumet av fuktig luft med massen M.

Relativ fuktighet  er forholdet mellom den absolutte luftfuktigheten i en gitt tilstand og den absolutte fuktigheten til mettet luft (H) ved samme temperatur.

To karakteristiske lufttilstander kan noteres i form av verdien :<100 %, при этом Р П <Р Н и водяной пар перегретый, а влажный воздух ненасыщенный;=100 %, при этом Р П =Р Н и водяной пар сухой насыщенный, а влажный воздух насыщенный. Температура, до которой необходимо охлаждать ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал сухим насыщенным, называется температурой точки росы t Н.

3.3 Jegd - diagram av fuktig luft

For første gang ble id - diagram for fuktig luft foreslått av prof. OK. Ramzin. For tiden brukes det i beregninger av klimaanlegg, tørking, ventilasjon og varmesystemer. Vid - diagrammet langs abscissen viser fuktighetsinnholdet d, g / kg tørr luft, og langs ordinaten - den spesifikke entalpien til fuktig luft i, kJ / kg tørr luft. For et mer praktisk arrangement av individuelle linjer tegnet på id - diagrammet, er det bygget i skrå koordinater, der abscisseaksen er tegnet i en vinkel på 135 ° til y-aksen.

Med denne oppstillingen av koordinataksene går linjene i=const, som skal være parallelle med x-aksen, på skrå. For å lette beregningene blir verdiene til d tatt ned til den horisontale koordinataksen.

Linjene d=const er i form av rette linjer parallelle med y-aksen, dvs. vertikalt. I tillegg er isotermene t C =const, t M =const (stiplede linjer i diagrammet) plottet på id.-diagrammet i linjen med konstante relative fuktighetsverdier (startende fra .=5% til =100 %). Linjer med konstante verdier for relativ fuktighet =const bygges bare opp til isotermen 100 °, dvs. inntil partialtrykket av damp i luften P P er mindre enn atmosfæretrykket P. I det øyeblikket P P blir lik P, disse linjene mister fysisk betydning, noe som kan sees fra ligning (10), der, ved P P = P, er fuktighetsinnholdet d=konst.

Kurven for konstant relativ fuktighet =100 % deler hele diagrammet i to deler. Den delen av den som ligger over denne linjen er et område med umettet fuktig luft der dampen er i en overopphetet tilstand. Delen av diagrammet under linjen =100 % er arealet med mettet fuktig luft.

Siden ved =100 % er avlesningene til tørre og våte termometre de samme, t C =t M , så skjærer isotermene t C =t M =konst på linjen =100 %.

For å finne et punkt på diagrammet som tilsvarer tilstanden til en gitt fuktig luft, er det nok å kjenne to av parametrene fra de som er vist i diagrammet. Når du utfører et eksperiment, er det tilrådelig å bruke de parameterne som er enklere og mer nøyaktig målt i eksperimentet. I vårt tilfelle er disse parametrene temperaturen til tørre og våte pærer.

Når man kjenner disse temperaturene, kan man finne skjæringspunktet for de tilsvarende isotermene på diagrammet. Punktet funnet på denne måten vil bestemme tilstanden til fuktig luft, og fra id - diagrammet kan du bestemme alle andre luftparametere: fuktighetsinnhold - d; relativ fuktighet -, luftentalpi -i; partielt damptrykk - R P, duggpunkttemperatur - t M.

VANNDAMP I ATMOSFÆREN

LUFTFUKTIGHET. KARAKTERISTIKKER PÅ INNHOLDET AV VANNDAMP I ATMOSFÆREN

Fuktighet er mengden vanndamp i atmosfæren. Vanndamp er en av de viktigste komponentene i jordens atmosfære.

Vanndamp kommer kontinuerlig inn i atmosfæren på grunn av fordampning av vann fra overflaten av reservoarer, jord, snø, is og vegetasjon, som i gjennomsnitt forbruker 23 % av solstrålingen som kommer til jordens overflate.

Atmosfæren inneholder i gjennomsnitt 1,29 1013 tonn fuktighet (vanndamp og flytende vann), som tilsvarer et 25,5 mm vannlag.

Luftfuktighet karakteriseres av følgende mengder: absolutt fuktighet, partialtrykk av vanndamp, metningsdamptrykk, relativ fuktighet, metningsunderskudd av vanndamp, duggpunkttemperatur og spesifikk fuktighet.

Absolutt fuktighet a (g / m3) - mengden vanndamp, uttrykt i gram, inneholdt i 1 m3 luft.

Partialtrykk (elastisitet) av vanndamp e - det faktiske trykket av vanndamp i luften, målt i millimeter kvikksølv (mm Hg), millibar (mb) og hektopascal (hPa). Trykket av vanndamp blir ofte referert til som absolutt fuktighet. Imidlertid kan disse forskjellige konseptene ikke forveksles, siden de reflekterer forskjellige fysiske mengder atmosfærisk luft.

Mettet vanndamptrykk, eller metningselastisitet, E er den maksimalt mulige verdien av partialtrykk ved en gitt temperatur; målt i samme enheter som e. Metningselastisiteten øker med økende temperatur. Dette betyr at luft ved høyere temperatur kan holde på mer vanndamp enn ved lavere temperatur.

Relativ fuktighet f er forholdet mellom partialtrykket av vanndamp inneholdt i luften og trykket til mettet vanndamp ved en gitt temperatur. Det er vanligvis uttrykt som en prosentandel til nærmeste heltall:

Relativ fuktighet uttrykker graden av metning av luften med vanndamp.

Vanndampmetningsunderskudd (metningsmangel) d er forskjellen mellom metningselastisiteten og den faktiske vanndampelastisiteten:

= E- e.

Metningsunderskuddet uttrykkes i samme enheter og med samme nøyaktighet som verdiene e og E. Når den relative fuktigheten øker, avtar metningsunderskuddet og ved / = 100% blir lik null.

Siden E avhenger av lufttemperaturen, og e - av innholdet av vanndamp i den, er metningsunderskuddet en kompleks verdi som gjenspeiler varme- og fuktighetsinnholdet i luften. Dette gjør det mulig å bruke metningsunderskuddet bredere enn andre fuktighetsegenskaper for å vurdere vekstforholdene til landbruksplanter.

Duggpunkt td (°C) - temperaturen der vanndampen i luften ved et gitt trykk når en metningstilstand i forhold til en kjemisk ren flat overflate av vann. Ved /= 100 % er den faktiske lufttemperaturen lik duggpunktet. Ved temperaturer under duggpunktet begynner kondensering av vanndamp med dannelse av tåke, skyer, og det dannes dugg, frost og frost på jordoverflaten og gjenstander.

Spesifikk fuktighet q (g / kg) - mengden vanndamp i gram inneholdt i 1 kg fuktig luft:

q= 622 e/R,

hvor e er elastisiteten til vanndamp, hPa; P er atmosfærisk trykk, hPa.

Spesifikk fuktighet tas i betraktning i zoometeorologiske beregninger, for eksempel ved bestemmelse av fordampning fra overflaten av luftveisorganene hos husdyr og ved bestemmelse av tilsvarende energikostnader.

ENDRINGER I KARAKTERISTIKKER AV LUFTFUKTIGHET I ATMOSFÆREN MED HØYDE

Den største mengden vanndamp finnes i de nedre luftlagene rett ved siden av den fordampende overflaten. Vanndamp trenger inn i de overliggende lagene som følge av turbulent diffusjon.

Inntrengningen av vanndamp inn i de overliggende lagene forenkles av det faktum at den er 1,6 ganger lettere enn luft (tettheten av vanndamp i forhold til tørr luft ved 0 "C er 0,622), derfor er luft anriket med vanndamp, da mindre tett, har en tendens til å stige oppover.

Fordelingen av vanndampelastisitet langs vertikalen avhenger av endringen i trykk og temperatur med høyden, på prosessene med kondensering og skydannelse. Derfor er det vanskelig å teoretisk etablere det nøyaktige mønsteret av endringer i elastisiteten til vanndamp med høyden.

Vanndampens partialtrykk avtar med høyden 4-5 ganger raskere enn atmosfærisk trykk. Allerede i en høyde på 6 km er partialtrykket av vanndamp 9 ganger mindre enn ved havnivå. Dette forklares med det faktum at vanndamp kontinuerlig kommer inn i overflatelaget av atmosfæren som følge av fordampning fra den aktive overflaten og dens diffusjon på grunn av turbulens. I tillegg synker lufttemperaturen med høyden, og det mulige innholdet av vanndamp begrenses av temperaturen, siden senking av den bidrar til metning av dampen og kondensering.

Nedgangen i damptrykk med høyden kan veksle med økningen. For eksempel, i et inversjonslag øker damptrykket vanligvis med høyden.

Relativ fuktighet er ujevnt fordelt langs vertikalen, men i gjennomsnitt avtar den med høyden. I atmosfærens overflatelag på sommerdager øker den noe med høyden på grunn av en rask nedgang i lufttemperaturen, begynner deretter å avta på grunn av en nedgang i tilførselen av vanndamp og øker igjen til 100 % i skydannelseslaget . I inversjonslag avtar den kraftig med høyden som følge av temperaturøkning. Relativ fuktighet endres spesielt ujevnt opp til en høyde på 2...3 km.

DAGLIG OG ÅRLIG VARIASJON AV LUFTFUKTIGHET

I atmosfærens overflatelag observeres en veldefinert daglig og årlig variasjon i fuktighetsinnhold, assosiert med de tilsvarende periodiske temperaturendringer.

Det daglige forløpet av vanndampelastisitet og absolutt fuktighet over hav, hav og i kystområder på land ligner på det daglige forløpet av vann og lufttemperatur: minimum før soloppgang og maksimum ved 14...15 timer. skyldes svært svak fordampning (eller fravær i det hele tatt) på denne tiden av dagen. I løpet av dagen, når temperaturen øker og følgelig fordampning, øker fuktighetsinnholdet i luften. Dette er det samme daglige løpet av vanndampelastisitet over kontinentene om vinteren.

I den varme årstiden, i dypet av kontinentene, har den daglige variasjonen av fuktighetsinnhold form av en dobbel bølge (fig. 5.1). Det første minimum inntreffer tidlig om morgenen sammen med temperaturminimum. Etter soloppgang stiger temperaturen på den aktive overflaten, fordampningshastigheten øker, og mengden vanndamp i den nedre atmosfæren øker raskt. Slik vekst fortsetter opp til 8-10 timer, mens fordampning råder over dampoverføring nedenfra til høyere lag. Etter 8-10 timer øker intensiteten av turbulent blanding, i forbindelse med at vanndamp raskt overføres oppover. Denne utstrømningen av vanndamp har ikke lenger tid til å kompenseres ved fordampning, som et resultat av at fuktighetsinnholdet og følgelig elastisiteten til vanndampen i overflatelaget avtar og når det andre minimum etter 15–16 timer. atmosfære ved fordampning pågår fortsatt. Damptrykket og den absolutte fuktigheten i luften begynner å øke og når det andre maksimum ved 20-22 timer. Om natten stopper fordampningen nesten, noe som resulterer i en reduksjon i vanndampinnholdet.

Det årlige forløpet av vanndampelastisitet og absolutt fuktighet faller sammen med det årlige forløpet av lufttemperatur både over havet og over land. På den nordlige halvkule observeres det maksimale fuktighetsinnholdet i luft i juli, minimum - i januar. For eksempel, i St. Petersburg er gjennomsnittlig månedlig damptrykk i juli 14,3 hPa, og i januar - 3,3 hPa.

Det daglige løpet av relativ fuktighet avhenger av damptrykket og metningselastisiteten. Med en økning i temperaturen på den fordampende overflaten, øker fordampningshastigheten, og følgelig øker e. Men E vokser mye raskere enn e, derfor med en økning i overflatetemperaturen, og med det lufttemperaturen, den relative fuktigheten avtar [se. formel (5.1)]. Som et resultat viser dens kurs nær jordoverflaten seg å være omvendt kurs av overflaten og lufttemperaturene: den maksimale relative fuktigheten oppstår før soloppgang, og minimum - klokken 15:00 (fig. 5.2). Dens daglige nedgang er spesielt uttalt over kontinentene om sommeren, når e nær overflaten avtar som et resultat av turbulent dampdiffusjon oppover, og på grunn av en økning i lufttemperaturen øker E. Derfor er amplituden til daglige svingninger i relativ fuktighet på kontinentene mye større enn over vannoverflater.

I det årlige kurset endres luftens relative fuktighet som regel også i motsatt retning av temperaturen. For eksempel, i St. Petersburg er gjennomsnittlig relativ fuktighet i mai 65%, og i desember - 88% (fig. 5.3). I regioner med monsunklima forekommer minimum relativ luftfuktighet om vinteren, og maksimum om sommeren på grunn av sommeroverføringen av masser av fuktig sjøluft til land: for eksempel i Vladivostok om sommeren /= 89%, om vinteren /= 68 %.

Forløpet av vanndampmetningsunderskuddet er parallelt med lufttemperaturforløpet. På dagtid er underskuddet størst ved 14-15 timer, og det minste - før soloppgang. I løpet av året har vanndampmetningsunderskuddet et maksimum i den varmeste måneden og et minimum i den kaldeste. I de tørre stepperegionene i Russland om sommeren klokken 13:00 observeres et metningsunderskudd på over 40 hPa årlig. I St. Petersburg er vanndampmetningsunderskuddet i juni i gjennomsnitt 6,7 hPa, og i januar - bare 0,5 hPa

LUFTFUKTIGHET I VEGETASJONSDEKK

Vegetasjonsdekke har stor innflytelse på luftfuktigheten. Planter fordamper en stor mengde vann og beriker dermed overflatelaget av atmosfæren med vanndamp; et økt fuktighetsinnhold i luften observeres i den sammenlignet med den nakne overflaten. Dette forenkles også av en reduksjon i vindhastigheten av vegetasjonsdekket, og følgelig den turbulente dampdiffusjonen. Dette er spesielt uttalt på dagtid. Damptrykket inne i kronene på trær på klare sommerdager kan være 2...4 hPa mer enn i det fri, i noen tilfeller til og med 6...8 hPa. Inne i agrofytocenoser er det mulig å øke elastisiteten til damp sammenlignet med dampfeltet med 6...11 hPa. Om kvelden og natten er vegetasjonens påvirkning på fuktighetsinnholdet mindre.

Vegetasjon har også stor innflytelse på relativ fuktighet. Så, på klare sommerdager, inne i avlingene av rug og hvete, er den relative luftfuktigheten 15 ... over bar jord. I avlinger observeres den høyeste relative fuktigheten på overflaten av jorda som er skyggelagt av planter, og den laveste - i det øvre nivået av blader (tabell 5.1). Vertikal fordeling av relativ fuktighet og metningsunderskudd

Underskuddet av vanndampmetning, henholdsvis, i avlinger er mye mindre enn over bar jord. Fordelingen er preget av en reduksjon fra det øvre bladlaget til det nedre (se tabell 5.1).

Det ble tidligere bemerket at vegetasjonsdekket i betydelig grad påvirker strålingsregimet (se kap. 2), temperaturen på jorda og luften (se kap. 3 og 4), og endrer dem betydelig sammenlignet med et åpent område, dvs. i en plante samfunn, sitt eget, spesielle meteorologiske regime - fytoklima. Hvor sterkt det kommer til uttrykk avhenger av art, habitus og alder på planter, plantetetthet, metode for såing (planting).

Påvirke fytoklimaet og værforholdene - i overskyet og klart vær er fytoklimatiske trekk mer uttalt.

VERDEN AV LUFTFUKTIGHET FOR LANDBRUKSPRODUKSJON

Vanndampen i atmosfæren er, som nevnt i kapittel 2, av stor betydning for å opprettholde varmen på jordoverflaten, siden den absorberer varmen som den utstråler. Fuktighet er et av værelementene som er avgjørende for landbruksproduksjonen.

Luftfuktighet har stor innflytelse på planten. Det bestemmer i stor grad intensiteten av transpirasjonen. Ved høy temperatur og lav luftfuktighet (/"< 30 %) транспирация резко увеличивается и у растений возникает большой недостаток воды, что отражается на их росте и развитии. Например, отмечается недоразвитие генеративных органов, задерживается цветение.

Lav luftfuktighet i blomstringsperioden fører til at pollen tørker ut og følgelig ufullstendig gjødsling, som i korn, for eksempel, forårsaker gjennom kornet. I løpet av kornfyllingsperioden fører overdreven tørrhet i luften til at kornet viser seg å være lite, utbyttet synker.

Luftens lave fuktighetsinnhold fører til småfrukter, bæravlinger, druer, dårlig legging av knopper for neste års avling og følgelig en reduksjon i utbytte.

Fuktighet påvirker også kvaliteten på avlingen. Det bemerkes at lav luftfuktighet reduserer kvaliteten på linfiber, men forbedrer bakekvaliteten til hvete, de tekniske egenskapene til linolje, sukkerinnholdet i frukt, etc.

Spesielt ugunstig er reduksjonen i luftens relative fuktighet med mangel på jordfuktighet. Hvis varmt og tørt vær varer lenge, kan plantene tørke ut.

En langvarig økning i fuktighetsinnhold (/> 80%) har også en negativ effekt på vekst og utvikling av planter. For høy luftfuktighet forårsaker en storcellet struktur av plantevev, som deretter fører til fastlegging av kornavlinger. I løpet av blomstringsperioden forhindrer slik luftfuktighet normal pollinering av planter og reduserer utbyttet, siden støvbærerne åpner seg mindre, flyet av insekter avtar.

Økt luftfuktighet forsinker begynnelsen av full kornmodning, øker fuktighetsinnholdet i korn og halm, noe som for det første påvirker driften av hogstmaskiner negativt, og for det andre krever ekstra kostnader for korntørking (tabell 5.2).

En nedgang i metningsunderskuddet til 3 hPa eller mer fører til nesten opphør av høsting på grunn av dårlige forhold.

I den varme årstiden bidrar økt luftfuktighet til utviklingen og spredningen av en rekke soppsykdommer i landbruksvekster (sen sykdom på poteter og tomater, mugg på druer, hvit råte av solsikke, ulike typer rust av kornavlinger, etc. ). Påvirkningen av denne faktoren øker spesielt med økende temperatur (tabell 5.3).

5.3. Antall planter av vårhvete Cesium 111 påvirket av smuts, avhengig av fuktighet og lufttemperatur

I varmebalansen til husdyr og mennesker er varmeoverføring forbundet med luftfuktighet. Ved lufttemperaturer under 10 ° C øker høy luftfuktighet varmeoverføringen til organismer, og ved høye temperaturer bremser den ned.

Vanndampegenskaper

Som en ekte gass betrakter vi vanndamp, som er mye brukt i mange grener av teknologi, og fremfor alt i termisk kraftteknikk, hvor det er den viktigste arbeidsvæsken. Derfor er studiet av de termodynamiske egenskapene til vann og vanndamp av stor praktisk betydning.

I alle områder av industriell produksjon er damper av forskjellige stoffer mye brukt: vann, ammoniakk, karbondioksid, etc. Av disse er vanndamp den mest brukte, som er arbeidsvæsken i dampturbiner, dampmotorer, kjernekraftverk, kjølevæske i ulike varmevekslere, etc. .

Prosessen med å endre et stoff fra flytende tilstand til gassform kalles fordampning. ved fordampning kalt fordampning, som alltid skjer ved hvilken som helst temperatur fra den frie overflaten til en væske eller et fast stoff. Fordampningsprosessen består i det faktum at individuelle molekyler overvinner tiltrekningen av nabomolekyler i høy hastighet og flyr ut i det omkringliggende rommet. Fordampningshastigheten øker med temperaturen på væsken.

Kokeprosessen består i det faktum at hvis varme tilføres væsken, ved en viss temperatur, avhengig av de fysiske egenskapene til arbeidsvæsken og trykk, skjer fordampingsprosessen både på væskens frie overflate og inne i den. .

Overgangen til et stoff fra en gassform til en flytende eller fast tilstand kalles kondensasjon. Kondensasjonsprosessen, så vel som fordampningsprosessen, fortsetter ved en konstant temperatur, hvis trykket ikke endres. Væsken som oppstår ved kondensering av damp kalles kondensat.

Prosessen der et fast stoff endres direkte til damp kalles sublimering. Den omvendte prosessen med overgang av damp til en fast tilstand kalles desublimering.

Fordampingsprosessen. Grunnleggende begreper og definisjoner. Vurder prosessen med å skaffe damp. For å gjøre dette legger vi 1 kg vann ved en temperatur på 0 ° C i en sylinder med et bevegelig stempel. La oss bruke litt konstant kraft på stempelet fra utsiden R. Da, med stempelområdet F, vil trykket være konstant og lik p = P/F. La oss skildre prosessen med fordampning, dvs. transformasjonen av et stoff fra en flytende tilstand til en gassform, i p, v diagram (fig. 14).

Ris. 14. Fordampingsprosessen i pv- diagram

Utgangstilstand for trykkvann R og som har en temperatur på 0 ° C, er avbildet på diagrammet med punktene a 1, a 2, a 3 . Når varme tilføres vann, stiger temperaturen gradvis til det når kokepunktet t s , tilsvarende dette trykket. I dette tilfellet reduseres først det spesifikke volumet av væsken, når en minimumsverdi ved t = 4°C, og begynner deretter å øke. (En slik anomali - en økning i tetthet ved oppvarming i et visst temperaturområde - få væsker har). For de fleste væsker øker det spesifikke volumet monotont ved oppvarming.) Tilstanden til væsken brakt til kokepunktet er avbildet i diagrammet med punktene b 1, b 2, b 3 .

Med en ytterligere tilførsel av varme begynner vann å koke med en sterk økning i volum. Sylinderen inneholder nå et tofaset medium - en blanding av vann og damp, kalt våt mettet damp. Mettet kalt damp, som er i termisk og dynamisk likevekt med væsken den er dannet av. Dynamisk likevekt er at antall molekyler som flyr ut av vannet inn i damprommet er lik antall molekyler som kondenserer på overflaten. I damprommet i denne likevektstilstanden er det maksimalt mulig antall molekyler ved en gitt temperatur. Når temperaturen øker, øker antallet molekyler med tilstrekkelig energi til å unnslippe damprommet. Likevekten gjenopprettes på grunn av en økning i damptrykket, noe som fører til en økning i dens tetthet og følgelig antall molekyler som kondenserer på overflaten av vann per tidsenhet. Det følger at trykket til en mettet damp er en monotont økende funksjon av dens temperatur, eller, hva er det samme, temperaturen til en mettet damp er en monotont økende funksjon av trykket.

Med en økning i volum over væskeoverflaten, som har en metningstemperatur, går en viss mengde væske over i damp, med en reduksjon i volum går "overflødig" damp igjen over i væske, men i begge tilfeller forblir damptrykket konstant .

Hvis fordampningen av en væske skjer i et ubegrenset rom, kan alt bli til damp. Hvis fordampningen av væsken skjer i et lukket kar, fyller molekylene som slipper ut av væsken det ledige rommet over den, mens noen av molekylene som beveger seg i damprommet over overflaten går tilbake til væsken. På et tidspunkt mellom fordampning og omvendt overgang av molekyler fra damp til væske, kan det oppstå en likhet der antall molekyler som forlater væsken er lik antall molekyler som går tilbake til væsken. I dette øyeblikket vil det maksimalt mulige antallet molekyler være i rommet over væsken. Damp i denne tilstanden antar en maksimal tetthet ved en gitt temperatur og kalles mettet.

Således kalles damp i kontakt med en væske og i termisk likevekt med den mettet. Med en endring i væskens temperatur blir likevekten forstyrret, noe som forårsaker en tilsvarende endring i tettheten og trykket til den mettede dampen.

En tofaseblanding, som er en damp med væskedråper suspendert i den, kallesvåt mettet damp. Dermed kan våt mettet vanndamp betraktes som en blanding av tørr mettet damp med små vanndråper suspendert i massen.

Massefraksjonen av tørr mettet damp i våt damp kalles graden av damptørrhet og er betegnet med bokstaven X. Massefraksjon av kokende vann i våt damp, lik 1- X, kalt fuktighetsgrad. For kokende væske x= 0, og for tørr mettet damp x= 1. Tilstanden til våt damp er preget av to parametere: trykk (eller metningstemperatur t s , som bestemmer dette trykket) og graden av damptørrhet.

Etter hvert som varme tilføres, avtar mengden av væskefasen, og dampfasen øker. Temperaturen på blandingen forblir uendret og lik t s , siden all varmen brukes på fordampning av væskefasen. Følgelig er prosessen med fordampning på dette stadiet isobarisk-isotermisk. Til slutt blir den siste vanndråpen til damp, og sylinderen er fylt med kun damp, som kalles tørrmettet.

Mettet damp, der det ikke er suspenderte partikler av væskefasen, kalles tørr mettet damp. Dets spesifikke volum og temperatur er funksjoner av trykk. Derfor kan tilstanden til tørr damp stilles inn av hvilken som helst av parameterne - trykk, spesifikt volum eller temperatur.

Dens tilstand er representert av punktene c 1 , c 2 , c 3 .

Prikker representerer overopphetet damp. Når varme gis til tørr damp ved samme trykk, vil temperaturen øke, dampen vil overopphetes. Punkt d (d 1 , d 2 , d 3) viser tilstanden til overopphetet damp og avhengig av temperaturen kan dampen ligge i forskjellige avstander fra punkt c.

På denne måten, overopphetet damp kalles, hvis temperatur overstiger temperaturen til mettet damp med samme trykk.

Siden det spesifikke volumet av overopphetet damp ved samme trykk er større enn for mettet damp, er det færre molekyler per volumenhet overopphetet damp, noe som betyr at den har lavere tetthet. Tilstanden til overopphetet damp, som enhver gass, bestemmes av to uavhengige parametere.

Prosessen med å oppnå tørr mettet damp ved konstant trykk er generelt avbildet av grafen abc, og overopphetet damp i det generelle tilfellet - av grafen abcd, mens ab er prosessen med å varme opp vann til kokepunktet, bc er prosessen med fordamping som skjer samtidig ved konstant trykk og ved konstant temperatur, dvs. prosessen bc er isobar og isoterm på samme tid, og til slutt er cd prosessen med overoppheting av damp ved konstant trykk, men ved økende temperatur. Mellom punktene b og c er det våt damp med ulike mellomverdier for tørrhetsgrad.

Kurve I for kaldt vann er representert av en linje parallelt med y-aksen, forutsatt at vann er inkompressibelt, og derfor er det spesifikke vannvolumet nesten uavhengig av trykk. Kurve II kalles nedre grensekurve, eller væskekurve, og kurve III kalles øvre grensekurve, eller tørr mettet dampkurve. Kurve II skiller området med væske fra området med mettet damp i diagrammet, og kurve III skiller området med mettet damp fra området med overopphetet damp.

Punktene a 1 , a 2 og a 3 , som viser tilstanden til 1 kg kaldt vann ved en temperatur på 0 ° C og forskjellige trykk, er plassert nesten på samme vertikal. Punktene b 1 , b 2 og b 3 skifter til høyre med økende trykk, siden koketemperaturene t H og følgelig også de spesifikke volumene av kokende vann øker tilsvarende. Punktene c 1 , c 2 og c 3 forskyves til venstre, så med en økning i trykket avtar det spesifikke volumet av damp til tross for en økning i temperaturen.

Det kan sees fra pv-diagrammet at med økende trykk kommer punktene b 1, b 2 og b 3 og c 1 med 2 og med 3 nærmere, dvs. forskjellen i de spesifikke volumene av tørr mettet damp og kokende vann avtar gradvis (segmenter bc). Til slutt, ved et visst trykk, blir denne forskjellen lik null, dvs. punktene b og c faller sammen, og linjene II og III konvergerer. Møtepunktet for begge kurvene kalles det kritiske punktet og er betegnet med bokstaven k. Tilstanden som tilsvarer punktet k kalles den kritiske tilstanden.

Parametrene til vanndampen i den kritiske tilstanden er som følger: trykk p k = 225,65 ata; temperatur t \u003d 374,15 ° C, spesifikt volum v K \u003d 0,00326 m 3 / kg.

På det kritiske punktet har kokende vann og damp de samme tilstandsparametrene, og en endring i aggregeringstilstanden er ikke ledsaget av en endring i volum. Med andre ord, i den kritiske tilstanden forsvinner den betingede grensen som skiller disse to fasene av materie. Ved temperaturer over den kritiske (t > t K) kan ikke overopphetet damp (gass) gjøres om til væske ved noen trykkøkning.

Den kritiske temperaturen er den maksimalt mulige temperaturen for sameksistensen av to faser: væske og mettet damp. Ved temperaturer over den kritiske er kun én fase mulig. Navnet på denne fasen (flytende eller overopphetet damp) er til en viss grad vilkårlig og bestemmes vanligvis av temperaturen. Alle gasser er svært overopphetet over T cr-par. Jo høyere overhetingstemperatur (ved et gitt trykk), jo nærmere egenskapene til dampen er en ideell gass.

Vann, vanndamp og deres egenskaper

Vann- det vanligste stoffet på jorden, er en kjemisk kombinasjon av hydrogen og oksygen. Vann er et utmerket løsningsmiddel, og derfor er alt naturlig vann løsninger som inneholder forskjellige stoffer - salter, gasser og andre urenheter.
Vann og vanndamp er mest brukt i industrien som arbeidsvæske og kjølevæske. Dette skyldes først og fremst tilgjengeligheten på grunn av fordeling av vann i naturen, samt at vann og vanndamp har relativt gode termodynamiske egenskaper.
Så den spesifikke varmekapasiteten til vann er høyere sammenlignet med mange væsker og faste stoffer (når temperaturen stiger til kokepunktet, dvs. i temperaturområdet 0 ... 100 ° C ved atmosfærisk trykk c \u003d 4,19 kJDkg-K) ). I motsetning til andre flytende og faste legemer, øker den termiske ledningsevnen til vannet avhengig av trykket med en økning i temperaturen til 120 ... 140 ° C, og avtar med en ytterligere økning i temperaturen. Den høyeste tettheten av vann (1000 g/cm3) nås ved 4°C. Smeltepunkt (issmelting) 0 °С.
Endringen i aggregeringstilstanden av vann fra flytende til gassformig kalles fordampning, og fra gassformig til flytende - kondensasjon.
Transformasjonen av flytende vann til damp - fordampning - er mulig under fordampning og når vann koker.
Fordampning av vann - prosessen med fordampning ved løsgjøring og fordampning av vannmolekyler fra dens åpne overflate, som skjer ved en temperatur under kokepunktet ved et gitt trykk. Når de fordamper fra overflaten av væsken, brytes molekyler bort og flyr bort, etter å ha økt i forhold til likevektsverdien til bevegelseshastighetene, som et resultat av at gjennomsnittshastigheten til molekylene i væskemassen avtar og, ettersom som et resultat synker temperaturen på hele vannmassen.
Når det tilføres varme til den flytende massen, dvs. når vannet varmes opp, øker temperaturen og fordampningshastigheten, og det kommer et øyeblikk tilsvarende visse verdier for temperatur og trykk, når fordampningen begynner i vannvolumet - vannet koker.
Kokende vann er en prosess med intensiv fordampning, ikke bare på den frie overflaten, men også inne i de resulterende dampboblene, ved en viss temperatur for vannoppvarming, kalt kokepunktet. Ved atmosfærisk trykk er kokepunktet omtrent 100°C, med økende trykk stiger kokepunktet.
Mengden varme som må rapporteres til 1 kg vann for transformasjon fra flytende tilstand til damptilstand ved kokepunktet kalles den latente fordampningsvarmen r. Med økende trykk avtar den latente fordampningsvarmen (tabell 1.1).

Kondensasjon- den omvendte prosessen med å konvertere damp til væske. Denne væsken kalles kondensat. Denne prosessen er ledsaget av frigjøring av varme. Mengden varme som frigjøres under kondenseringen av 1 kg damp kalles dampkondensasjonsvarmen, den er numerisk lik den latente fordampningsvarmen.

vanndamp- vann i gassformig aggregeringstilstand. Vanndamp med maksimal tetthet ved et gitt trykk kalles mettet. Mettet er damp som er i termodynamisk likevekt med væskefasen, dvs. har samme temperatur og trykk som kokende vann. Mettet vanndamp kan være våt eller tørr. I volumet av våt mettet damp, i form av bittesmå dråper, er det vann, som dannes når skallene til dampbobler brytes. Tørr mettet damp inneholder ikke vanndråper, den er preget av metningstemperatur. Egenskapene til mettet damp (tetthet, spesifikk varmekapasitet, etc.) bestemmes kun av trykk. Damp hvis temperatur for et visst trykk overstiger temperaturen til mettet damp kalles overopphetet. Temperaturforskjellen mellom overhetet og tørr mettet damp ved samme trykk kalles dampoverheting.
Forholdet mellom massen av tørr mettet damp og massen av våt mettet damp kalles dampinnholdet, eller tørrhetsgraden til damp x. Denne viktige egenskapen til våt mettet vanndamp bestemmer andelen damp i damp-vannblandingen, der y er andelen væske:
X = 1 - y.
Separasjonen av vanndråper fra damp kalles separasjon, og enheter designet for dette formålet kalles separatorer.
Entalpien til våt mettet damp hx, kJ/kg, uttrykkes i form av tørrhetsgrad som følger:
hx= h" + rx,
hvor h "er entalpien til vann ved kokepunktet, kJ / kg.
Tabell 1.1
Egenskaper til vann og tørr mettet damp avhengig av trykk

Entalpi av overopphetet damp/gpp, kJ/kg: