Termodinamični proces (toplotni proces) – sprememba makroskopskega stanja termodinamičnega sistema. Če je razlika med začetnim in končnim stanjem sistema neskončno majhna, potem se tak proces imenuje elementaren (infinitezimalen).
Sistem, v katerem poteka toplotni proces, se imenuje delovna tekočina.
Toplotne procese lahko razdelimo na ravnotežne in neravnovesne. Ravnotežni proces je proces, pri katerem so vsa stanja, skozi katera prehaja sistem, ravnotežna stanja. Takšen proces se približno realizira v primerih, ko se spremembe dogajajo precej počasi, torej je proces kvazistatičen.
Toplotne procese lahko razdelimo na reverzibilne in ireverzibilne. Reverzibilen je proces, ki se lahko izvaja v nasprotni smeri skozi vsa ista vmesna stanja.
Vrste toplotnih procesov:
Adiabatni proces - brez izmenjave toplote z okoljem. okolje;
Izohorni proces - poteka pri konstantnem volumnu;
Izobarični proces - poteka pri konstantnem tlaku;
Izotermičen proces - poteka pri konstantni temperaturi;
Izoentropski proces - poteka pri konstantni entropiji;
Izentalpijski proces - poteka pri konstantni entalpiji;
Politropni proces - poteka pri konstantni toplotni kapaciteti.
Mendelejev-Clayperonova enačba (enačba stanja idealnega plina):
PV = nRT, kjer je n število molov plina, P je tlak plina, V je prostornina plina, T je temperatura plina, R je univerzalna plinska konstanta
Izoprocesi idealnega plina. Njihova podoba v p - V diagrami.
1) Izobarični proces p = const, V/T = const
2) Izohorni proces V = konst, p/T = konst
3) Izotermičen proces T = const, pV = const
Termodinamični procesi. Mendelejev-Clapeyronova enačba. Izoprocesi idealnega plina. Njihova podoba na R-Vdiagrami.
Termodinamični procesi. Skupek spreminjajočih se stanj delovne tekočine imenujemo termodinamični proces.
Idealni plin je namišljeni plin, ki ga preučuje termodinamika, v katerem ni sil medmolekularnega privlačenja in odbijanja, same molekule pa so materialne točke brez volumna. Mnogi realni plini so po svojih fizikalnih lastnostih zelo blizu idealnemu plinu.
Glavni procesi v termodinamiki so:
izohorično, ki teče s konstantnim volumnom;
izobarično teče pri konstantnem tlaku;
izotermično, ki se pojavlja pri stalni temperaturi;
adiabatski, v katerem ni izmenjave toplote z okoljem;
Izohorni proces
Pri izohornem procesu je pogoj izpolnjen v= konst.
Iz enačbe stanja idealnega plina ( pv=RT) sledi:
p/T=R/v= konst,
to pomeni, da je tlak plina neposredno sorazmeren z njegovo absolutno temperaturo:
str 2 /str 1 =T 2 /T 1 .
Delo raztezanja v izohornem procesu je nič ( l= 0), saj se prostornina delovne tekočine ne spremeni (Δ v= konst).
Količina toplote, ki se dovaja delovni tekočini v procesu 1-2 at cv
q=cv(T 2 -T 1 ).
Ker l= 0, potem na podlagi prvega zakona termodinamike Δ u=q, kar pomeni, da lahko spremembo notranje energije določimo s formulo:
Δ u=cv(T 2 -T 1 ).
Sprememba entropije v izohornem procesu je določena s formulo:
s 2 -s 1 = Δ s = cv ln( str 2 /str 1 ) = cv ln( T 2 /T 1 ).
Izobarični proces
Proces, ki poteka pri konstantnem tlaku, se imenuje izobaričen. str= konst. Iz enačbe stanja idealnega plina sledi:
v/ T=R/ str=konst
v 2 /v 1 =T 2 /T 1 ,
to pomeni, da je v izobaričnem procesu prostornina plina sorazmerna z njegovo absolutno temperaturo.
Delo bo enako:
l=str(v 2 – v 1 ).
Ker pv 1 =RT 1 in pv 2 =RT 2 , To
l=R(T 2 – T 1 ).
Količina toplote pri cstr= const se določi s formulo:
q=cstr(T 2 – T 1 ).
Sprememba entropije bo enaka:
s 2 -s 1 = Δ s = cstr ln( T 2 /T 1 ).
Izotermični proces
Pri izotermnem procesu temperatura delovne tekočine ostane konstantna T= const, torej:
pv = RT= konst
str 2 / str 1 =v 1 / v 2 ,
to pomeni, da sta tlak in prostornina med seboj obratno sorazmerna, tako da med izotermično kompresijo tlak plina narašča, med ekspanzijo pa pada.
Delo postopka bo enako:
l=RT ln( v 2 – v 1 ) =RT ln( str 1 -str 2 ).
Ker temperatura ostane konstantna, ostane notranja energija idealnega plina v izotermnem procesu konstantna (Δ u= 0) in vsa toplota, dovedena delovni tekočini, se popolnoma pretvori v ekspanzijsko delo:
q=l.
Pri izotermnem stiskanju se delovni tekočini odvzame toplota v količini, ki je enaka delu, porabljenemu za stiskanje.
Sprememba entropije je:
s 2 -s 1 = Δ s=R ln( str 1 /str 2 ) =R ln( v 2 /v 1 ).
Adiabatski proces
Adiabat je proces spreminjanja stanja plina, ki se pojavi brez izmenjave toplote z okoljem. Od d q= 0, potem bo enačba prvega zakona termodinamike za adiabatni proces imela obliko:
d u+str d v= 0
Δ u+l= 0,
torej
Δ u= -l.
V adiabatnem procesu se delo raztezanja izvaja le s porabo notranje energije plina, med stiskanjem, ki nastane zaradi delovanja zunanjih sil, pa gre vse delo, ki ga opravijo, za povečanje notranje energije plina. .
Toplotno kapaciteto pri adiabatnem procesu označimo z c pekel in stanje d q= 0 izrazimo kot sledi:
d q=c pekel d T= 0.
Ta pogoj pomeni, da je toplotna kapaciteta v adiabatnem procesu nič ( c pekel = 0).
Znano je, da
zstr/cv =k
in enačba adiabatnega procesa (adiabatne) krivulje v p, v- diagram izgleda takole:
pvk= konst.
V tem izrazu k se imenuje adiabatni indeks(imenovano tudi Poissonovo razmerje).
Vrednosti adiabatnega indeksa k za nekatere pline:
k zrak = 1,4
k pregreta para = 1,3
k izpušni plini motorjev z notranjim zgorevanjem = 1,33
k nasičena mokra para = 1,135
Iz prejšnjih formul sledi:
l= - Δ u = cv(T 1 – T 2 );
i 1 – i 2 = cstr(T 1 – T 2 ).
Tehnično delo adiabatnega procesa ( l techn) je enaka razliki med entalpijami začetka in konca procesa ( i 1 – i 2 ).
Imenuje se adiabatni proces, ki poteka brez notranjega trenja v delovni tekočini izentropsko. IN T, s-v diagramu je prikazan kot navpična črta.
Običajno se pravi adiabatni procesi pojavijo ob prisotnosti notranjega trenja v delovni tekočini, zaradi česar se vedno sprošča toplota, ki se prenaša na samo delovno tekočino. V tem primeru d s> 0 in postopek se pokliče pravi adiabatski proces.
Mendelejev-Clapeyronova enačba
Plini so pogosto reaktanti in produkti v kemičnih reakcijah. Ni jih vedno mogoče doseči, da bi reagirali med seboj v normalnih pogojih. Zato se morate naučiti, kako določiti število molov plinov v pogojih, ki niso običajni.
Za to uporabljajo enačba stanja idealnega plina(imenovana tudi Clapeyron-Mendelejeva enačba):
PV = n RT
kje n– število molov plina;
P – tlak plina (na primer in bankomat;
V – prostornina plina (v litrih);
T – temperatura plina (v kelvinih);
R – plinska konstanta (0,0821 l bankomat/mol K).
Na primer, v 2,6-litrski bučki je kisik pri tlaku 2,3 bankomat in temperaturo 26 o C. Vprašanje: koliko molov O 2 je v bučki?
Iz plinskega zakona najdemo potrebno število molov n:
Ne smemo pozabiti pretvoriti temperature iz stopinj Celzija v Kelvine: (273 o C + 26 o C) = 299 K. Na splošno, da ne bi naredili napak pri takšnih izračunih, morate skrbno spremljati dimenzijo vrednosti nadomestiti v Clapeyron-Mendelejevo enačbo. Če je tlak podan v mm živega srebra, ga morate pretvoriti v atmosfere na podlagi razmerja: 1 bankomat= 760 mm Hg. Art. Tlak, naveden v paskalih (Pa), je mogoče pretvoriti tudi v atmosfere na podlagi dejstva, da je 101325 Pa = 1 bankomat.
Vstopnica 16
Izpeljava osnovne enačbe molekularne kinetične teorije. Število prostostnih stopinj molekule. Zakon porazdelitve energije po prostostnih stopnjah.
Izpeljava osnovne enačbe MKT.
Število prostostnih stopinj molekule. Zakon porazdelitve energije po prostostnih stopnjah.
Vstopnica 17.
Prvi zakon termodinamike. Delovanje plina pri spremembi volumna. Izračunajte delo izotermnega raztezanja plina.
Količina toplote, ki ga prejme sistem, spremeni svojo notranjo energijo in opravi delo proti zunanjim silam
Sprememba notranje energije sistema pri njegovem prehodu iz enega stanja v drugo je enaka vsoti dela zunanjih sil in količine toplote, ki je bila prenesena sistemu, torej je odvisna le od začetnega in končnega stanja. sistema in ni odvisen od načina izvedbe tega prehoda. V cikličnem procesu se notranja energija ne spreminja.
Delo med izotermično ekspanzijo plina se izračuna kot površina slike pod grafom procesa.
Vstopnica 18.
Toplotna kapaciteta idealnega plina.
Če se zaradi izmenjave toplote na telo prenese določena količina toplote, se notranja energija telesa in njegova temperatura spremenita. Količina toplote Q, potrebna za segrevanje 1 kg snovi za 1 K, se imenuje specifična toplotna kapaciteta snovi c. c = Q / (mΔT).
kjer je M molska masa snovi.
Tako določena toplotna kapaciteta ni enoznačna lastnost snovi. Po prvem zakonu termodinamike sprememba notranje energije telesa ni odvisna samo od količine prejete toplote, ampak tudi od dela, ki ga telo opravi. Glede na pogoje, pod katerimi je potekal proces prenosa toplote, lahko telo opravlja različno delo. Zato lahko enaka količina toplote, prenesena na telo, povzroči različne spremembe njegove notranje energije in posledično temperature.
Ta dvoumnost pri določanju toplotne kapacitete je značilna le za plinaste snovi. Ko se tekočine in trdne snovi segrejejo, se njihova prostornina praktično ne spremeni in delo ekspanzije se izkaže za nič. Zato gre celotna količina toplote, ki jo prejme telo, za spremembo njegove notranje energije. Za razliko od tekočin in trdnih snovi lahko plin med prenosom toplote močno spremeni svojo prostornino in opravi delo. Zato je toplotna kapaciteta plinaste snovi odvisna od narave termodinamičnega procesa. Običajno se upoštevata dve vrednosti toplotne kapacitete plinov: C V – molarna toplotna kapaciteta v izohornem procesu (V = const) in C p – molarna toplotna kapaciteta v izobaričnem procesu (p = const).
V procesu pri konstantni prostornini plin ne opravi nobenega dela: A = 0. Iz prvega zakona termodinamike za 1 mol plina sledi
kjer je ΔV sprememba volumna 1 mola idealnega plina, ko se njegova temperatura spremeni za ΔT. Iz tega sledi:
kjer je R univerzalna plinska konstanta. Za p = konst
Tako ima razmerje, ki izraža razmerje med molskima toplotnima kapacitetama C p in C V obliko (Mayerjeva formula):
|
C p = C V + R. |
Molarna toplotna kapaciteta C p plina v procesu s konstantnim tlakom je vedno večja od molske toplotne kapacitete C V v procesu s konstantnim volumnom
Razmerje toplotnih kapacitet v procesih s stalnim tlakom in konstantnim volumnom ima v termodinamiki pomembno vlogo. Označujemo ga z grško črko γ.
Vstopnica 19.
Carnotov cikel. Toplotni in hladilni stroji. Učinkovitost Carnotovega cikla.
V termodinamiki Carnotov cikel oz Carnotov postopek je reverzibilen krožni proces, sestavljen iz dveh adiabatskih in dveh izotermičnih procesov. V Carnotovem procesu termodinamični sistem opravlja mehansko delo in izmenjuje toploto z dvema toplotnima rezervoarjema, ki imata konstantni, a različni temperaturi. Rezervoar z višjo temperaturo imenujemo grelec, rezervoar z nižjo temperaturo pa hladilnik.
Carnotov cikel je dobil ime po francoskem znanstveniku in inženirju Sadiju Carnotu, ki ga je prvi opisal v svojem eseju "O gibalni sili ognja in o strojih, ki so sposobni razviti to silo" leta 1824.
Ker se reverzibilni procesi lahko odvijajo le pri neskončno majhni hitrosti, je moč toplotnega stroja v Carnotovem ciklu enaka nič. Moč realnih toplotnih strojev ne more biti enaka nič, zato se lahko realni procesi idealnemu reverzibilnemu Carnotovemu procesu približajo le z večjo ali manjšo stopnjo natančnosti. V Carnotovem ciklu toplotni stroj pretvarja toploto v delo z največjim možnim izkoristkom med vsemi toplotnimi stroji, katerih največja in najnižja temperatura v delovnem ciklu sovpadata s temperaturo grelnika in hladilnika v Carnotovem ciklu.
Naj toplotni motor sestoji iz grelnika s temperaturo Tn, hladilnika s temperaturo Tx in delovna tekočina.
Carnotov cikel je sestavljen iz štirih reverzibilnih stopenj, od katerih se dve odvijata pri konstantni temperaturi (izotermično) in dve pri konstantni entropiji (adiabatno). Zato je priročno predstaviti Carnotov cikel v koordinatah T (temperatura) In S (entropija).
1. Izotermna ekspanzija(na sliki 1 - proces A→B). Na začetku procesa ima delovna tekočina temperaturo Tn, to je temperaturo grelnika. Telo nato pride v stik z grelcem, ki izotermno (pri konstantni temperaturi) prehaja nanj. količino toplote Q. Ob tem se poveča prostornina delovne tekočine, ta opravlja mehansko delo in njena entropija se poveča.
2. Adiabatna ekspanzija(na sliki 1 - proces B→C). Delovna tekočina je ločena od grelnika in se še naprej širi brez izmenjave toplote z okoljem. V tem primeru se telesna temperatura zniža na temperaturo hladilnika Tx, telo opravi mehansko delo, entropija pa ostane konstantna.
3. Izotermna kompresija(na sliki 1 - proces B→G). Delovna tekočina, ki ima temperaturo Tn, pride v stik s hladilnikom in se pod delovanjem zunanje sile začne izotermno stiskati, pri čemer se na telo odda količina toplote Q, njegova entropija se zmanjša .
4. Adiabatna kompresija(na sliki 1 - proces G→A). Delovna tekočina je ločena od hladilnika in stisnjena pod vplivom zunanje sile brez izmenjave toplote z okoljem. Hkrati se njegova temperatura poveča na temperaturo grelca, na telo se opravi delo, njegova entropija ostane konstantna.
Povratni Carnotov cikel
IN termodinamika hladilnih agregatov in toplotnih črpalk razmišljajo obratni Carnotov cikel, ki ga sestavljajo naslednje stopnje: adiabatna kompresija zaradi dela (na sliki 1 - proces B→B); izotermna kompresija s prenosom toplote v bolj ogret toplotni rezervoar (na sliki 1 - proces B→A); adiabatna ekspanzija (na sliki 1 - proces A→G); izotermna ekspanzija z odvzemom toplote iz hladnejšega toplotnega rezervoarja (na sliki 1 - proces Г→В).
Vstopnica 20.
Drugi zakon termodinamike. Entropija. Tretji zakon termodinamike.
Drugi zakon termodinamike- fizikalni princip, ki omejuje smer procesov, ki se lahko zgodijo v termodinamični sistemi.
Drugi zakon termodinamike prepoveduje t.i večni gibali druge vrste, ki prikazuje to učinkovitost ne more biti enaka ena, saj za krožni proces temperatura hladilnika ne more biti enaka absolutni nič (nemogoče je zgraditi zaprt cikel, ki poteka skozi točko z ničelno temperaturo).
Drugi zakon termodinamike je postulat, ni dokazljivo v okviru klasične termodinamika. Nastala je na podlagi posplošitve eksperimentalnih dejstev in prejela številne eksperimentalne potrditve.
PostulatClausius : Nemogoč je krožni proces, katerega edini rezultat je prenos toplote z manj segretega telesa na bolj segreto. (ta postopek se imenuje Clausiusov proces).
PostulatThomson (Kelvin) : »Nemogoč je krožni proces, katerega edini rezultat bi bila proizvodnja dela s hlajenjem hranilnika toplote«(ta postopek se imenuje Thomsonov postopek).
Entropija izoliranega sistema se ne more zmanjšati" (zakon nepadajoče entropije ).
Ta formulacija temelji na ideji entropije kot državne funkcije sistem, kar je treba tudi postulirati.
V stanju z največjo entropijo so makroskopski ireverzibilni procesi (in proces prenosa toplote je zaradi Clausiusovega postulata vedno ireverzibilen) nemogoči.
Tretji zakon termodinamike (Nernstov izrek) - fizični princip, ki določa vedenje entropija pri približevanju temperatura Za absolutna ničla. Je eden od postulatov termodinamika, sprejeto na podlagi posplošitve znatne količine eksperimentalnih podatkov.
Tretji zakon termodinamike je mogoče formulirati na naslednji način:
"Povečanje entropije pri temperaturi absolutne ničle teži k končni meji, neodvisno od ravnotežnega stanja, v katerem je sistem".
Tretji zakon termodinamike velja le za ravnovesna stanja.
Ker je na podlagi drugega zakona termodinamike entropijo mogoče določiti le do poljubne aditivne konstante (to pomeni, da se ne določa sama entropija, temveč le njena sprememba). Za natančno določitev entropije je mogoče uporabiti tretji zakon termodinamike. V tem primeru velja, da je entropija ravnotežnega sistema pri temperaturi absolutne ničle enaka nič.
Tretji zakon termodinamike nam omogoča, da najdemo absolutno vrednost entropije, česar v okviru klasične termodinamike (na podlagi prvega in drugega zakona termodinamike) ni mogoče storiti.
Termodinamična entropija S, ki se pogosto preprosto imenuje entropija, - fizikalna količina, ki se uporablja za opisovanje termodinamični sistem, eden glavnih termodinamične količine. Entropija je državno funkcijo in se pogosto uporablja v termodinamika, vključno z kemična.
Preberite tudi:
|
Vodna para se proizvaja v parnih kotlih različnih izvedb in zmogljivosti. Proces tvorbe pare v kotlih običajno poteka pri konstantnem tlaku, tj. za p = konst.
Pv diagram.
Razmislimo o značilnostih postopka uparjanja. Recimo, da je 1 kg vode pri temperaturi 0 °C v valjasti posodi z batom, na katerega deluje obremenitev, ki povzroča tlak p 1 (Slika 1.). Pri temperaturi 0°C prevzeta količina vode zavzame prostornino v 0 . Na p-v diagramu (slika 2) 
to stanje vode bo prikazano s točko a 1. Začnimo postopoma, pri čemer ohranjamo konstanten tlak p 1, segrevati vodo, ne da bi z nje odstranili bat in težo. Hkrati se bo njegova temperatura povečala, njegova prostornina pa se bo nekoliko povečala. Pri določeni temperaturi t H1 (vrelišče) voda zavre.
Nadaljnje dodajanje toplote ne poveča temperature vrele vode, povzroči pa, da se voda postopoma spremeni v paro, dokler vsa voda ne izhlapi in v posodi ostane samo para. Začetek procesa vrenja je prostornina v’ 1; stanje pare – v 1 ''. Postopek segrevanja vode od 0 do t n1 bo prikazan na izobarnem diagramu a 1 - v’ 1.
Obe fazi - tekoča in plinasta - sta v danem trenutku v medsebojnem ravnotežju. Hlapi, ki so v ravnotežju s tekočino, iz katere nastanejo, se imenujejo nasičena para; če ne vsebuje tekoče faze, se imenuje suho nasičeno; če vsebuje tudi tekočo fazo v obliki drobnih delcev, potem se imenuje moist rich in samo nasičena para.
Za presojo vsebnosti vode in suhe nasičene pare v mokri pari termodinamika uporablja koncept stopnja suhosti ali samo suha para. Stopnja suhosti (suhosti) pare se razume kot masa suhe pare, ki jo vsebuje enota mase mokre pare, to je mešanice pare in vode. Stopnjo suhosti pare označujemo s črko x in izraža delež suhe nasičene pare v mokri pari. Očitno vrednost (1-x) predstavlja maso vode na enoto mase mešanice pare in vode. Ta količina se imenuje vlažnost pare. Ko nastane para, se bo vrednost stopnje suhosti pare povečala z 0 na 1, vsebnost vlage v pari pa se bo zmanjšala z 1 na 0.
Nadaljujmo z ogledom postopka. Če se toplota še naprej prenaša na suho nasičeno paro, ki zavzema prostornino v 1 "v posodi, se pri stalnem tlaku njena temperatura in prostornina povečata. Povišanje temperature pare nad temperaturo nasičenja se imenuje pregrevanje pare. Pregretje pare je določeno s temperaturno razliko med pregreto in nasičeno paro, tj. vrednost ∆t = t - t n1. Na sl. 1, d prikazuje položaj bata, pri katerem je para pregreta na temperaturo, ki ustreza specifični prostornini v 1. Na p-v diagramu je proces pregrevanja pare prikazan s segmentom v 1 "- v 1.
T-s grafikon.
Razmislimo, kako se procesi segrevanja vode, nastajanja pare in pregrevanja pare prikazujejo v T-s koordinatnem sistemu, imenovanem T-s diagram.
Za tlak p 1 (slika 3) 
ogrevalna krivulja vode od 0 ºС je omejena s segmentom a-b 1, na katerem točka b 1 ustreza vrelišču t h1. Ko doseže to temperaturo, gre proces uparjanja iz izobarnega v izobarično-izotermni, kar je prikazano kot vodoravna črta na T-s diagramu.
Očitno je za tlake p 2< p 3 < p 4 и т.д., превышающих p 1 , точки b 2 , b 3 , b 4 и т.д., располагающиеся на нижней пограничной кривой а-Ки соответствующие температурам кипения t н2 , t н3 , t н4 (на рисунке показаны соответствующие абсолютные температуры), будут помещаться выше точки b 1 и притом тем выше, чем больше давление, при котором происходит процесс нагрева воды.
Dolžine segmentov b 1 -с 1 , b 2 -с 2, b 3 -с 3 itd., ki označujejo spremembe entropije med procesom uparjanja, so določene z vrednostjo r/T n.
Točke c 2, c 3, c 4 itd., ki odražajo konec procesa uparjanja, skupaj tvorijo zgornjo mejno krivuljo z 1 -K. Obe mejni krivulji se zbližata v kritični točki TO.
Območje diagrama med izobaro a-c in mejnimi krivuljami ustreza različnim stanjem mokre pare.
Vrstica a-a 2 prikazuje proces uparjanja pri tlaku, ki presega kritičnega. Točke d 1, d 2 itd. na krivuljah pregrevanja pare so določene s temperaturami pregrevanja (T 1, T 2 itd.).
Območja, ki se nahajajo pod ustreznimi odseki teh črt, izražajo količino toplote, ki je v teh procesih dodeljena vodi (ali pari). V skladu s tem, če zanemarimo vrednost pv 0 , potem glede na 1 kg delovne tekočine površina a-b 1 -1-0 ustreza vrednosti h" , območje b 1 -c 1 -2-1– v vrednosti r in območje c 1 -d 1 -3-2 v vrednosti q = c RT (t 1 – t n). Celotna površina a-b 1 -c 1 -d 1 -3-0 ustreza vsoti h" + r + c RT (t 1 – t n) = h, to je entalpija pare, pregrete na temperaturo t 1 .
h-S diagram vodne pare.
Za praktične izračune se običajno uporablja h-S diagram vodne pare. Diagram (slika 4) 
je graf, izrisan v h-S koordinatnem sistemu ,
na kateri so narisane številne izobare, izohore, izoterme, mejne krivulje in črte stalne stopnje suhosti pare.
Ta diagram je sestavljen na naslednji način. Glede na različne vrednosti entropije za dani tlak se iz tabel najdejo ustrezne vrednosti entalpije in iz njih v koordinatnem sistemu h-S v merilu točko za točko izriše ustrezna krivulja tlaka - izobara. Če nadaljujemo na enak način, se konstruirajo izobare za druge tlake.
Mejne krivulje so izdelane točko za točko, pri čemer se iz tabel najdejo vrednosti za različne pritiske s" in s" in ustrezne vrednosti h" in h" .
Če želite zgraditi izotermo za katero koli temperaturo, morate iz tabel najti niz vrednosti h in S za različne tlake pri izbrani temperaturi.
Izohore so narisane na diagramih T-s in h-S z uporabo parnih tabel, z njihovo uporabo pa najdemo ustrezne vrednosti s in T za iste specifične količine pare . Na sl. 3. Diagram h-S je prikazan shematsko in brez izohor , zgrajeno od izvora. Ker se diagram h-S uporablja v toplotnih izračunih, pri katerih je del diagrama, ki pokriva območje zelo vlažne pare (x< 0,5) не приходится, для практических целей обычно левую нижнюю часть при построении диаграммы отбрасывают.
Prikazano na sl. 4. Izobara O-C, ki ustreza tlaku v trojni točki, poteka skozi izhodišče koordinat pri najmanjšem naklonu in omejuje območje mokre pare od spodaj. Območje diagrama, ki se nahaja pod to izobaro, ustreza različnim stanjem mešanice pare in ledu; območje, ki se nahaja med izobaro O-C in mejnimi krivuljami - do različnih stanj vlažne nasičene pare; območje nad zgornjo mejno krivuljo je za stanja pregrete pare, območje nad spodnjo mejno krivuljo pa za stanja vode.
Diagrami T-S-, P-v- in h-s-stanja vodne pare se uporabljajo pri inženirskih izračunih parnih elektrarn in parnih turbin.
Parna elektrarna (SPE) je zasnovana za proizvodnjo pare in električne energije. PSU predstavlja Rankinov cikel. Diagram p-v in T-S predstavlja ta cikel v (Sliki 5 in 6) 
oz.
1-2 – adiabatna ekspanzija pare v parni turbini do tlaka v kondenzatorju p 2;
2-2 " – kondenzacija pare v kondenzatorju, odvzem toplote pri p 2 = konst.
Ker pri tlakih, ki se običajno uporabljajo v ogrevalni tehniki, lahko zanemarimo spremembo volumna vode med njenim stiskanjem, potem se proces adiabatske kompresije vode v črpalki pojavi pri skoraj konstantnem volumnu vode in ga lahko predstavimo z izohoro 2 "-3.
3-4 – proces segrevanja vode v kotlu pri p 1 = const do temperature vrelišča;
4-5 – proizvodnja pare; 5-1 – pregrevanje pare v pregrevalniku.
Procesi segrevanja vode do vrelišča in nastajanja pare potekajo pri konstantnem tlaku (P = const, T = const).Ker se procesi dovajanja in odvzema toplote v obravnavanem ciklu izvajajo vzdolž izobar, pri izobarnem procesu pa količina dovedena (odvedena) toplota = razlika v entalpijah delovnega telesa na začetku in koncu procesa:
h 1 – entalpija pregrete pare na izstopu iz kotla; h 4 – entalpija vode na vstopu v kotel;
h 2 – entalpija mokre pare na izhodu iz turbine; h 3 – entalpija kondenzata na izhodu iz kondenzatorja.
Postopek raztezanja pare v turbinski napravi je primerno obravnavati v diagramu h-S.
Faza pv – diagram sistem, sestavljen iz tekočine in pare, je graf specifične količine vode in pare v odvisnosti od tlaka.
Pustite vodo pri temperaturi 0 0 C in določen tlak ρ zavzema določeno prostornino v 0 (segment NS) . Celotna krivulja AE izraža odvisnost specifične prostornine vode od tlaka pri temperaturi 0 0 C. Ker voda je skoraj nestisljiva snov, ki je krivulja AE skoraj vzporedna z ordinatno osjo. Če vodi dovajamo toploto pri konstantnem tlaku, se bo njena temperatura dvignila in njena specifična prostornina se bo povečala. Pri neki temperaturi ts voda zavre, in njen specifični volumen v' na točki a' doseže največjo vrednost pri danem tlaku. Ko se tlak poveča, se temperatura vrele tekočine poveča ts in glasnost v' se tudi poveča. Graf odvisnosti v' odvisnost od tlaka je predstavljena s krivuljo AK ki se imenuje mejna krivulja tekočine. Značilnost krivulje je stopnja suhosti x=0. V primeru nadaljnjega dovajanja toplote pri konstantnem tlaku se bo začel proces uparjanja. Hkrati se zmanjša količina vode, poveča se količina pare. V trenutku zaključka izhlapevanja na točki IN' para bo suha in nasičena. Označena je specifična prostornina suhe nasičene pare v''.
Če se proces uparjanja pojavi pri konstantnem tlaku, potem se njegova temperatura ne spremeni in proces A'B' je izobarična in izotermna. Na točkah a' in B' snov je v enofaznem stanju. Na vmesnih točkah je snov sestavljena iz zmesi vode in pare. Ta mešanica teles se imenuje dvofazni sistem.
Ploskev specifične prostornine v'' odvisnost od tlaka je predstavljena s krivuljo KV, ki se imenuje parna mejna krivulja.
Če se toplota dovaja suhi nasičeni pari pri konstantnem tlaku, se bosta njena temperatura in prostornina povečali in suha nasičena para bo prešla iz suhe nasičene v pregreto (točka D). Obe krivulji AK in HF diagram razdelite na tri dele. Levo od krivulje meje tekočine AK Pred ničelno izotermo je območje tekočine. Med ovinki AK in HF obstaja dvofazni sistem, sestavljen iz mešanice vode in suhe pare. Prav od HF in navzgor od točke TO obstaja območje pregrete pare ali plinastega stanja telesa. Obe krivulji AK in HF združiti v eno točko TO, ki se imenuje kritična točka.
Kritična točka je končna točka faznega prehoda tekočina-para, ki se začne pri trojni točki. Nad kritično točko je obstoj snovi v dvofaznem stanju nemogoč. Noben pritisk ne more pretvoriti plina v tekoče stanje pri temperaturah nad kritičnimi.
Parametri kritične točke za vodo:
tk =374,12 °C; v k =0,003147 m 3 /kg;
ρ k =22,115 MPa; i k =2095,2 kJ/kg
s k =4,424 kJ/(kg K).
Proces p =konst p–V , i–S in T–S diagrami.
Vklopljeno je – diagram Izobara v območju nasičene pare je predstavljena z ravno črto, ki seka mejne krivulje tekoče pare. Ko se toplota dovaja mokri pari, se njena stopnja suhosti poveča in se (pri stalni temperaturi) spremeni v suho paro, z nadaljnjim dovajanjem toplote pa v pregreto paro. Izobara v območju pregrete pare je krivulja, usmerjena konveksno navzdol.
Vklopljeno pv – diagram izobarični proces je prikazan z vodoravnim ravnim odsekom, ki v območju mokre pare hkrati prikazuje tudi izotermičen proces.
Vklopljeno Ts – diagram v območju mokre pare je izobara prikazana z ravno vodoravno črto, v območju pregrete pare pa s konveksno navzdol krivuljo. Vrednosti vseh potrebnih količin za izračun so vzete iz tabel nasičenih in pregretih hlapov.
Sprememba specifične notranje energije pare:
Zunanje delo:
Specifična količina dobavljene toplote:
V primeru, ko q in je potrebno najti parametre druge točke, ki leži v območju dvofaznih stanj, se uporabi formula za entalpijo mokre pare:
Proces T=konst vodna para. Obdelaj sliko v p–V , i–S in T–S diagrami.
Izotermični proces.
Vklopljeno je – diagram v območju mokre pare izoterma sovpada z izobaro in je ravna nagnjena črta. V območju pregrete pare je izoterma prikazana kot krivulja s konveksnostjo navzgor.
Slika 3.3 prikazuje fazni diagram v koordinatah P – V, slika 3.4 pa v koordinatah T – S.
Slika 3.3. Fazni diagram R-V Sl.3.4. Fazni T-S diagram
Poimenovanja:
t + l – območje ravnotežnega soobstoja trdne snovi in tekočine
t + p – območje ravnotežnega soobstoja trdne snovi in pare
l + n – območje ravnotežnega soobstoja tekočine in pare
Če so bila na diagramu P – T območja dvofaznih stanj prikazana kot krivulje, potem sta diagrama P – V in T – S nekaj območij.
Črta AKF se imenuje mejna krivulja. Ta pa je razdeljen na spodnjo mejno krivuljo (odsek AK) in zgornjo mejno krivuljo (odsek KF).
Na slikah 3.3 in 3.4 je premica BF, kjer se stikajo območja treh dvofaznih stanj, razširjena trojna točka T iz slik 3.1.
Ko se snov tali, kar tako kot uparjanje poteka pri konstantni temperaturi, nastane ravnotežna dvofazna zmes trdne in tekoče faze. Vrednosti specifične prostornine tekoče faze v sestavi dvofazne mešanice so vzete na sliki 3.3 iz krivulje AN, vrednosti specifične prostornine trdne faze pa iz krivulje BE .
Znotraj območja, omejenega s konturo AKF, je snov zmes dveh faz: vrela tekočina (L) in suha nasičena para (P).
Zaradi aditivnosti prostornine se specifična prostornina takšne dvofazne mešanice določi s formulo
specifična entropija:
Singularne točke faznih diagramov
Trojna točka
Trojna točka je točka, v kateri se zbližata ravnotežni krivulji treh faz. Na slikah 3.1 in 3.2 je to točka T.
Nekatere čiste snovi, na primer žveplo, ogljik itd., V trdnem agregatnem stanju imajo več faz (modifikacij).
V tekočem in plinastem stanju ni sprememb.
V skladu z enačbo (1.3) v enokomponentnem toplotno deformacijskem sistemu ne morejo biti v ravnovesju hkrati več kot tri faze.
Če ima snov več modifikacij v trdnem stanju, potem skupno število faz snovi presega tri in mora imeti taka snov več trojnih točk. Kot primer prikazuje slika 3.5 fazni diagram P–T snovi, ki ima dve modifikaciji v trdnem agregatnem stanju.
Slika 3.5. Fazni P-T diagram
snovi z dvema kristalin
katere faze
Poimenovanja:
I – tekoča faza;
II – plinasta faza;
III 1 in III 2 – spremembe v trdnem agregatnem stanju
(kristalne faze)
V trojni točki T 1 so v ravnotežju: plinasta, tekoča in kristalna faza III 2. Ta točka je osnovni trojna točka.
V trojni točki T2 sta v ravnovesju: tekoča in dve kristalni fazi.
V trojni točki T3 sta plinasta in dve kristalni fazi v ravnovesju.
Poznamo pet kristalnih modifikacij (faz) vode: III 1, III 2, III 3, III 5, III 6.
Navadni led je kristalna faza III 1, druge modifikacije pa nastanejo pri zelo visokih tlakih na tisoče MPa.
Navaden led obstaja do tlaka 204,7 MPa in temperature 22 0 C.
Preostale modifikacije (faze) so led gostejši od vode. Eden od teh ledov, "vroč led", je bil opazovan pri tlaku 2000 MPa do temperature + 80 0 C.
Termodinamični parametri osnovna voda s trojno točko naslednje:
T tr = 273,16 K = 0,01 0 C;
P tr = 610,8 Pa;
Vtr = 0,001 m 3 /kg.
Anomalija krivulje taljenja () obstaja samo za navaden led.
Kritična točka
Kot izhaja iz faznega diagrama P – V (sl. 3.3), se z naraščanjem tlaka razlika med specifičnimi prostorninami vrele tekočine (V") in suhe nasičene pare (V"") postopoma zmanjšuje in v točki K postane enaka ničlo se imenuje kritično, točka K pa je kritična točka snovi.
Pk, Tk, Vk, Sk – kritični termodinamični parametri snovi.
Na primer za vodo:
P k = 22,129 MPa;
Tc = 374,14 °C;
V k = 0,00326 m 3 /kg
Na kritični točki so lastnosti tekoče in plinaste faze enake.
Kot izhaja iz faznega diagrama T – S (slika 3.4), je na kritični točki toplota uparjanja, prikazana kot površina pod vodoravno črto faznega prehoda (C" - C"), iz vrele tekočine v suho nasičeno paro. nič.
Točka K za izotermo Tk v faznem diagramu P – V (slika 3.3) je prevojna točka.
Izoterma Tk, ki poteka skozi točko K, je končni izoterma dvofaznega območja, tj. loči območje tekoče faze od plinastega območja.
Pri temperaturah nad Tk izoterme nimajo več ravnih odsekov, ki označujejo fazne prehode, niti prevojne točke, značilne za izotermo Tk, ampak postopoma dobijo obliko gladkih krivulj, po obliki podobnih izotermam idealnega plina.
Pojma "tekočina" in "plin" (para) sta do neke mere poljubna, ker interakcije molekul v tekočini in plinu imajo skupne vzorce, razlikujejo se le kvantitativno. To tezo je mogoče ilustrirati s sliko 3.6, kjer je prehod iz točke E plinaste faze v točko L tekoče faze narejen mimo kritične točke K vzdolž trajektorije EFL.
Slika 3.6. Možnosti dveh faznih prehodov
iz plinaste v tekočo fazo
Pri prehodu vzdolž premice AD v točki C se snov loči v dve fazi in nato snov postopoma prehaja iz plinaste (parne) faze v tekočo fazo.
V točki C se lastnosti snovi sunkovito spremenijo (na P – V faznem diagramu se točka C faznega prehoda spremeni v linijo faznega prehoda (C" - C")).
Pri premikanju vzdolž črte EFL se preoblikovanje plina v tekočino dogaja neprekinjeno, saj se črta EFL nikjer ne seka s krivuljo uparjanja TC, kjer snov hkrati obstaja v obliki dveh faz: tekoče in plinaste. Posledično pri prehodu vzdolž črte EFL snov ne bo razpadla na dve fazi in bo ostala enofazna.
Kritična temperatura Tc je mejna temperatura za ravnotežno soobstoj dveh faz.
V zvezi s termodinamičnimi procesi v kompleksnih sistemih lahko to klasično lakonsko definicijo Tc razširimo na naslednji način:
Kritična temperatura Tc - to je spodnja temperaturna meja območja termodinamičnih procesov, v kateri je pojav dvofaznega stanja snovi "plin - tekočina" nemogoč pri kakršnih koli spremembah tlaka in temperature. Ta definicija je prikazana na slikah 3.7 in 3.8. Iz teh slik sledi, da to območje, omejeno s kritično temperaturo, zajema samo plinasto stanje snovi (plinsko fazo). Plinasto stanje snovi, imenovano para, ni vključeno v to območje.
riž. 3.7. K definiciji kritičnega Slika 3.8 K definiciji kritičnega
temperatura
Iz teh slik sledi, da to osenčeno območje, omejeno s kritično temperaturo, pokriva samo plinasto stanje snovi (plinsko fazo). Plinasto stanje snovi, imenovano para, ni vključeno v to območje.
Z uporabo koncepta kritične točke je mogoče razlikovati pojem "hlapi" od splošnega koncepta "plinastega stanja snovi".
Steam – to je plinasta faza snovi v temperaturnem območju pod kritično.
V termodinamičnih procesih, ko procesna črta seka krivuljo uparjanja TC ali krivuljo sublimacije 3, je plinasta faza vedno najprej para.
Kritični tlak P k - to je tlak, nad katerim ločitev snovi v dve sočasni in ravnovesni soobstoječi fazi: tekočino in plin ni mogoča pri nobeni temperaturi.
To klasično definicijo P k v zvezi s termodinamičnimi procesi v kompleksnih sistemih lahko formuliramo podrobneje:
Kritični tlak P k - to je spodnja tlačna meja območja termodinamičnih procesov, v katerih je pojav dvofaznega stanja snovi "plin - tekočina" nemogoč pri kakršnih koli spremembah tlaka in temperature. Ta definicija kritičnega tlaka je prikazana na sliki 3.9. in 3.10. Iz teh slik sledi, da to območje, omejeno s kritičnim tlakom, ne zajema le dela plinaste faze, ki se nahaja nad izobari Pk, ampak tudi del tekoče faze, ki se nahaja pod izotermo Tk.
Za superkritično območje se kritična izoterma običajno vzame kot verjetna (pogojna) meja tekočina-plin.
Sl. 3.9 K definiciji kritičnega - Sl. 3.10. K definiciji kritičnega
kdo je pritisk pritiska
Če je prehodni tlak veliko večji od tlaka na kritični točki, bo snov prešla iz trdnega (kristalnega) stanja neposredno v plinasto stanje, mimo tekočega stanja.
To ni očitno iz P-T faznih diagramov nenormalne snovi (slike 3.6, 3.7, 3.9), ker ne prikazujejo tistega dela diagrama, kjer snov, ki ima pri visokih tlakih več kristalnih modifikacij (in s tem več trojnih točk), ponovno pridobi normalne lastnosti.
Na faznem P – T diagramu normalne snovi, sl. 3.11 je ta prehod iz trdne faze neposredno v plinasto fazo prikazan v obliki procesa A "D".
riž. 3.11. Prehod v normalno stanje
snovi iz trdne faze takoj v
plinasto pri P>Ptr
Prehod snovi iz trdne faze v parno fazo, mimo tekoče faze, je dodeljen le pri P<Р тр. Примером такого перехода, называемого сублимацией, является процесс АD на рис 3.11.
Kritična temperatura ima zelo preprosto molekularno-kinetično razlago.
Kombinacija prosto gibajočih se molekul v kapljico tekočine med utekočinjanjem plina se zgodi izključno pod vplivom medsebojnih privlačnih sil. Pri T>T k je kinetična energija relativnega gibanja dveh molekul večja od energije privlačnosti teh molekul, zato je nastajanje kapljic tekočine (tj. soobstoj dveh faz) nemogoče.
Le krivulje uparjanja imajo kritične točke, saj ustrezajo ravnotežnemu soobstoju dveh izotropno faze: tekoča in plinasta. Talilne in sublimacijske črte nimajo kritičnih točk, ker ustrezajo takim dvofaznim stanjem snovi, ko je ena izmed faz (trdna). anizotropno.
Superkritična regija
V faznem diagramu P-T je to območje, ki se nahaja desno in nad kritično točko, približno tam, kjer bi lahko mentalno nadaljevali krivuljo nasičenosti.
V sodobnih parnih kotlih z neposrednim tokom se proizvodnja pare pojavi v superkritičnem območju.
Slika 3.12. Fazni prehod na sliki 3.13. Fazni prehod v subkritični
subkritična in superkritična ter superkritična področja P-V diagrama
območja RT diagrama
Termodinamični procesi v superkritičnem območju potekajo s številnimi značilnostmi.
Oglejmo si izobarični proces AS v podkritičnem območju, tj. ob . Točka A ustreza tekoči fazi snovi, ki se ob doseženi temperaturi Tn začne spreminjati v paro. Ta fazni prehod ustreza točki B na sliki 3.12 in segmentu B"B"" na sliki 3.13. Pri prehodu skozi nasičeno krivuljo TK se lastnosti snovi nenadoma spremenijo. Točka S ustreza plinasti fazi snovi.
Oglejmo si izobarični proces A"S" pri tlaku. V točki A" je snov v tekoči fazi, v točki S" pa v plinasti fazi, tj. v različnih faznih stanjih. Toda pri premikanju od točke A" do S" ni nenadne spremembe lastnosti: lastnosti snovi se spreminjajo nenehno in postopoma. Hitrost te spremembe lastnosti snovi na premici A"S" je drugačna: v bližini točk A" in S" je majhna in se močno poveča ob vstopu v nadkritično območje. Na kateri koli izobari v nadkritičnem območju lahko navedete točke največje hitrosti spremembe: temperaturni koeficient volumetrične ekspanzije snovi, entalpija, notranja energija, viskoznost, toplotna prevodnost itd.
Tako se v nadkritičnem območju razvijejo pojavi, podobni faznim prehodom, vendar dvofaznega stanja snovi "tekočina - plin" ni opaziti. Poleg tega so meje superkritičnega območja zabrisane.
Pri P<Р к, т.е. в докритической области, на фазовое превращение «жидкость - пар» требуется затратить скрытую теплоту парообразования, которая является как бы «тепловым барьером» между жидкой и паровой фазами.
Nekaj podobnega opazimo v superkritičnem območju. Slika 3.14 prikazuje značilno sliko sprememb specifične izobarne toplotne kapacitete pri P>P k.
Slika 3.14. Specifična izobarična
toplotna kapaciteta pri superkritičnem
pritisk.
Ker je Q р = С р dТ, je površina pod krivuljo Ср(Т) toplota, potrebna za pretvorbo tekočine (točka A’) v plin (točka S’) pri nadkritičnem tlaku. Črtkana črta А'М S' prikazuje tipično odvisnost Ср od temperature v subkritični področja.
Tako tudi maksimumi na krivulji C p (T) v nadkritičnem območju, kar pomeni dodatno porabo toplote za segrevanje snovi, opravljajo podobne funkcije kot »toplotna pregrada« med tekočino in plinom v tem območju.
Kot so pokazale študije, položaji maksimumov 
ne sovpadajo, kar kaže na odsotnost ene črte med tekočino in paro v superkritičnem območju. V njem je le široko in zamegljeno območje, kjer se pretvorba tekočine v paro najintenzivneje dogaja.
Te transformacije se najbolj intenzivno dogajajo pri tlakih, ki ne presegajo kritičnega tlaka (Pc). Ko se tlak poveča, se pojavi pretvorbe tekočine v paro zgladijo in pri visokih tlakih se pojavijo zelo šibko.
Tako pri P>P k obstajajo, vendar ne morejo obstajati sočasno in v ravnovesju, tekoča faza, plinasta faza in nekaj vmesnih faz. Ta vmesna faza se včasih imenuje metafaza , združuje lastnosti tekočine in plina.
Zaradi močne spremembe termodinamičnih parametrov, termofizikalnih lastnosti in značilnih funkcij v nadkritičnem območju so napake pri njihovem eksperimentalnem določanju v tem območju več kot desetkrat večje kot pri podkritičnih tlakih.
