Р-V диаграмма водяного пара.

Рассмотрим водяной пар. Отметим, что и другие вещества, например углекислый газ, аммиак, кислород, азот, водород и т.д. ведут себя сходно с водяным паром, но в других областях давлений и температур.

Пусть в цилиндре находится 1 кг воды при при давлении , создаваемом, например, поршнем с грузом известной массы (рис.1).Рассмотрим диаграмму воды в процессе ее нагревания (рис.2).Состоянию воды при (рис.1 поз.1) соответствует почти вертикальная линия на рис. 2, представляющая собой изотерму воды при нулевой температуре; на этой линии находятся в равновесии жидкая и твердая фазы воды. Левееэтой изотермы вода находится в твердом состоянии, правее – в жидком. Линия вертикальна потому, что вода (как и всякая жидкость и твердом и жид-ком состояниях) практически несжимаема. Поэтому можно считать, что ее удельный объем в процессе сжатия не меняется.Если теперь начать подогревать воду в точке , то ее температура постепенно будет повышаться (при постоянном давлении ), удельный объем будет увеличиваться и при достижении температуры кипения в точке (рис.2) удельный объем жидкости становится максимальным (рис.1, поз.2;) (поршень все еще касается поверхности воды)

При дальнейшем нагревании кипящая при постоянной температуре вода начинает переходить в пар (поз.3), давление которого равно давлению , создаваемому поршнем с грузом – поршень отрывается от жидкости. Теперь под поршнем находится двухфазная среда – смесь воды и пара. Вода находится не только на дне цилиндра, но и во взвешенном состоянии в виде маленьких капелек в паровом пространстве. Этот пар с удельным объемом называется влажным насыщенным паром.

Влажный насыщенный пар представляет собой смесь собственно сухого пара (молекул воды) с капельками воды, увлеченными из нее при кипении..

По мере подведения тепла количество жидкой воды уменьшается, а паровой – возрастает. Процесс парообразования проходит по линии (рис.2) и заканчивается в точке ; в точке испаряются последние фрагменты жидкой воды, и цилиндр оказывается пол-ностью заполнен только паром с удельным объемом (рис.1, поз. 4; рис.2) Пар в точке называется сухим насыщенным паром

Температура вдоль линии остается постоянной и равной температуре в точке . Вся подводимая к системе теплота идет на превращение жидкой воды в сухой насыщенный пар. Поскольку вдоль линии и давление остается неизменным, то процесс парообразования является изобарно-изотермическим Объем и температура сухого насыщенного пара являются функциями только давления.

Таким образом, состояние сухого насыщенного пара определяется лишь одним параметром - или давлением или температурой.

Если дальше подводить тепло (после превращения всей жидкости в сухой насыщенный пар), то будет получаться перегретый пар вдоль линии с возрастающими температурой и удельным объемом (поз. 5, рис 1; точка рис. 2. ).

Таким образом, перегретым называется пар, температура которого превышает температуру насыщенного пара того же давления; или: перегретым называется пар, имеющий температуру выше температуры воды, из которой он получился.

Температура перегретого пара является функцией давления и объема; поэтому состояние перегретого пара определяется двумя параметрами: давлением и объемом или температурой и давлением.

В присутствии (жидкой) воды пар может быть только влажным. Влажный пар характеризуется степенью сухости Отношение массы сухого насыщенного пара (молекул воды) содержащегося во влажном паре, к общей массе (пар + капли жидкости в паре) влажного насыщенного пара называется степенью сухости пара (паросодержанием) Х т.е.

(1)

Например, если влажный пар имеет степень сухости , то это означит, что его содержит сухого пара и воды в виде мельчайших взвешенных капелек Величина ( называется степенью влажности пара. Для сухого пара , для воды

Состояние влажного пара определяется двумя параметрами: температурой и степенью сухости (или степенью сухости и давлением). Удельный объем влажного пара (пароводяной смеси) при произвольном паросодержании можно определить по следующей формуле:

(2)

Влажный пар при подводе к нему теплоты становится суше. Перегретый пар можно получить только в том случае, если он не будет соприкасаться с водой

Если парообразование производить при более высоком давлении, то процесс вновь начнется с линии , но при более высокой температуре, к примеру, на уровне линии и пойдет горизонтально до начала кипения в точке и его окончания в точке

Проводя процессе испарения при различных давлениях и измеряя удельные объемы жидкостей при температуре насыщения (кипения) и сухого насыщенного пара , можно построить в диаграмме две линии - и (точечная линия на рис.2) - называемые нижней и верхней пограничными кривыми

По мере возрастания давления приращение объема при испарении становится все меньше, точки с одним штрихом (вода) и с двумя штрихами (пар) сбли-жаются, и наконец сходятся в точке , называемой критической точкой. Давление температура в точке называются критическими. Для воды

(3)

Если попытаться проводить испарение при , то при подводе тепла будет происходить монотонное изменение температуры, сопровождающееся непрерывным приращением объема без разделения воды на жидкую и газообразную фазу (линия)

Все газы являются сильно перегретыми сверх парами. Чем выше температура перегрева (при данном давлении), тем ближе пар по своим свойствам к идеальному газу.

3. Уравнение Ван-дер-Ваальса.