Жидкость на линии фазового перехода

В теплоэнергетических установках вода используется в двух фазовых состояниях: в виде пара и жидкости. Поэтому будем рассматривать только эти две фазы воды.

В технических расчетах абсолютные величины энергетических параметров (энтропия, внутренняя энергия, энтальпия) не имеют принципиального значения. Поэтому допустима свобода выбора начала отсчета этих параметров.

Для воды в качестве опорной точки принята тройная точка [11]. При давлении и температуре тройной точки Р_о = 611,2 Па и Т_о = 273,16 К приняты равными нулю энтропия и внутренняя энергия жидкой фазы воды (на линии х=0), соответствующее этим параметрам значение энтальпии h_о'=0,614 Дж/кг (это энтальпия на линии х=0). Все параметры на линии насыщения жидкой фазы воды обозначаются с одним штрихом.

При давлениях, применяемых в технических устройствах, жидкость можно считать несжимаемой, т.е. с постоянным объемом, не зависящим от давления. Следовательно, расстояние между молекулами жидкости будет зависеть только от Т, а внутренняя энергия жидкости будет функцией только одного параметра – Т, т.к. кинетическая и потенциальная ее составляющие определяются только Т. Т.о., с достаточной степенью точности для технических расчетов можно считать, что при 0 ^oС (273,15 К) внутренняя энергия жидкости, независимо от давления, равна нулю. Здесь отождествляется t=0 ^oС с температурой тройной точки воды, а изотерма при t=0 ^oС в области жидкой фазы будет выступать в качестве левой пограничной кривой жидкой фазы.

Теплоемкость жидкости с_p=dq'/dt в основном зависит от температуры, и часто в инженерных расчетах она принимается как функция только одного параметра – температуры. Это подтверждается и экспериментальными данными: так при t=90 ^оС удельная изобарная теплоемкость жидкости при давлении 1 бар равна 4,205 кДж/(кг·К), а при давлении 50 бар – 4,194 кДж/(кг·К), что соответствует 0,26 % относительной разности этих теплоемкостей.

Количество теплоты q', затраченное на нагрев 1 кг жидкости от t=0^oС до t_н при заданном постоянном давлении, называется теплотой жидкости. Так как это теплота изобарного процесса, она соответствует разности энтальпий:

Энтропия жидкости на линии насыщения x = 0 определяется исходя из принятого условия ее равенства нулю в тройной точке воды (s_о'=0). С изменением давления энтропия жидкости при температуре тройной точки (или 0 ^oС) s_о изменяется, однако это изменение очень незначительное. Поскольку энтропия, как любой параметр состояния, является функцией двух независимых параметров состояния, а при t=0 ^оС для всех давлений жидкости внутренняя энергия жидкости практически равна нулю, то и энтропия жидкости при t=0 ^оС для всех давлений будет практически постоянной и равной энтропии жидкости в тройной точке воды, т.е. s_о=0. Так при давлении 22 МПа и t=0 ^оС s_о=0,0009 кДж/(кг·К), а при давлении 1 кПа энтропия жидкости на линии насыщения s'=0,106 кДж/(кг·К), т.е. энтропия жидкости при t=0 ^оС несоизмеримо мала по сравнению с энтропией жидкости в состоянии насыщения для всех давлений, используемых в практической деятельности.

Зная значение энтропии s_о при t=0 ^oС и заданном давлении, энтропию жидкости на линии насыщения при T_н можно определить как

, (6.8)

где s_о = s_о'= 0 – при давлениях, используемых в технике;

с_p @ 4,187 кДж/(кг·К) – при умеренных давлениях.

В точных расчетах надо пользоваться средней изобарной теплоемкостью воды в данном интервале температур.

Определение энтальпии, энтропии и внутренней энергии жидкости при температурах меньших, чем температура насыщения при заданном давлении, ведется аналогичным образом.