Основные сведения

Лабораторная работа. Исследование фазовых переходов

Цель работы: исследование фазового перехода «жидкость-пар».

Задачи работы:

1. Экспериментальное определение зависимости температуры насыщения от давления для водяного пара.

2. Экспериментальное определение средней теплоты парообразования методом адиабатического охлаждения и сушки влажных материалов в вакууме.

Основные сведения

Условия равновесия сложных термодинамических систем тесно связаны с понятием агрегатного состояния вещества, называемого фазой вещества. При этом различают паровую (газовую) и конденсированную (жидкую или твердую) фазы. Сложные гетерогенные системы могут включать несколько веществ в разных фазах. Примерами являются системы лед-вода-пар, вода-пар, раствор воды и метилового спирта и т.д. Наибольшее значение для промышленной энергетики имеет система вода-пар, так как водяной пар широко применяется в качестве рабочего тела в различных тепловых двигателях, в том числе и в паровых турбинах тепловых электростанций.

Преимуществами пара, как рабочего тела является его большое теплосодержание. При одинаковых условиях 1 кг водяного пара производит в тепловом двигателе больше работы, чем 1 кг пара любого другого вещества. Кроме того, с его помощью легко осуществляются различные циклы работы паросиловых установок – теплофикационный, регенеративный, цикл с перегревом пара.

Процесс получения пара из жидкости осуществляется испарением или кипением. Испарением называется образование пара, происходящее со свободной поверхности жидкости или твердого тела при любой температуре. Кипение – более интенсивный процесс, связанный с парообразованием во всем объеме жидкости при достижении ею температуры насыщенного пара данного вещества. При неизменном давлении температура кипения жидкости остается неизменной и равной температуре насыщенного пара. Давление соответствующее данной температуре насыщенного пара называется давлением насыщения Рн. С увеличением Рн увеличивается и температура насыщенных паров.

Различают три состояния водяного пара.

1. Влажный насыщенный пар, который содержит частицы кипящей воды, равномерно распределенные в объеме.

2. Сухой насыщенный пар, у которого Рн соответствует Тн и который не содержит частиц жидкости. Степенью сухости водяного пара - Х называют долю сухого насыщенного пара в 1 кг влажного пара. Доля влаги в 1 кг влажного пара, равная (1-Х), называется его влажностью. Обычно влажность промышленного пара колеблется от 0,5 до 5%.

3. Перегретый пар, который имеет температуру выше температуры насыщенных паров при данном давлении. Такой пар получается, если влажный или сухой насыщенный пар отвести из котла в пароподогреватель и сообщить ему дополнительное количество тепла. Таким образом, процесс получения перегретого пара включает в себя три последовательно осуществляемых стадии: подогрева воды до температуры кипения, образования пара и его перегрева до заданной температуры. Как правило, все эти стадии осуществляются при постоянном давлении.

Нагревая жидкость, можно повысить ее температуру настолько, что интенсивное образование пара будет происходить не только на ее открытой поверхности, но и по всему объему. В ходе кипения у обогреваемой стенки и в толще воды образуются пузырьки пара. Центрами зарождения паровых пузырьков в нагретой воде являются взвешенные в ней мельчайшие твердые частицы, пузырьки воздуха и отдельные неровности стенки.

Для возникновения кипения температура жидкости должна превышать температуру насыщения при давлении окружающей среды. Это связано с тем, что давление пара внутри пузыря определяется температурой жидкости. До достижения температуры кипения росту паровых пузырей и выходу из них пара на поверхности жидкости препятствует внешнее давление.

Наибольший перегрев жидкости относительно температуры насыщения имеет место у обогреваемой стенки. На поверхности жидкости ее температура отличается от температуры насыщения лишь на несколько десятых градуса, т.е. практически совпадает с ней.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить при постоянном давлении 1 кг нагретой до температуры кипения жидкости для ее превращения в сухой насыщенный пар, называется скрытой теплотой парообразования или просто теплотой парообразования.

Для превращения 1 кг сухого насыщенного пара в жидкость (кипящую) того же давления - от него надо отвести теплоту, равную теплоте парообразования.

Состояние сухого насыщенного пара неустойчиво. При незначительном отводе от него теплоты он становится влажным, а при теплоподводе - перегретым.