Диаграмма состояния бинарной системы «жидкость – пар»

РАЗЛИЧНЫЕ АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Тема 1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАПЕЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ КАК СРЕДЫ ДВИЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Прикладная гидромеханика».

Московский Авиационный Институт

(Государственный технический университет) «МАИ»

Кафедра «Проектирование аэрогидрокосмических систем»

Акимов Е.Н., Керин Н.В.

Конспект лекций по дисциплине:

Утверждено

на заседании кафедры 608

__________________

Москва 2011

Настоящее пособие предназначено для студентов, изучающих дисциплину «Прикладная гидромеханика» для специальности 1306 (160801) и специализаций (03, 04, 15).

Пособие написано с использованием материалов учебника «Гидромеханика», автор Шашин В.М. Учитывая, что на изучение данной дисциплины отводится крайне ограниченное время, а изучаемая дисциплина является одной из определяющих, с большим объёмом курса, возникла необходимость изложить указанный курс в конспективном виде.

В данном пособии изложены вопросы силового взаимодействия тел с жидкостью при их движении, методы оценки сил различной природы; рассмотрены кавитационные течения, глиссирование, погружение тел в воду. Наряду с численными решениями задач изложена приближённая инженерная методика.

(Лекций 1 ч.)

Предмет прикладной гидромеханики. Некоторые сведения из истории развития прикладной гидромеханики. Внешняя и внутренняя задача прикладной гидромеханики. Прямые, обратные и смешанные типы задач гидромеханики. Место и роль гидромеханики в практике проектирования аэрогидрокосмических систем.

(Лекций 3 ч., СРС 2 ч.)

Различные агрегатные состояния вещества.

Существование поверхности раздела. Поверхностное натяжение.

Плотность жидкостей.

Уравнение состояния воды.

Вязкость воды. Жидкости ньютоновские и неньютоновские.

Количественная оценка сжимаемости жидкостей.

Теплопроводность и диффузия жидкостей.

Характерное свойство твердых тел — способность сохранять не­изменной форму. Газы и жидкости объединяет свойство текучести, т. е. способность свободно деформироваться под воздействием малых внешних сил и принимать форму заданного ограниченного прост­ранства. Следует, однако, выделить понятие капельной жидкости. В отличие от газов, капельные жидкости обладают малой сжимае­мостью, так, что будучи помещенными в сосуд, они занимают не весь объем (как это происходит у газов), а только тот, который свойствен данной массе жидкости. Таким образом капельные жидкости могут образовывать поверхности раздела, а в отдельных слу­чаях - в буквальном смысле формировать капли.

С термодинамической точки зрения состояние жидкости или пара характеризуется тремя параметрами; давлением p, плотностью ρ и темпе­ратурой Т, связанными между собой уравнением состояния. Поэто­му для выяснения, в какой фазе находится вещество – в жидкой или паровой (газовой), достаточно знать какие-либо два параметра (скажем, давление p и температурy T).

Диаграмму состояния бинарной системы «жидкость – пар» можно представить в системе координат p - семейством изотерм Т = const

Рис. 1.1 Диаграмма состояния «жидкость-пар».

(рис. 1.1). Величина называется удельным объемом и обозначается υ. Тогда диаграмму, изображенную на рис. 1.1, называют p - υ диаграммой.

Характерной точкой на этой диаграмме является критическая точка О. Термодинамические параметры воды, например, в этой точке имеют значения Т_кр = 647 К, p_кр = 220-10⁵ Па, ρ_кр = 400 .

В области температур выше критической, вдоль изотермы наблюдается непрерывный переход вещества из жидкого состояния (при больших плотностях) в газообразное (при малых плотностях). Причем принципиальной перестройки структуры ве­щества в этом случае не происходит. Поэтому данное агрегатное со­стояние при T > T _кр часто определяют как однородную фазу.

В зоне температур, T < T _кр, отчетливо видны три области. Если двигаться вдоль изотермы из области малых плотностей к большим (движение справа налево по изотерме рис. 1.1), то в области паровой фазы давление будет непрерывно повышаться. После пересече­ния изотермой правой границы двухфазной зоны (пунктирная кри­вая) давление будет оставаться приблизительно постоянным в пределах всей зоны. Оно является характерной величиной, обозна­чается и называется давлением насыщенного пара, т. е, давле­нием равновесной системы жидкость-пар при заданной темпера­туре. После пересечения изотермой левой ветви двухфазной зоны (в области жидкой фазы) давление вдоль изотермы вновь повы­шается, причем значительно быстрее, чем в области паровой фазы. Изотермы стано­вятся почти вертикальными линиями, что и отражает малую сжимаемость жидкостей. Границу двухфазной зоны приближенно можно представить параболой p(υ), вершина которой находится в критической точке т.О. Изотерма T=T_кр в критической точке касается границы переходной области.

Внутри области, названной двухфазной, вещество находится в неустойчивом состоянии, а за ее пределами – в устойчивом. Малейшее изменение давления при заданной температуре внутри двухфазной области переводит вещество либо в жидкое, либо в газообразное состояние.

Таким образом, появления разрыва сплошности в жидкости можно добиться либо повышением температуры выше температуры кипения, либо снижением давления ниже давления насыщенных паров. Процесс выделения паровой фазы в виде отдельных полостей называется кавитацией. Кавитацию иногда называют холодным кипением.