ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА.
Лабораторная работа №1.
Определение термодинамических характеристик воды и водяного пара.
Цель работы – определение параметров влажного пара 
которые вычисляются на основе экспериментальных данных и таблиц термодинамических особенностей сухого насыщенного пар и кипящей жидкости на линии насыщения.
Процесс преобразования воды в перегретый пар при постоянном давлении (с подведенным теплом) складывается из трёх последовательных стадий: подогрев жидкости, парообразования и перегрев пара. В процессе парообразования осуществляется переход из кипящей воды в сухой пар. В обратном процессе (с отведением теплоты) имеют место такие стадии: охлаждение перегретого пара, конденсация, охлаждение жидкости. В этой работе должен обратить внимание на характерные особенности стадий и чётко знать расчётные формулы как отдельных из них, так и всего процесса в целом. Первая стадия получения пара – нагрев жидкости до кипения, процесс 1-2 при постоянном давлении (рис.12). На начало отсчёта энтальпии для воды и водяного пар принимают значения io=O при температуре О оС и давлении О,101325 МПа. Без особых потерь для точности расчётов можно считать, что при температуре О оС энтальпия не зависит от давления и равняется нулю. Энтальпия кипящей жидкости 
численно равна теплоте q рд, которая необходима для нагрева 1кг жидкости в изобарном процессе от О оС до температуры кипения 
.
q рд = - io=
Вычисляют энтальпию кипящей воды по формуле:
(1.1)
где 
- средняя теплоёмкость воды. Дж/(кг К);
- температура кипения, которая зависит от давления.
Чем выше давление пара, тем больше температура насыщения и энтальпия i¢ кипящей жидкости, которая измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг). Энтропия кипящей жидкости:
(1.2)
(изменение энтропии отсчитывают от О °С, когда энтропия условно равна 0).
Вторая стадия – переход кипящей жидкости в парообразное состояние – процесс 2-4 (кипение жидкости), существенно отличается от первой. Процесс характеризуется не только постоянным давлением, но и постоянной температурой, то есть он есть изобарно-изотермическим, при котором давление и температура кипения взаимозависимы.
Парообразование начинается с момента закипания жидкости при подведении теплоты и заканчивается её полным испарением – состояние сухого пара точка 4 (рис.12). Количество теплоты, необходимое для преобразования одного килограмма кипящей жидкости в сухой пар при постоянном давлении называется теплотой парообразования 
(Дж/кг ).
С повышением давления теплота парообразования уменьшается, приближаясь к нулю в критической точке при критическом давлении 
22,13 МПа и критической температуре 
374‚15°С.
В процессе кипения масса жидкости масса жидкости уменьшается, а количество пара увеличивается. Состояние, при котором одновременно существуют кипящая жидкость и сухой пар называется влажным паром, точка 3 (рис.12). Массовое соотношение пара с жидкостью оценивается степенью сухости 
, которая составляет массовую часть пара в пароводяной смеси, то есть отношение массы сухого пара 
к массе влажного пара 
. Масса влажного пара равна сумме масс кипящей жидкости и сухого пара 
. Очевидно, что на момент начала выпаривания доля кипящей жидкости 
0, а на при полном выпаривании для сухого пара 1. Пар в последнем случае получил название сухого насыщенного пара. Если выпаривание воды не доведено до конца то есть 0 
1, то пар становится влажным насыщенным, и на его образование тратится в процессе выпаривания меньше теплоты, чем для сухого пара.
|
Рис. 12
Для влажного пара энтальпия i x и энтропия s x находятся по формулам:
;
; (1.3)
Изменение энтальпии и энтропии в процессе выпаривания
(1.4)
Энтальпия и энтропия сухого насыщенного пара при x=1 составляют
; 
(1.5)
Третья стадия – перегрева пара – осуществляется при дополнительной подачи теплоты до сухого насыщенного пара, процесс 4-5 (рис.12). В этом случае между давлением пар и его температурой существует полнейшая независимость: мы можем нагреть пар выше температуры насыщения 
, до любой заданной температуры tпп = 
. Перегретый пар приобретает особенности близкие к идеальному газу. Теплоту перегрева рассчитывают по формуле
, (1.6)
где 
-- средняя удельная теплоёмкость удельного пара в интервале температуры ts … tпп, и зависит не только от температуры, но и от давления (определяют по таблицам воды и перегретого пара).
Энтальпия перегретого пара численно равна сумме теплот трёх последовательных стадий парообразования, т.е.
(1.7)
Энтропия перегретого пара также определяет её аддитивную сторону
. (1.9)
Таким образом, энтальпия перегретого пара численно равна количеству теплоты в джоулях на килограмм массы, нужной для нагревания 1кг воды от О °С до температуры кипения, дальнейшее выпаривания и для перегрева до заданной температуры при постоянном давлении.
Описание установки.
Влажный пар, необходимый для проведения опыта, изготавливается в стеклянном выпаривателе 2 (рис.13), который находится на электроплитке. Пар транспортируется резиновым шлангом 4 в погружённый в воду змеевик 7, где он конденсируется. Образованный конденсат стекает и сборник 8 и охлаждается ниже температуры насыщения 
. Отвод тепла от пара и конденсата протсходит до воды 6, в кторую погружены змиевик 7 и сборник конденсата 8. На дне сборника есть пробковый кран10, предназначенный для выпуска конденсата с целью измерения его количества. Конденсатосборник соединяется с атмосферой с помощью трубы, что обеспечивает конденсацию пара при атмосферном давлении, которое измеряется барометром и определяет температуру насыщения.
Выделенная во время конденсации и переохлаждения теплота принимается водой, налитой в колбу 6. Температура воды измеряется ртутным термометром 9. Во время исследования вода перешивается мешалкой 11, которая приводится в действие электродвигателем 12. Всю систему размещают в посудине 5 с двойными стенками. Таким образом, посудина 5 будет калориметром, который обеспечивает минимальные потери теплоты и высокую точность измерения.
рис.13 Схема установки для определения степени сухости пара.
Выполнение работы.
Для проведения экспериментальных исследований отдельные элементы лабораторной установки должны быть подготовлены заранее. Воду наливают в стеклянный выпариватель 2 выше половины его высоты на включённую плитку1. Потом запускают электромешалку и через 3-5 минут измеряют начальную температуру воды 
в посудине 6 термометром 9. Через 2-3 минуты после начала кипения воды в выпаривателем его соединяют со змеевиком резиновым шлангом. В результате выделенной паром и конденсатом теплоты температура воды в посудине 6 поднимается. После того, как температура воды становится на 18-20°С выше, чем начальная (
18 … 20), разъединяют выпариватель и змеевик и замеряют температуру воды в посудине 6 термометром 9 через каждые 30 секунд. Сначала показания термометра увеличиваются, а потом уменьшаются. Конечная температура 
будет равняться наибольшему из показаний термометра. После выключают электроплитку и останавливают работу электродвигателя. Для определения массы конденсата 
изымают из установки змеевик 7 со сборником 8, открывают кран 10 и сливают конденсат в измерительную колбу и измеряют объём конденсата Vк. После завершения опыта выливают воду с посудины 6 и собирают установку.