Современная промышленность немыслима без использования свойств вакуума. Это особенно относится к работе элекровакуумных приборов (электроннолучевых трубок, магнетронов и др.). Вакуумная техника используется при производстве чистых и сверхчистых материалов. Свойства вакуума используются в технологических процессах, в частности при сушке пищевых продуктов методом сублимационной и вакуумной сушки. Вакуум используют при автоматизации производственных процессов для удержания (присоса) изделий.
ПРОЦЕСС КИПЕНИЯ
Парообразованием называется процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное. Испарение – это парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости или твёрдого тела.При некоторой температуре, зависящей от физических свойств жидкости и давления, наступает процесс парообразования как со свободной поверхности жидкости, так и по всему её объёму, который называется кипением. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твёрдое называется конденсацией. Процессы парообразования и конденсации происходят при постоянной температуре, если давление не изменяется. Насыщенным называют пар, соприкасающийся с жидкостью и находящийся в термическом и динамическом равновесии с ней, когда число молекул, покидающих в единицу времени жидкость, равно числу молекул, конденсирующихся на её поверхности. С увеличением температуры жидкости увеличивается число молекул в паровом пространстве, что приводит к росту давления и плотности пара. Одновременно увеличивается скорость конденсации. При новом установившемся значении температуры устанавливается новое состояние равновесия. Давление насыщенного пара является монотонно возрастающей функцией температуры. Сухим насыщенным называют насыщенный пар, в котором отсутствуют взвешенные частицы жидкой фазы. Влажным насыщенным называют насыщенный пар, в котором содержатся взвешенные высокодисперсные частицы жидкой фазы. Массовая доля сухого насыщенного пара во влажном называется степенью сухости пара х, а (1-х) – степенью влажности. Если сухому насыщенному пару при постоянном давлении сообщить некоторое количество теплоты, то его температура будет больше температуры насыщения. Такой пар называется перегретым.
|
|
Теплотой жидкости называют количество теплоты, необходимое для нагревания 1кг жидкости от Т=273К до температуры насыщения Тн. Теплотой парообразования называют количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости при температуре кипения в сухой насыщенный пар при постоянных температуре и давлении. Теплота парообразования однозначно определяется давлением и температурой и уменьшается с их ростом до нуля в критической точке. Она расходуется на работу по преодолению сил молекулярного сцепления при переходе молекул из жидкой фазы в паровую (Р) и на внешнюю работу расширения Ф = Р (v’’- v’), где v’’, v’ – удельные объёмы пара и воды. Тогда можно записать: r = (Р+Ф), где r – теплота парообразования. Обычно Р и Ф называют внутренней и внешней теплотой парообразования. Зависимость Р = Р(Т) при фазовом превращении вещества определяется уравнением Клапейрона-Клаузиуса:
dP/dT = r/Tн(v’’- v’ ),
где Tн – температура насыщения,
|
|
dP/dT – производная от давления по температуре, взятая на кривой ОК фазового перехода в координатах Р-Т (рис.1.),
Г - газообразная фаза; Ж - жидкая фаза; ОК – парообразование (конденсация); ОА – плавление (отвердевание); ОВ – сублимация (десублимация). Удельный объём сухого насыщенного пара v’’ экспериментальным путём определить трудно из-за неустойчивости состояния пара, поэтому его рассчитывают по уравнению Клапейрона-Клаузиуса, определив из эксперимента другие величины [ r, v’, P=f(Tн) ].
 |
Рис.1. Диаграмма Р -Т состояния вещества.
Перегретый пар и в ещё большей степени насыщенный отличаются по свойствам от идеальных газов.
Уравнения состояния для паров сложны и не применяются в практических расчётах. Поэтому используют таблицы и диаграммы, составленные на основании опытных и теоретических данных.В таблицах термодинамических свойств воды и водяного пара (в книге Александрова А.А. и др. «Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики». М: Издательский дом МЭИ, 2009) приведены термодинамические параметры кипящей воды и сухого насыщенного пара (удельный объём v, энтальпия h, теплота парообразования r, энтропия s).
ДИАГРАММЫp-v и Т-v ДЛЯ ВОДЫИ ВОДЯНОГО ПАРА.
Процесс нагревания и испарения воды при различных давлениях, в том числе и ниже атмосферного, показан на «диаграммах p-v и Т-v для воды и водяного пара», изображённых на рис. 2.
На рис. 2 показана диаграмма p-v воды и водяного пара, на которой рассмотрена изобара ad. Точка а соответствует состоянию воды при температуре 00С. В результате изобарного процесса ab подвода теплоты температура воды повышается, а удельный объем увеличивается. При температуре, соответствующей выбранному давлению, в точке b вода закипает.
|
|
Рис.2. Диаграммы p-v и T-v для воды и водяного пара
Кипение воды сопровождается бурным парообразованием по всему объему жидкости. Процесс парообразования идет на участке изобары bc при постоянной температуре, т.е. участок bc одновременно является изотермой и изобарой. Полное испарение воды произойдет в точке с, где степень сухости пара равна единице, а в точке b степень сухости пара равняется нулю. При большем давлении описанный процесс может быть представлен зависимостью a’d’.
Область I соответствует нагреваемой воде, область II – насыщенному пару, область Ш – перегретому пару. Эти области разделяет нижняя пограничная кривая1, где степень сухости равна нулю, и верхняя пограничная кривая 2, где степень сухости пара равна единице. Между кривыми 1 и 2 располагается область влажного насыщенного пара, в которой в равновесии находятся две фазы – жидкость и пар.
Критическая точка К – конечная точка фазового перехода жидкость – пар. При температурах выше критической существование вещества в двухфазном состоянии невозможно. Параметры критической точки: давление pk = 22,064 МПа; удельный объем vk = 0,03106 м3/ кг; абсолютная температура Tk = 647,096 К (373,946 С).