Сообщение смеси жидкости паров и газов

Обновлено: 30.06.2024

Термодинамическая смесь – система, состоящая из химически невзаимодействующих друг с другом компонентов. Состав смеси задаётся либо массовой концентрацией компонентов - , либо молярным составом - (объёмный).

, где - масса одного компонента смеси, - масса всей смеси.

, где - число киломолей вещества, - число киломолей смеси,

Для смеси нужно уметь определять среднюю молекулярную массу и среднюю газовую постоянную :

Если смесь является идеальным газом, то .

Если смесь является реальным газом, то .

7. Схемы смешения. Закон Дальтона.

Схемы смешивания газов:

Закон Дальтона: давление смеси равно сумме парциальных давлений компонентов.

8. Определение температуры смеси. Теплоемкость смеси.

Внутренняя энергия и энтальпия идеального газа - функции только температуры, исходными соотношениями для определения средней температуры смеси идеальных газов служат следующие соотношения:

С учетом соотношений (1.39), (1.40) получаем обобщенное выражение по определению средней температуры смеси идеальных газов для различных схем смешения

г де – массовая и молярная концентрации i-го компонента смеси; – средние удельные массовая и молярная теплоемкости i-го компонента смеси в процессах ( ); – средние удельные массовая и молярная теплоемкости смеси,

9. Термодинамические условия фазовых переходов

Различают три агрегатных состояния простых систем: твердое, жидкое и газовое.

С помощью фазовой диаграммы можно проследить переход тела из одного агрегатного состояния в другое.

Фазами системы называются области, ограниченные поверхностями раздела. На линиях фазовых превращений существует однозначная зависимость между давлением и температурой. Эти линии пересекаются в тройной точке, где вещество одновременно находится в трех агрегатных состояниях. Параметры тройной точки принадлежат к термодинамическим константам вещества. Энергетической границей между жидкостью и паром является теплота испарения, а между твердым телом и жидкостью – теплота плавления. Так как процессы испарения и плавления протекают при постоянной температуре, то теплоты испарения, плавления и сублимации есть теплоты изотермических превращений. Теплота фазового перехода обозначается символом .

Возгонка – переход вещества из твёрдого состояния в газообразное.

Сублимация – переход вещества из газообразного состояния в твёрдое.

Испарение – переход вещества из жидкого состояния в газообразное.

Конденсация – переход вещества из газообразного состояния в жидкое.

Кристаллизация – переход вещества из жидкого состояния в твёрдое.

Плавление – переход вещества из твёрдого состояния в жидкое.

Д ля совершения перехода 1-2 в точке нужно подвести тепло, что бы совершить работу.

Прямой процесс - - нужно подвести тепло. Обратный процесс - - нужно отвести тепло.

Теплота фазового перехода - .

Точка - точка термодинамического равновесия – тройная точка.

Точка - критическая точка – точка, в которой исчезают термодинамические различия между фазами, то есть .

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Термодинамическая система – объект исследования термодинамики, может представлять собой смесь химически не взаимодействующих между собой чистых веществ. Предполагается также, что структура отдельных компонентов смеси в процессе смесеобразования и стабилизации смеси не изменяется.

Из закона сохранения материи следует, что масса смеси G равна сумме масс составляющих ее компонентов G_i

а число киломолей смеси равно сумме числа киломолей всех компонентов смеси

где – число компонентов в смеси.

Одной из важнейших характеристик смеси является ее состав. Он задается массовыми или молярными концентрациями (долями) компонентов.

Массовой концентрацией или массовой долей m_i называется отношение массы компонента к массе всей смеси

Молярной концентрацией или молярной долей i-го компонента называется отношение количества киломолей этого компонента к общему числу киломолей смеси

Очевидно, что для термодинамических смесей справедливы следующие соотношения:

Средняя (кажущаяся) молярная масса смеси равна отношению массы смеси к количеству киломолей смеси и может быть определена из следующих соотношений:

= = = ; (201)

= = = = . (202)

Зависимость между массовой и молярной концентрациями устанавливается соотношением

Газовая постоянная смеси может быть вычислена по следующему выражению:

где =8314 Дж/(кмоль К) – универсальная газовая постоянная, R_i – характеристическая газовая постоянная компонента смеси.

Для жидких, твердых и газообразных смесей часто используется и понятие объемной концентрации компонентов. Объемной концентрацией i-го компонента называется отношение объема данного компонента V_i к объему всей смеси V

Схемы смешения

При образовании смесей на практике встречаются две основные схемы смешения: при постоянном объеме (V = idem, рис. 18а) и постоянном давлении (p = idem, рис. 18б).

Рис. 18. Схемы смешения при постоянном объеме (а)

и при постоянном давлении (б)

При расчете и анализе схемы смешения при постоянном объеме рассматривается система, включающая ряд резервуаров, соединенных трубопроводами с установленными на них кранами (рис. 18а). В каждом резервуаре
объемом V_i находится один компонент с известными исходными
параметрами (G_i , , , T_i ). После открытия кранов во всех резервуарах происходит выравнивание давления p_m, а затем температуры T_m и концентрации компонентов (m_i, r_i) – система переходит в состояние термодинамического равновесия. Во всех стадиях процесса смешения полный объем системы сохраняет неизменную величину V = .

В процессе смешения по схеме с постоянным объемом теплота извне не подводится ( ) и внешняя работа не совершается ( ) и, следовательно, исходя из первого начала термодинамики по внешнему балансу (35), получаем, что этот процесс смешения идет без изменения внутренней энергии

Смесеобразование при постоянном давлении происходит в трубопроводах (рис. 18б). К общему трубопроводу отдельными потоками подводятся компоненты. Для каждого компонента известны: массовый расход G_i , молярная масса m_i , давление p_i и температура T_i . Смесеобразование в трубопроводе возможно лишь в случае, когда давление каждого компонента p_i больше среднего давления смеси в трубопроводе . При прохождении запорного устройства давление компонента уменьшается до среднего давления смеси – отсюда наименование схемы ( ).

Заключительные стадии процесса смешения при – выравнивание температур, концентраций компонентов в смеси (диффузионные процессы) и переход системы в состояние термодинамического равновесия.

В процессе смешения при теплота извне не подводится ( ) и внешняя работа не совершается ( ) и, следовательно, исходя из первого начала термодинамики по внешнему балансу для потока (81), получаем, что этот процесс смешения идет без изменения энтальпии

Смеси идеальных газов

Смеси идеальных газов являются также идеальными газами и подчиняются уравнению состояния идеальных газов (уравнению Клапейрона)

где , – давление и температура смеси.

Средняя температура и среднее давление смеси характеризуют конечное состояние диффузионного равновесия смеси.

Состояние компонентов смеси в процессе перемешивания непрерывно изменяется, начиная с момента первичного выравнивания давлений компонентов и кончая состоянием диффузионного равновесия, когда давление каждого из компонентов снижается до уровня стабильного парциального давления .

Закон диффузионного равновесия смеси идеальных газов (закон Дальтона) характеризует установившееся состояние газовой смеси и формулируется следующим образом: каждый компонент смеси ведет себя в газовой смеси так, как будто он один при температуре смеси равномерно распространен во всем объеме смеси и развивает при этом давление, которое называется парциальным .

Уравнения состояния для i-го компонента и всей смеси идеальных газов могут быть представлены в следующем виде:

При делении уравнения (210) на уравнение (211) получаем

Из соотношения (212) следует, что парциальное давление i-го компонента в смеси идеальных газов определяется через полное давление смеси и молярную концентрацию компонента

После преобразования соотношения (213) получаем, что сумма парциальных давлений всех компонентов смеси идеальных газов равна полному давлению смеси

Поскольку внутренняя энергия и энтальпия идеального газа - функции только температуры, исходными соотношениями для определения средней температуры смеси идеальных газов служат следующие соотношения:

в схеме смешения при

С учетом этих соотношений (215), (216) получаем обобщенное выражение по определению средней температуры смеси идеальных газов для различных схем смешения

где – массовая и молярная концентрации i-го компонента смеси; – средние удельные массовая и молярная теплоемкости i-го компонента смеси в процессах ( ); – средние удельные массовая и молярная теплоемкости смеси,

Объемная концентрация каждого компонента в смеси определяется как отношение приведенного объема v_i_,_пр компонента при давлении и температуресмеси к объему всей смеси v при тех же условиях

Для идеального газа, исходя из уравнения состояния

После подстановки v_i_,_пр и V в соотношение (220) получаем

Отсюда следует, что для смесей идеальных газов объемная и молярная концентрации компонентов численно равны.

Смеси реальных газов

Для расчетов характеристик смесей реальных газов обычно используется следующее уравнение состояния

Определение значений коэффициента сжимаемости z для реальных газовых смесей проводится с использованием закона соответственных состояний. Однако, в отличие от чистых газов, характеристики соответственных состояний определяются не по фактическим критическим параметрам, а по значениям приведенных критических (псевдокритиеских) давления p_пк и температуры T_пк газовых смесей:

где p_к,i и Т_к,i - критические давление и температура компонентов газовой смеси.

Псевдокритические параметры используются для вычисления значений приведенного давлений p и температур t смеси:

Значения критических параметров чистых газов приведены в табл. 2

Критические характеристики газов

Газ	m, кг/кмоль	Т_к, К	p_к, МПа	r_к, кг/м 3	z_к
Метан, СН₄	16,04	190,55	4,600	0,288
Этан, С₂Н₆	30,07	305,43	4,876	0,285
Пропан, С₃Н₈	44,09	369,82	4,246	0,281
Изобутан, и-С₄Н₁₀	58,12	408,13	3,645	0,283
Н-бутан, н-С₄Н₁₀	58,12	425,16	3,794	0,274
Изопентан, и-С₅Н₁₂	72,15	460,40	3,381	0,268
Н-пентан, н-С₅Н₁₂	72,15	469,65	3,366	0,262
Азот, N₂	28,01	126,26	3,400	0,292
Двуокись углерода, СO₂	44,01	304,20	7,370	0,274
Сероводород, Н₂S	34,08	373,60	9,000	0,283

9. Пары и парообразование

Процесс парообразования. Основные определения

При анализе режимов работы теплосиловых установок практически всегда приходиться иметь дело с разного рода жидкостями и их парами.

Процесс парообразования и методика определения основных характеристик процесса парообразования для всех жидкостей практически аналогичны, что дает возможность рассматривать процесс парообразования на примере воды, как одного из наиболее распространенных веществ в природе.

Рассмотрим изобарный процесс парообразования 1 кг воды в
координатах р – v (рис. 19).

В исходном состоянии ( ) вода представляет из себя недогретую жидкость, имеет температуру ( ), значение которой ниже температуры насыщения ( ), а давление воды в этой точке равно р₁. В результате изобарного подвода теплоты в процессе ( - ) вода нагревается до температуры насыщения t_s₁ и в токе ( ) начинается процесс кипения.

Рис. 19. Диаграмма состояний водяного пара в координатах p-v

Процесс кипения протекает на участке а'- а" при постоянном давлении р₁ и постоянной температуре t_s₁. В точке (а") вода полностью испаряется. Пар в этом состоянии называется сухим насыщенным. На участке (а'-а") вода находится в двух фазах и состоит из смеси кипящей воды и сухого насыщенного пара. Эта двухфазная равновесная система называется влажным насыщенным паром. При дальнейшем изобарном подводе теплоты сухой насыщенный пар превращается в перегретый (а). Перегретый пар имеет температуру выше температуры кипения (насыщения) при данном давлении. В состоянии (а) параметры перегретого пара имеют следующие
значения: р₁, t_а > t_s₁ , v_a.

Аналогичные процессы изобарного подвода теплоты к воде можно провести при других давлениях р₂, р₃, и т. д. Соответствующие процессы изображаются линиями b₀ -b'-b"-b и с₀- с'-с"-с. Точки, характеризующие состояния кипящей воды и сухого насыщенного пара при различных давлениях, соединяются плавными линиями.

Линия a'-b'-с' показывает зависимость удельного объема кипящей воды от давления насыщения = f(p). Эта линия называется нижней пограничной кривой.

Точки на линии a"-b"-с" характеризуют состояние сухого насыщенного пара, а кривая определяет зависимость удельного объема сухого пара от давления = f(p) и называется верхней пограничной кривой. Пограничные кривые пересекаются в точке (К), называемой критической.

Параметры и функции состояния кипящей воды на нижней пограничной кривой линии насыщения обозначаются одним штрихом, а сухого насыщенного пара - двумя штрихами. Для однозначного определения состояния кипящей воды и сухого насыщенного пара достаточно знание давления р или температуры насыщения t_s, по значению которых в термодинамических таблицах водяного пара можно найти свойства кипящей воды - v', u', h', s' и сухого насыщенного пара - v", u", h", s".

В области между пограничными кривыми находится влажный насыщенный пар. Каждой температуре насыщенного пара соответствует определенное давление, то есть между этими параметрами существует однозначная зависимость .

Для характеристики влажного насыщенного пара, помимо р или t_s, в качестве второй независимой переменной используется массовая концентрация сухого насыщенного пара в смеси, называемая степенью сухости или паросодержанием ( )

где G" – масса сухого насыщенного пара; – масса кипящей жидкости;
G – масса влажного насыщенного пара.

На нижней пограничной кривой , а на верхней .

Отношение массы кипящей жидкости к массе смеси (влажного насыщенного пара) называется влагосодержанием

Количество теплоты, которое необходимо подвести при постоянном давлении к 1 кг кипящей жидкости для превращения ее в сухой насыщенный пар, называется скрытой теплотой парообразования и обозначается символом r . Значение скрытой теплоты парообразования (r) можно определить из математического выражения первого начала термодинамики

Так как процесс парообразования протекает при постоянном давлении ( ), скрытая теплота парообразования может быть определена из следующего соотношения:

С ростом давления или температуры кипения (насыщения) жидкостей величина скрытой теплоты парообразования уменьшается и в критической точке становятся равными нулю.

Свойства влажного насыщенного и перегретого пара

Влажный насыщенный пар является бинарной смесью. Свойства влажного насыщенного пара зависят от давления, при котором он находится, от концентраций жидкой и парообразной фаз в системе, которые определяются значением паросодержания .

Известно, что объем , внутренняя энергия , энтальпия и энтропия системы являются экстенсивными функциями, значения которых зависят от массы вещества ( ). Обозначим любую экстенсивную функцию , а ее удельное значение . Тогда .

Для вычисления экстенсивной характеристики системы - влажного насыщенного пара, воспользуемся правилом аддитивности

где и – экстенсивные характеристики кипящей воды и сухого насыщенного пара.

Выразим экстенсивные характеристики через соответствующие удельные величины и после их подстановки в уравнение (230) получим

Разделим члены уравнения (231) на массу влажного насыщенного пара и, с учетом соотношений (226), (227), получим выражение для определения удельных значений характеристик влажного насыщенного пара

С помощью соотношения (232) можно записать соотношения для определения основных параметров и удельных значений функций состояния влажного насыщенного пара (удельного объема, внутренней энергии, энтальпии и энтропии):

Энтальпия, энтропия и внутренняя энергия перегретого пара определяются из уравнений приращения этих параметров в изобарическом процессе перегрева. В связи с тем, что перегретый пар по своим свойствам близок к идеальному газу, для изобарного процесса перегрева сухого насыщенного пара с некоторой долей приближения справедливы следующие соотношения:

После интегрирования соотношений (237) от температуры насыщения Т_s до температуры перегретого пара Т, получаем систему выражений для определения удельных значений функций состояния перегретого пара:

где , – удельные значения энтальпии и энтропии сухого насыщенного пара; с_pm, – первая и вторая средние удельные теплоемкости перегретого пара в интервале температур Т-Т_s; v – удельный объем перегретого пара;
– степень перегрева.

Область перегретого пара заключена между критической изобарой и верхней пограничной кривой ( ) (рис. 20).

Рис. 20. Диаграмма состояния h-s водяного пара

Характеристики перегретых паров различных веществ v, h, s, u, с_p и с_v приводятся в термодинамических таблицах водяного пара в функции от давления и температуры.

При проведении термодинамических расчетов, наряду с аналитическими методами, достаточно часто используются и графические методы расчета, проводимые с использованием энтропийных диаграмм (Т - s и h - s). На этих диаграммах (рис. 20) обычно нанесены линии нижней пограничной кривой (x=0), верхней пограничной кривой (х=1), изобары (p=idem), изохоры (v=idem), изотермы (T=idem) и линии постоянной степени сухости (x=idem).

В области влажного насыщенного пара изобары и изотермы совпадают друг с другом, так как . При переходе в область перегретого пара изобары и изотермы разделяются и каждая представляет собой отдельную кривую. В области влажного насыщенного пара изобары и изотермы изображаются в диаграмме Т- s в виде горизонтальных прямых, а в диаграмме h - s – в виде наклонных прямых.

Наибольший практический интерес из этих диаграмм имеет диаграмма h - s прежде всего в силу того, что удельная работа ( ) в адиабатном процессе, исходя из первого начала термодинамики, по этой диаграмме определяется как величина отрезка между начальными и конечными точками процесса (h₁ – h₂).

В энтропийных диаграммах Т - s и h - s обратимые адиабатные (изоэнтропийные) процессы изображаются вертикальными отрезками.

Диаграмма Т - s, в основном, пользуется для термодинамического анализа различных циклов. Она позволяет по соответствующим площадям определить количество теплоты, подведенного и отведенного к рабочему телу в рассматриваемом цикле и работу цикла. При расчете процессов, в которых имеет место процесс парообразования, а рабочими телами являются различные вещества, преимущественно используется диаграмма h - s.

Смесь идеальных газов, не вступающих в химические соединения, ведет себя как идеальный газ, а каждый входящий в смесь идеальный газ проявляет себя так, как если бы в ней не было других газов: распространяется по всему объему смеси и следует своему уравнению состояния.

Смесь газов подчиняется закону Дальтона: при постоянной температуре общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений отдельных газов, образующих смесь. Парциальным называется давление, которое имеет каждый газ в объеме смеси и при температуре смеси:

При этом парциальное давление каждого компонента смеси равно общему давлению, умноженному на молярную (объемную) концентрацию данного компонента в смеси:

Закон аддитивности Амага: общий объем газовой смеси равен сумме парциальных объемов ее компонентов. Под парциальным объемом компонента смеси идеальных газов понимается объем, который занимал бы данный компонент при отсутствии остальных, находясь в такой же концентрации, под тем же давлением и при той же температуре:

Парциальный объем каждого компонента газовой смеси равен общему, умноженному на молярную (объемную) концентрацию его в смеси. Соотношения между количествами отдельных газов, входящих в смесь, могут быть заданы объемным или массовым составом. Объемный состав газовых смесей — одновременно и молярный: объем 1 кмоля углеводородного газа есть величина постоянная, равная примерно 22,0 м 3 .

Средние характеристики смеси газов. Для характеристики смешанных газов, представляющих собой смеси однородных газов, надо знать среднюю молекулярную массу смеси, среднюю плотность и среднюю газовую постоянную. Средняя плотность смеси рсм, кг/м3, определяется как отношение средней молекулярной массы к среднему молекулярному объему:

Средняя относительная плотность смеси по воздуху:

Средний молекулярный объем смеси, м 3 ,

К сжиженным углеводородным газам при низких давлениях с достаточной точностью применим закон Рауля: парциальное давление пара каждого компонента жидкой смеси равно упругости паров его в чистом виде при данной температуре, умноженной на молярную долю данного компонента в жидкой фазе:

Суммарное давление (упругость) паров равно сумме парциальных давлений компонентов, входящих в смесь. Состав смесей жидкости может быть выражен массовыми, объемными и молярными долями.

Смесь, состоящая из сухого газа и перегретого пара, называется ненасыщенным влажным газом, в то время как смесь сухого газа и насыщенного пара называется насыщенным влажным газом. Когда влажный газ остывает до определенной температуры (температуры точки росы), пар становится насыщенным и может даже конденсироваться в будущем. Состояние смеси газов и паров определяется относительно узким диапазоном температур и давлений. Значительное повышение температуры или понижение давления приводит к тому, что влажный газ превращается в простую газовую смесь(гл. II,§ 4).

Численное значение коэффициентов динамической вязкости для жидкостей значительно выше, чем для газов. Людмила Фирмаль

Перегретый пар, входящий в состав влажного газа, можно считать влажным газом в виде газовой смеси, предполагая, что его свойства близки к свойствам газа. Согласно закону Дальтона, давление смеси идеальных газов Р равно сумме парциальных давлений П = (9.43） Где RG-парциальное давление сухого газа. pa-парциальное давление пара.

Точно так же вы можете написать Уравнение (9.44) показывает, что плотность влажного газа выше плотности сухого газа, когда давление влажного газа относительно уравнения (9.43) выше давления сухого газа. Основными особенностями влажного состояния газа являются: м б. Относительная влажность степень насыщения газа паром (9.45 )） Где RP и pH-плотность перегретого и насыщенного пара. Соответствующее парциальное давление. Соотношение (9.45) справедливо только в том случае, если можно предположить, что жидкий пар является идеальным газом для saturate. At в то же время А где же Ф?= Ф? Это постоянный пар газа.

Абсолютная влажность О. Для определения массы пара, содержащегося в Газе IM3 О=p₀kg кг / м3′, влагосодержание-масса пара, содержащегося в 1 кг сухого газа. РГ, РГ. Или, если вы решите на pn и p, это будет выглядеть так: Из уравнения состояния、 (9.46） Влажный газ рассматривается как смесь газов, и выводится зависимость, связывающая параметры влажного газа, а состояние влажного газа определяется давлением p, температурой I, плотностью p и относительной влажностью. согласно таблице сухого насыщенного пара, определяют значение p для конкретной температуры 11p p Плотность паров смеси по формуле (9.45) равна ПУ = Раф.

Теплоемкость влажного газа можно определить по известной массе Его состав и теплоемкость сухого газа и пара、 С = Е — се + ео, ю =(о,.+(9.53). Как и в случае теплоемкости, энтальпия влажного газа равна сумме энтальпии сухого газа и Steam. So … (9.54） Энтальпия сухого газа 1кг ’Г=’ Энтальпия водяного пара, 1 в перегретом состоянии Растворение, определяемое по формуле ’П = О + ^ П + КПП(-/ Н). (9.55), где| ’ b + av-энтальпия сухого насыщенного пара в Газе (/«- температура кипения при определенном парциальном давлении). СРТ-средняя теплоемкость перегретого пара. Для водяного пара, 1a можно получить от таблицы пара.

Поэтому энтальпия влажного насыщенного пара равна. (9.56） Тепловой процесс смеси газов и паров имеет множество характеристик, которые можно классифицировать следующим образом: Процесс протекает без фазового превращения, при этом относительная влажность, Пар смеси находится в перегретом состоянии и достигает состояния насыщения φ= 1 только в крайних случаях. Процесс с фазой transformations. In в дальнейшем ходе процесса насыщенный пар начинает конденсироваться, но f остается равным 1.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Читайте также: