O fază este o stare a unei substanțe caracterizată prin faptul că ocupă o anumită arie de spațiu, iar în această regiune parametrii și proprietățile substanței rămân constante sau se schimbă continuu. Acest domeniu spațial este separat de alte părți ale spațiului de o limită. Masa unei substanțe conținute într-o singură fază se poate schimba în timp. În acest caz vorbim despre o tranziție de fază. Tranziția de fază se realizează prin limita de fază. Următoarele sunt cele mai frecvente tranziții de fază:
fierbere (trecerea materiei de la lichid la vapori);
condensarea (trecerea materiei de la vapori la lichid);
cristalizarea, solidificarea (trecerea unei substanțe dintr-un lichid într-o stare solidă);
topire (trecerea unei substanțe dintr-o stare solidă într-un lichid).
Este convenabil să se prezinte faze pe diagrame de fază. O diagramă de fază este un plan cu un sistem de coordonate cartezian pe acesta, de-a lungul axelor cărora sunt reprezentate valorile unei perechi de parametri termodinamici de bază. Acest avion este împărțit în mai multe regiuni, fiecare reprezentând o anumită fază. Diagrama de fază prezintă, de asemenea, izolinele de bază (liniile de constanță ale parametrilor termodinamici de bază: izochorii, izoborile, izotermele, izentropii, izoetalpul și liniile de uscăciune constantă.
Cele mai frecvente sunt diagramele de fază ale formelor T-S, P-V, H-S, H-lgP. Luați în considerare diagrama fazei T-S. În Fig. 31 prezintă fazele principale și interfețele:
F + T-lichid + corp
NK - regiune supercritică
Г - zona gazului ВП - abur umed
bkc este curba de saturație. Caracterizează starea saturată a unei substanțe.
bk este linia de lichid saturat. Un lichid saturat este o stare lichidă a unei substanțe, caracterizată prin aceea că alimentarea unei cantități mici de căldură în mod arbitrar duce la o formare intensă de abur.
ks este linia de vapori saturată uscată. Această stare de gaz este o substanță caracterizată prin faptul că o răcire arbitrar mică duce la începutul procesului de condensare.
abc este linia de puncte triple. Punctul triplu este o stare de materie caracterizată prin coexistența de echilibru a trei faze simultan: solid, lichid și gaz. Echilibrul de fază se caracterizează prin faptul că nu există o tranziție de fază între faze. În condiŃii externe constante, echilibrul de fază poate coexista cât de mult se dorește. Pentru ca cele două faze să fie în echilibru, trebuie îndeplinite trei condiții: 1) fazele trebuie să aibă aceeași presiune; 2) fazele ar trebui să aibă aceeași temperatură; 3) fazele trebuie să aibă un potențial chimic.
este linia de pornire a procesului de solidificare sau sfârșitul procesului de topire.
ad este linia de terminare a procesului de solidificare sau începutul procesului de topire.
dek este izotermia temperaturii critice.
P = Pcr este izobar critic.
k este un punct critic. Caracterizat de faptul că la o temperatură mai mare decât cea critică. Este imposibil să se obțină un lichid prin compresie izotermică. Presiunea și temperatura critice sunt presiuni și temperaturi sub punctul critic.
Regiunea T este regiunea gazului. Această regiune se află la o presiune sub critică, iar temperatura este superioară celei critice. Regiunea gazului este caracterizată prin faptul că starea gazului din această regiune este descrisă de ecuația de stare a unui gaz ideal.
Regiunea PP este regiunea aburului supraîncălzit. Acesta este situat la o temperatură sub temperatura critică și în dreapta liniei kc. Această regiune este caracterizată de faptul că în ea comportamentul unei substanțe este descris de ecuația lui Van der Waals sau de ecuația modificată a gazului ideal
unde z este coeficientul de compresibilitate (factor de corecție, ținând seama de deviația comportamentului substanțelor reale dintr-un gaz ideal).
Regiunea M + P este regiunea aburului umed. Este limitată de curba de saturație și de linia de puncte triple. Aceasta este o regiune cu două faze caracterizată prin starea de echilibru a vaporilor saturați și a lichidului saturat. Această regiune a proceselor de condensare și de fierbere.
Regiunea M este regiunea lichidului suprasolicitat. Este limitată mai sus de o izotermă critică, la dreapta printr-o linie de lichid saturată, la stânga printr-o linie de pornire a cristalizării.
Regiunea T + M este o regiune în două faze a coexistenței de echilibru a fazei lichide și a fazei solide. Această regiune a proceselor de solidificare (cristalizare) de topire.
Regiunea T + II este o regiune în două faze a coexistenței de echilibru a vaporilor saturați și a unui solid. Deasupra acestei regiuni este limitată de o linie de puncte triple. Un punct triplu este starea de echilibru a trei stări agregate. Această regiune a proceselor de sublimare și desublimare. Sublimarea se referă la procesul de tranziție a fazei solide în faza gazoasă. Desublimarea este procesul de tranziție a aburului saturat la o fază solidă.
Regiunea NC este regiunea stării supercritice a substanței. Este localizat la o presiune și o temperatură mai mare decât cea critică. Caracterizat prin faptul că substanța în această stare are proprietăți atât de lichid, cât și de gaz.
În Fig. 32 prezintă liniile principalelor procese.
- entalpie specifică de vapori saturați în starea punctului;
- entropia specifică a lichidului saturat în starea punctului;
- entropia specifică a vaporilor saturați în starea unui punct.
Exprimăm din ultima ecuație x
Din această formulă rezultă că, pentru a mări gradul de uscăciune, este necesară creșterea entropiei. și anume aducă căldură unui cuplu umed. În același timp, proporția lichidului saturat va scădea, iar vaporii saturați vor crește. Parametrii lichidului saturat și a vaporilor saturați nu se vor schimba în același timp. Acest proces se numește fierbere. Dacă îndepărtăm căldura din abur umed, atunci entropia va scădea, astfel încât gradul de uscăciune va scădea, adică substanța se va transfera din starea de vapori saturat în starea lichidă saturată. Acest proces se numește condensare.
Pentru a transfera complet 1 kg de lichid saturat în stare de abur saturat uscat, trebuie furnizată o anumită cantitate de căldură denumită căldură specifică de vaporizare r.
În procesul izobaric, care este fierbere sau condensare, căldura furnizată sau deturnată este egală cu schimbarea entalpiei. Prin urmare, următoarea relație deține:
Având în vedere relația de căldură cu schimbarea entropiei în procesul izotermic. avem
Un ciclu termodinamic este un proces termodinamic închis, adică proces, în urma căruia sistemul revine la starea inițială. Putem da o altă definiție a ciclului termodinamic ca o secvență de procese termodinamice, a cărei realizare conduce sistemul la starea sa inițială. Să scriem prima lege a termodinamicii pentru un sistem închis în formă
Pe măsură ce sistemul revine la starea inițială, atunci. Rezultatul este o ecuație generalizată a ciclului termodinamic
unde Q - căldura totală, pe care sistemul o schimbă cu mediul;
L este lucrarea cumulată pe care sistemul o angajează sau o cheltuiește.
Căldura Q poate fi reprezentată în formă
În Fig. 38 prezintă ciclul invers în diagrama T-S. Procesul 1a2 este însoțit de intrarea de căldură Q1. deoarece entropia crește. În acest caz, căldura este egală cu aria de sub linia la2. În procesul 2b1, căldura Q2 este deviată; Entropia scade, iar această căldură este egală cu aria de sub linia 2b1. Se poate observa din figură că aria figurinei m1a2n este mai mică decât aria m1b2n, prin urmare Q1 În Fig. 39 prezintă ciclul invers în diagrama P-V. Procesul la2 este însoțit de finalizarea lucrării L1a2. deoarece volumul în acest proces crește. În acest caz, munca efectuată este egală cu aria de sub linia la2. În procesul 2b1, funcționarea lui L2b1 este cheltuită, deoarece volumul scade, iar această lucrare este egală cu aria de sub linia 2b1. Se poate vedea din figură că aria figurinei m1a2n este mai mică decât aria m1b2n, prin urmare L1a2 Ciclurile termodinamice inverse sunt împărțite în trei tipuri: 1. cicluri frigorifice; 2. ciclurile pompei de căldură; 3. cicluri combinate. Ciclul de răcire este prezentat în Fig. 40 sub numerele romane I. Acesta este ciclul invers în care se consumă lucrările pentru a devia căldura Q1 de la obiectul răcit situat la temperatura TOO sub temperatura ambientală TOC. Ciclurile de răcire sunt implementate în instalații cu temperatură scăzută, în special în frigiderele de uz casnic. În acest caz, căldura Q1. furnizat substanței de lucru (freon), este căldura care este deturnată de la produsele din congelator. Ciclul II al pompei de căldură este ciclul invers în care se lucrează pentru a furniza căldură Q2 la obiectul încălzit la temperatura TNO peste temperatura ambiantă TOC. Acest ciclu este realizat de aparatele de aer condiționat care funcționează în modul de încălzire al încăperii. În acest caz, obiectul încălzit este aerul în încăpere. Temperatura obiectului care este încălzită este temperatura camerei. Pe măsură ce se folosește mediul, se folosește aerul exterior cu temperatură scăzută. Încălzire Q2. Căldura care intră în cameră în acest caz și determinată de expresia (144) este mai mare decât căldura care ar fi furnizată atunci când încăperea este încălzită de un încălzitor electric în care energia electrică este transformată în energie termică. Combinat Ciclul III - acest ciclu de întoarcere, în care lucrarea este cheltuită pentru a îndepărta căldura Q1 din obiectul răcit la LLP temperatura sub temperatura mediului ambiant, și Q2 simultană de căldură către obiect încălzit la o temperatură peste medie temperatură TSB ambiantă. Dispozitivul care implementează ciclul combinat este un frigider de uz casnic situat într-o clădire rezidențială. La rândul său, din exteriorul acestei încăperi se află aerul cu temperatură scăzută. În acest caz, obiectul de încălzire la care este furnizată căldura Q2 (extrasă din ciclu) este aerul. situat într-o cameră cu temperatura camerei. răcirea obiectului sunt produse în camera de congelare din care se îndepărtează de căldură și Q1 este furnizat la freon, circulă în frigider. Coeficientul de eficiență al ciclului frigorific se numește coeficientul de refrigerare # 949;. Energia utilă în acest caz este căldura Q1. îndepărtat de la obiectul răcit și furnizat substanței active care face ciclul. Energia consumată este lucrarea L furnizată Din această expresie se poate observa că, spre deosebire de eficiență, coeficientul de răcire poate fi mai mic sau mai mult decât unitatea. Acesta este dezavantajul său semnificativ, pentru că nu oferă o referință pentru comparație (standard pentru eficiență - 1). Coeficientul de eficiență al unui ciclu de pompă caldă se numește coeficientul de încălzire # 956;. În acest caz, energia utilă este căldura Q2. furnizat la obiectul încălzit (și retras din ciclu). Energia consumată este lucrarea L furnizată Din această expresie se vede că coeficientul de încălzire este întotdeauna mai mare decât unitatea, iar ciclul pompei de căldură este cu atât mai eficient cu cât este mai mare valoarea # 956; peste unitate. Coeficientul de eficiență al ciclului combinat nu are un nume special și este notat cu k. Energia utilă în acest caz este căldura Q1. care este scos din obiectul răcit și, în același timp, căldura Q2. furnizat la obiectul încălzit. Energia consumată este lucrarea L furnizată Această expresie arată că factorul de eficiență al ciclului combinat este cunoscut a fi mai mare decât unitatea, Ciclul Carnot reversibil Toate ciclurile, atât directe, cât și inverse, sunt împărțite în două tipuri: reversibile și ireversibile. Un ciclu inversabil este un ciclu constând numai în procese inversibile. Un ciclu ireversibil este un ciclu în care este prezent cel puțin un proces ireversibil. Pentru ca procesul să fie reversibil, acesta trebuie să fie în echilibru, adică trebuie să curgă cu o viteză infinită scăzută. Acest lucru este posibil numai dacă diferența potențială care interacționează cu sistemul și cu mediul este infinite. Pentru un sistem termodinamic, aceasta înseamnă că, cu schimbul de căldură reversibil cu mediul, diferența de temperatură dintre sistem și mediu trebuie să fie o cantitate infinitezimală, adică nu ar trebui să existe rezistență termică între sistem și mediu. Extinderea și contracția reversibilă sunt posibile în cazul unei diferențe infinite de presiune între sistem și mediu. Acest lucru este posibil numai atunci când nu există nici o frecare în sistem. Din aceasta rezultă că în sistemul termomecanic există două surse de ireversibilitate: 1. prezența rezistenței termice între diferite părți ale sistemului, ceea ce conduce la o diferență de temperatură finită în timpul schimbului de căldură; 2. Prezența fricțiunii în sistem (sau între sistem și mediu), ceea ce duce la o diferență de presiune finită. Din toate ciclurile termodinamice, ciclul Carnot reversibil (linia dreaptă) este izolat pe baza faptului că pentru o diferență de temperatură dată între sursele fierbinți și cele reci, ciclul Carnot reversibil are cea mai mare eficiență posibilă. Ciclul Carnot reversibil, prezentat în Fig. 41 și Fig. 42, constă din două adiabate și două izoterme. 1-2 - procesul de extindere adiabatică. În acest proces se efectuează lucrul L12. 2-3 procesul de compresie izotermă. În acest proces, lucrarea lui L23 este consumată și căldura Q23 este deviată. 3-4 - procesul de compresie adiabatică. În acest proces, lucrarea lui L34 este cheltuită. 4-1 este procesul de extindere izotermică. În acest proces se efectuează lucrarea L41 și se furnizează căldură Q41. Principalele procese ale ciclului sunt procesele 4-1 și 1-2. Sunt cicluri de lucru. Procesele rămase sunt auxiliare și vizează restabilirea sistemului la starea inițială cu cel mai mic consum de energie. Definiți eficiența ciclului reversibil Carnot # 951; BCC: Prin definiție, EFICIENȚA (143) Încălzile Q23 și Q41 pe baza (39) sunt determinate de expresii Înlocuind aceste expresii în (148) și reducându-le prin diferența de entropie, obținem Deoarece ciclul în cauză este reversibil, diferența de temperatură dintre sursa fierbinte și substanța de lucru în procedeul 4-1 va fi o cantitate infinitezimală. prin urmare Plecând de la aceleași considerente, obținem Înlocuind ultimele două relații în (149), obținem expresia pentru eficiența ciclului reversibil Carnot Această formulă arată că eficiența unui ciclu Carnot reversibil nu depinde de proprietățile corpului de lucru care efectuează ciclul Carnot și este determinată numai de temperaturile surselor calde și reci. Această concluzie este formularea primei teoreme a lui Carnot.
Trimiteți-le prietenilor: