Тема 2. Основы теплотехники.
Теплотехника - это наука, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты. Тепловая энергия получается при сжигании органических веществ, называемых топливом.
Основы теплотехники составляют:
1. Термодинамика - наука, изучающая превращение энергии тепла в другие виды энергии (например: тепловая энергия в механическую, химическую и т. д.)
2. Теплопередача - изучает теплообмен между двумя теплоносителями через поверхность нагрева.
Рабочим телом является теплоноситель (водяной пар или горячая вода), который способен передавать теплоту.
В котельной теплоносителем (рабочим телом) является горячая вода и водяной пар с температурой 150°С или водяной пар с температурой до 250°С. Для отопления жилых и общественных зданий используется горячая вода, это связано, с санитарно-гигиеническими условиями, возможностью легкого изменения ее температуры в зависимости от температуры наружного воздуха. Вода обладает значительной плотностью по сравнению с паром, что позволяет передавать на большие расстояния значительное количество тепла при небольшом объеме теплоносителя. В систему отопления зданий вода подается с температурой не выше 95°С во избежание пригорания пыли на приборах отопления иожогов от систем отопления. Пар используется для отопления промышленных зданий и в производственно-технологических системах.
Параметры рабочего тела
Теплоноситель, получая или отдавая тепловую энергию, изменяет свое состояние.
Например: Вода в паровом котле нагревается, превращается в пар, который имеет определенную температуру и давление. Пар поступает в пароводяной подогреватель, сам охлаждается, превращается в конденсат. Температура нагреваемой воды увеличивается, температура пара и конденсата понижается.
Основными параметрами рабочего тела являются температура, давление, удельный объем, плотность.
t, P- определяется приборами: манометрами, термометрами.
Удельный объем и плотность является расчетной величиной.
1. Удельный объем - объем занимаемый единицеймассы вещества при
0°С и атмосферном давлении 760 мм.рт.ст. (при нормальных условиях)
где: V- объем (м 3); m- масса вещества (кг); стандартное условие: Р=760мм р.ст. t=20 о С
2. Плотность
- отношение массы вещества к его объему. 
каждое вещество имеет свою плотность:
В практике применяется относительная плотность – отношение плотности данного газа к плотности стандартного вещества (воздуха) при нормальных условиях (t° = 0°С: 760 мм. рт.ст.)
Сравнивая плотность воздуха с плотностью метана, мы можем определить из каких мест брать пробу на наличие метана.
получаем,
газ легче воздуха, значит, он заполняет верхнюю часть любого объема, проба берется из верхней части топки котла, колодца, камер, помещения. Газоанализаторы устанавливаются в верхней части помещений.
(мазут легче, занимает верхнюю часть)
Плотность угарного газа почти, такая как у воздуха, поэтому проба на угарный газ берется в 1.5 метров от пола.
3. Давление - эта сила, действующая на единицу площади поверхности.
Давление силы, равной 1Н, равномерно распределенное на поверхности 1м 2 принято за единицу давления и равно 1Па (Н/м 2) в системе СИ (сейчас в школах, в книгах все идет в Па, приборы тоже стали в Па).
Величина Па мала по значению, пример: если взять 1 кг воды разлить на 1 метр получаем 1 мм.в.ст. ,поэтому вводятся множители и приставки- МПа, КПа…
В технике применяются более крупные единицы измерения
1кПа=10 3 Па; 1МПа=10 б Па; 1ГПа=10 9 Па.
Вне системные единицы измерения давления кгс/м 2 ; кгс/см 2 ;мм.в.ст;мм.р.ст.
1 кгс/м 2 = 1 мм.в ст =9,8 Па
1 кгс/см 2 = 9,8 . 10 4 Па ~ 10 5 Па = 10 4 кгс/м 2
Давление не редко измеряют в физических и технических атмосферах.
Физическая атмосфера - среднее давление атмосферного воздуха на уровне моря при н.у.
1атм = 1,01325 . 10 5 Па = 760 мм рт.ст. = 10,33 м вод. ст = 1,0330 мм в. ст. = 1,033 кгс/ см 2 .
Техническая атмосфера- давление вызываемое силой в 1кгс равномерно распределенное по нормальной к ней поверхности площадью в 1см 2 .
1ат = 735 мм рт. ст. = 10 м. в. ст. = 10.000 мм в. ст. = =0,1 МПа= 1 кгс/см 2
1 мм в. ст. - сила, равная гидростатическому давлению водяного столба высотой в 1 мм на плоское основание 1мм в. ст = 9,8 Па.
1 мм. рт. ст - сила, равная гидростатическому давлению столба ртути высотой 1 мм на плоское основание. 1 мм рт. ст. = 13,6 мм. в. ст.
В технических характеристиках насосов вместо давления употребляется термин напор. Единицей измерения напора является м. вод. ст. Например: Напор создаваемый насосом равен 50 м вод. ст. это значит, он может поднять воду на высоту 50 м.
Виды давления : избыточное, вакуум (разрежение, тяга), абсолютное, атмосферное .
Если стрелка отклоняется в строну большую нуля то это избыточное давление, в меньшую – разряжение.
Абсолютное давление:
Р абс =Р изб +Р атм
Р абс =Р вак +Р атм
Р абс =Р атм -Р разр
где: Р атм =1 кгс/см 2
Атмосферное давление - среднее давление атмосферного воздуха на уровне моря при t° = 0°С и нормальном атмосферном Р =760 мм. рт. ст.
Избыточное давление - давление выше атмосферного (в замкнутом объеме). В котельных под избыточным давлением находятся вода, пар в котлах и трубопроводах. Р изб. измеряется приборами манометрами.
Вакуум (Разрежение) - давление в замкнутых объемах меньше атмосферного (вакуум). Топки и дымоходы котлов находятся под разрежением. Разрежение измеряется приборами тягомерами.
Абсолютное давление - избыточное давление или разрежение с учетом атмосферного давления.
По назначению давление бывает:
1). Русловное - наибольшее давление при t=20 o С
2). Ррабочее – максимально избыточное давление в котле, при котором обеспечивается длительная работа котла при нормальных условиях эксплуатации (указывается в производственной инструкции).
3). Рразрешенное - максимально допустимое давление, установленное по результатам технического освидетельствования или контрольного расчета на прочность.
4). Ррасчетное – максимально избыточное давление, на котором производится расчет прочность элементов котла.
5). Рпробное - избыточное давление, при котором производят гидравлические испытания элементов котла на прочность и плотность (один из видов технического освидетельствования).
4. Температура - это степень нагретости тела, измеряется в градусах. Определяет направление самопроизвольной передачи тепла от более нагретого к менее нагретому телу.
Передача тепла будет иметь место до того момента пока температуры не станут равными, т. е. наступит температурное равновесие.
Используются две шкалы: международная - Кельвина и практическая Цельсия t °С.
За ноль в этой шкале принята температура плавления льда, за сто градусов – температура кипения воды при атм. давлении (760 мм рт. ст.).
За начало отсчета в термодинамической шкале температур Кельвина применят абсолютный нуль (низшая теоретически возможная температура, при которой отсутствует движение молекул). Обозначается Т.
1 Кельвин по величине равен 1° шкалы Цельсия
Температура таяния льда равна 273К. Температура кипения воды равна 373К
Т=t + 273; t = T-273
Температура кипения зависит от давления.
Например, При Р аб c = 1,7 кгс/см 2 . Вода кипит при t = 115°С.
5. Теплота - энергия, которая может передаваться от более нагретого тела к менее нагретому.
В системе СИ единицей измерения теплоты и энергии является Джоуль (Дж). Внесистемная единица измерения теплоты - калория (кал.).
1 кал. - количество теплоты необходимое для нагрева 1 г Н 2 О на 1°С при
Р = 760 мм. рт.ст.
1 кал. =4,19Дж
6.Теплоемкость – способность тела поглощать теплоту. Для того чтобы два различных вещества с одинаковой массой нагреть до одинаковой температуры, нужно затратить различное количество теплоты.
Удельная теплоемкость воды – количество тепла которое необходимо сообщить единицей вещества чтобы повысить его t на 1°С, равна 1 ккал/кг град.
Способы передачи теплоты.
Различают, три способа переноса теплоты:
1.теплопроводность;
2.излучение (радиация);
3.конвекция.
Теплопроводность-
Перенос теплоты вследствие теплового движения молекул, атомов и свободных электронов.
Каждое вещество имеет свою теплопроводность, она зависит от химического состава, структуры, влажности материала.
Количественной характеристикой теплопроводности является коэффициент теплопроводности этоколичество теплоты, передаваемые через единицу поверхности нагрева в единицу времени при разности t в о С и толщине стенки в 1 метр.
Коэффициент теплопроводности ( ):
Медь = 330 ккал . м/м 2. ч . град
Чугун = 5 4 ккал . м/м 2. ч . град
Сталь =39 ккал . м/м 2. ч . град
Видно что: хорошей теплопроводностью обладают металлы, лучше всего медь.
Асбест =0,15 ккал . м/м 2. ч . град
Сажа =0,05-0, ккал . м/м 2. ч . град
Накипь =0,07-2 ккал . м/м 2. ч . град
Воздух =0,02 ккал . м/м 2. ч . град
Слабо проводят теплоту пористые тела (асбест, сажа, накипь).
Сажа затрудняет передачу тепла от топочных газов к стенке котла (проводит тепло хуже стали в 100 раз), что приводит к перерасходу топлива, снижению выработки пара или горячей воды. При наличии сажи повышается температура уходящих газов. Все это ведет и уменьшению КПД котла. При работе котлов ежечасно по приборам (логометр) контролируется t ух.газов, значения которых указаны в режимной карте котла. Если t ух.газов повысилась то производится обдувка поверхности нагрева.
Накипь образуется внутри труб (в 30-50 раз хуже проводит тепло, чем сталь), тем самым уменьшает теплопередачу от стенки котла к воде, в результате стенки перегреваются, деформируются, разрываются (разрыв труб котла). Накипь в 30-50 раз хуже проводит тепло, чем сталь
Конвекция -
Перенос теплоты перемешиванием или перемещением частиц между собой (характерна только для жидкостей и газов). Различают конвекцию естественную и принудительную.
Естественная конвекция - свободное движение жидкости или газов за счет разности плотностей неравномерно нагретых слоев.
Принудительная конвекция - вынужденное движение жидкости или газов за счет давления или разрежения, создаваемых насосами, дымососами и вентиляторами.
Способы увеличения конвективного теплообмена:
§ Увеличение скорости потока;
§ Турбулизация (завихрение);
§ Увеличение поверхности нагрева (за счет установки ребер);
§ Увеличение разности температур между греющей и нагреваемой средами;
§ Противоточное движение сред (противоток) .
Излучение (радиация)-
Теплообмен между телами находящимися на расстоянии друг от друга за счет лучистой энергии, носителями которой являются электромагнитные колебания: происходит превращение тепловой энергии в лучистую и наоборот, из лучистой в тепловую.
Излучение наиболее эффективный способ передачи теплоты, особенно если изучающее тело имеет высокую температуру, а лучи направлены перпендикулярно к нагреваемой поверхности.
Для улучшения теплообмена излучением в топках котлов выкладываются из огнеупорных материалов специальные щели, которые одновременно являются излучателями теплоты и стабилизаторами горения.
Поверхность нагрева котла – поверхность, с которой с одной стороны омывается газами с другой стороны водой.
Рассмотренные выше 3 вида теплообмена в чистом виде встречаются редко. Практически один вид теплообмена сопровождается другим. В котле присутствуют все три вида теплообмена, который называется сложным теплообменом.
В топке котла:
А) от факела горелки к внешней поверхности труб котла- излучением.
Б) от образующихся дымовых газов к стенке –конвекцией
В) от внешней поверхности стенки трубы к внутренней- теплопроводностью.
Г) от внутренней поверхности стенки трубы к воде, циркуляцией вдоль поверхности – конвекцией.
Перенос теплоты от одной среды к другой через разделительную стенку называется теплопередачей.
Вода, водяной пар и его свойства
Вода простейшая устойчивая в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом, наибольшая плотность воды 1000кг/м 3 при t=4 о С.
Вода, как и всякая жидкость, подчиняется гидравлическим законам. Она почти не сжимается, поэтому обладает способностью передавать давление, оказываемое на нее во все стороны с одинаковой силы. Если несколько сосудов разной формы соединить между собой, то уровень воды будет одинаковый везде (закон сообщающихся сосудов).
Какие еще вещества, кроме газов, входят в состав воздуха?
1. Распространение водяного пара в воздухе.
После дождя вы все наблюдали, как крыши домов, стволы деревьев и листья намокают, везде образуются лужи. После рассеивания туч появляется Солнце, и все вокруг высыхает. Куда исчезает бесследно дождевая вода? Она превращается в водяной пар. Так как он бесцветен, как воздух, то мы его не видим.
В любом воздухе содержится определенное количество воды в виде водяного пара. Частицы воды в виде пара содержатся также в составе воздуха комнаты. Заметить это нетрудно. Зимой обратите внимание на металлические предметы (замок портфеля, коньки и др.), занесенные домой с улицы. Через некоторое время они начинают «потеть». Это значит, что теплый воздух в комнате, соприкасаясь с холодным предметом, выделяет капельки воды.
Влага земной поверхности испаряется из почвы, болот, рек, озер, морей и океанов в виде водяного пара в атмосферу. Большое количество воды (86%) испаряется из океанов и морей.
В природе водяной пар находится в непрерывном круговороте. Водяной пар, поднимаясь над океанами и поверхностью суши, попадает в атмосферу. Воздушные течения уносят его с собой в другие места. Водяной пар, в свою очередь, охлаждаясь, превращается в облака, и в виде осадков он снова возвращается на поверхность Земли.
2. Зависимость водяного пара в воздухе от температуры. Содержание водяного пара в воздухе зависит от состояния испаряемой поверхности и температуры. Над океаном в воздухе водяного пара много, а над сушей - мало. Кроме того, чем выше температура, тем больше содержание водяного пара в воздухе.
Как видно из таблицы, воздух может содержать водяной пар соответственно при определенной температуре. Если воздух содержит такое количество водяного пара, какое он при данной температуре может содержать, то его называют насыщенным. Например, для насыщения 1м3 воздуха водяным паром при температуре +30°С необходимо 30 г водяного пара. Если количество водяного пара составляет всего 25 г, то воздух будет ненасыщенным, сухим.
При повышении температуры насыщенный воздух становится ненасыщенным. Например, для насыщения 1м3 воздуха при температуре 0°С необходимо 5 г водяного пара. Если температура воздуха поднимается до +10°С, то для насыщения воздуха не будет хватать 4 г водяного пара.
3.Абсолютная и относительная влажность.
Содержание водяного пара в воздухе определяется абсолютной и относительной влажностью.
Абсолютная влажность - количество водяного пара в граммах в 1 м3 воздуха (г/м3).
Относительная влажность - отношение количества влаги, имеющейся в 1 м3 воздуха, к тому количеству водяного пара, который насыщает воздух при данной температуре. Относительная влажность выражается в процентах.
Относительная влажность показывает степень насыщения воздуха водяным паром. Например, 1 м3 воздуха может содержать 1 г водяного пара при температуре -20°С. В воздухе содержится 0,5 г влаги. Тогда относительная влажность равна 50%. При насыщении воздуха водяным паром относительная влажность достигает 100%.
4.Конденсация водяного пара.
После насыщения воздуха водяным паром, остальное количество пара превращается в капельки воды. Если в 1 м3 воздуха при температуре -10°С вместо 2 г водяного пара собралось 3 г, то лишний 1 г пара превращается в капельки воды. Когда понижается температура насыщенного воздуха, он не может удержать такое количество водяного пара. Например, для насыщения 1 м3 воздуха при +10°С нужно 9 г водяного пара. Если температура понизится до 0°, то воздух вмещает только 5 г водяного пара, лшшние 4 г превращаются в капельки воды.
При определенных условиях переход водяного пара в жидкое состояние (капельки воды) называют конденсацией (По-латыни конденсацио
- сгущение). При температуре 0°С водяной пар переходит в твердое состояние, т.е. превращается в кристаллики льда.
5. Измерение влажности воздуха. Относительная влажность измеряется с помощью прибора - волосяного гигрометра (по-гречески гигрос - влажный, метр - мера). В этом приборе используется свойство волоса человека, удлиняющегося при повышении влажности. Когда влажность уменьшается, волос укорачивается. Волос крепится на стрелку циферблата, при удлинении или укорачивании волоса стрелка, двигаясь вдоль циферблата, показывает относительную влажность в процентах (рис. 54).
Рис. 54. Волосяной гигрометр.
Гигрометр так же, как термометр, помещается в метеорологическую будку.
На метеостанциях влажность воздуха определяется на более точных приборах и с помощью специальных таблиц.
1. Почему над экватором содержание водяного пара в воздухе больше, чем в умеренном поясе?
2. Что происходит с водяным паром в воздухе с изменением высоты?
3. Температура воздуха +10°С. Абсолютная влажность 6 г/м3. При каких условиях произойдет насыщение воздуха водяным паром? (Решите 2 способами.)
4. Ознакомьтесь со строением гигрометра и измерьте относительную влажность.
5*. Температура воздуха равна +30°С, а абсолютная влажность - 20 г/м3. Вычислите относительную влажность.
Вода - это самое удивительное вещество на Земле. Именно ей мы обязаны жизнью, так как она участвует во всех процессах жизнедеятельности. Вода обладает самыми необычными свойствами, и еще не все из них ученым удалось объяснить. Например, выяснилось, что она обладает памятью и может реагировать на разные слова. А самое известное свойство воды - это то, что она - единственное вещество, которое может находиться во всех трех агрегатных состояниях. Жидкое - это, собственно, вода, твердое - это лед. Газообразное состояние воды мы можем наблюдать постоянно в виде пара, тумана или облаков. Обычный человек не задумывается о том, что это все вода, он привык называть этим словом только жидкость. Многие даже не знают, как называется газообразное состояние воды. Но именно эта ее особенность обеспечивает жизнь на Земле.
Эта удивительная влага занимает около 70% поверхности Земли. Кроме того, ее можно встретить на огромной глубине - в толще земной коры и высоко в атмосфере. Вся масса воды в виде жидкости, льда и пара называется гидросферой. Она жизненно важна для всех форм жизни на Земле. Именно под влиянием воды формируется климат и погода во всем мире. А существование жизни зависит от ее способности переходить из одного агрегатного состояния в другое. Эта ее особенность обеспечивает круговорот воды в природе. Особое значение имеет вода в газообразном состоянии. Это ее свойство помогает перенести большие массы влаги на огромные расстояния. Ученые подсчитали, что Солнце испаряет за минуту с поверхности Земли миллиард тонн воды, которая в переносится на другое место, а потом проливается дождем.
Особенностью воды является то, что ее молекулы способны при колебании температуры изменять характер связи друг с другом. Основные свойства ее при этом не меняются. Если нагревать воду, ее молекулы начинают двигаться быстрее. Те, которые соприкасаются с воздухом, разрывают свои связи и смешиваются с его молекулами. Вода в газообразном состоянии сохраняет все свои качества, но приобретает также свойства газа. Ее частицы находятся на большом расстоянии друг от друга и интенсивно двигаются. Чаще всего такое состояние называют водяным паром. Это бесцветный прозрачный газ, который при определенных условиях опять превратится в воду. Он повсеместно распространен на Земле, но чаще всего его не видно. Примеры воды в газообразном состоянии - туман или образующийся при кипении жидкости. Кроме того, она везде находится в составе воздуха. Ученые заметили, что при его увлажнении дышать становится легче.
Чаще всего вода переходит в газообразное состояние при изменении температуры. Обычный пар, который всем знаком, образуется при кипении. Именно это беловатое горячее облако мы и называем водяным паром. Когда жидкость при нагревании достигает а при обычном давлении это происходит при 100°, молекулы ее начинают интенсивно испаряться. Попадая на более холодные предметы, они конденсируются в виде капелек воды. Если нагревается большое количество жидкости, то в воздухе образуется насыщенный пар. Это состояние, когда газ и вода сосуществуют, потому что скорость одинакова. В том случае, когда в воздухе присутствует много водяного пара, говорят о его повышенной влажности. При понижении температуры такой воздух интенсивно конденсирует влагу в виде капелек росы или тумана. Но для образования тумана мало особых условий температуры и влажности. Нужно, чтобы в воздухе находилось определенное количество пылинок, вокруг которых и конденсируется влага. Поэтому в городах туманы из-за пыли образуются чаще.
Процесс образования пара называется парообразованием. Его наблюдает каждая женщина при приготовлении пищи. Но существует и обратный процесс, когда газ превращается обратно в воду, оседая на предметах в виде мельчайших капелек. Это называется конденсацией. Каким же образом чаще всего происходит парообразование? В естественных условиях этот процесс называется испарением. Вода испаряется постоянно под воздействием солнечного тепла или ветра. Искусственно образование пара можно вызвать с помощью кипения воды.
Это процесс, когда получается газообразное состояние воды. Он может быть естественным или ускоренным с помощью различных приспособлений. Испаряется вода постоянно. Это ее свойство люди издавна использовали для просушки белья, посуды, дров или зерна. Любой мокрый предмет постепенно высыхает благодаря испарению влаги с его поверхности. Молекулы воды в своем движении одна за другой отрываются и смешиваются с молекулами воздуха. Путем наблюдений люди поняли, как можно ускорить этот процесс. Для этого даже были созданы различные приспособления и приборы.
1. Люди заметили, что быстрее этот процесс протекает при высокой температуре. Например, летом мокрая дорога высыхает моментально, чего не скажешь об осени. Поэтому сушат предметы люди в более теплых местах, а в последнее время созданы специальные сушилки с подогревом. А в морозную погоду испарение тоже происходит, но очень медленно. Это свойство используют для просушки ценных
древних книг и рукописей, помещая их в специальные морозильные камеры.
2. Испарение происходит быстрее, если площадь соприкосновения с воздухом большая, например из тарелки вода исчезнет быстрее, чем из банки. Это свойство используют при сушке овощей и фруктов, нарезая их тонкими ломтиками.
3. Еще люди заметили, что высыхают предметы быстрее под воздействием ветра. Это происходит потому, что потоком воздуха уносятся молекулы воды, и они не имеют возможности опять конденсироваться на этом предмете. Эта особенность была использована при создании фена и воздушных сушилок для рук.
Водяной пар в большинстве случаев невидим. Но при высокой температуре, когда воды испаряется сразу много, его можно заметить в виде белого облака. То же самое происходит и в холодном воздухе, когда молекулы воды конденсируются в виде мельчайших капелек, которые мы и замечаем.
Вода в газообразном состоянии может растворяться в воздухе. Тогда говорят, что повысилась его влажность. Существует предельно возможная концентрация водяного пара, которую называют «точкой росы». Выше этого предела происходит конденсация ее в виде тумана, облаков или капелек росы.
Молекулы воды в газообразном состоянии двигаются очень быстро, занимая большой объем. Особенно это заметно при высокой температуре. Поэтому можно наблюдать, как при кипении у чайника прыгает крышка. Это же свойство приводит к тому, что при горении дров слышен треск. Это испаряющаяся вода разрывает волокна древесины.
Водяной пар обладает упругостью. Он способен сжиматься и расширяться при изменении температуры.
Все эти свойства давно изучены людьми и используются для бытовых и промышленных нужд.
Есть на Земле и такие места, где вода в газообразном состоянии находится почти всегда. Это долины гейзеров и окрестности действующих вулканов. Находиться человеку в такой атмосфере невозможно. Там тяжело дышать, а повышенная влажность препятствует испарению влаги с кожи, что может привести к перегреву. Также можно сильно обжечься тем паром, который образуется при кипении воды. А туманы могут снижать видимость, приводя к авариям. Но во всех остальных случаях свойство воды переходить в газообразное состояние используется человеком себе на благо.
Испарение — это испарившееся и поступившее в воздух количество водяного пара. Скорость испарения зависит от многих причин, но главным образом от температуры воздуха и ветра. Понятно, что чем выше температура, тем больше испарение. Но , постоянно перемещая насыщенный водяными парами воздух, приносит в данное место новые и новые объемы сухого воздуха. Даже слабый ветер скоростью 2-3 м/с увеличивает испарение в три раза. На испарение влияют также характер , растительный покров и т.д.
Однако из-за недостатка влаги в данной местности испарение бывает значительно меньше, чем могло бы быть при данных условиях. Количество воды, которое могло бы испариться при данных условиях, называется испаряемостью. Иначе говоря, испаряемость — это потенциально возможное испарение в данной местности, которое чаще всего определяется с помощью испарителя или по показателям испарения с открытой водной поверхности крупного естественного (пресноводного) водоема или с избыточно увлажненной почвы.
Испаряемость, как и испарение, выражается в миллиметрах слоя испарившейся воды (мм); за конкретный период — мм/год и т.д.
На земной поверхности постоянно происходят два противоположно направленных процесса: местности осадками и осушение ее испарением. Но степень увлажнения территории обусловливается соотношением осадков и испарения. Увлажнение территории характеризуется коэффициентом увлажнения (К), под которым понимается отношение суммы осадков (Q) к испаряемости (И): К = (если К выражается в долях единицы — дробью) и К = 100% (если в процентах). Например, в европейской осадков выпадает 300 мм, а испаряемость только 200 мм, т.е. осадки превосходят испаряемость в 1,5 раза; коэффициент увлажнения равен 1,5, или 150%.
Увлажнение бывает избыточным, когда К > 1, или > 100%; нормальным, когда К = 1, или 100%; недостаточным, когда К < 1, или < 100%. По степени увлажнения выделяют влажные (гумидные) и сухие (аридные) территории. Коэффициент увлажнения характеризует условия , развитие и другое. он равен примерно 1,0-1,5, в 0,6-1,0, в 0,3-0,6, 0,1-0,3, пустынях менее 0,1.
Абсолютной влажностью (а) называется фактическое количество водяных паров в воздухе в данный момент, измеряемое в г/м 3 . Отношение абсолютной влажности к максимальной, выраженное в процентах, называется относительной влажностью (f), т.е. f =100%. Воздух, имеющий максимальную влажность, называется насыщенным. В отличие от него ненасыщенный воздух еще обладает способностью поглощать водяные пары. Однако при нагревании насыщенный воздух становится ненасыщенным, а в случае охлаждения — перенасыщенным. В последнем случае начинается . Конденсация — это сгущение избыточных водяных паров и переход их в жидкое состояние, образование мельчайших капелек воды. Как насыщенный, так и ненасыщенный воздух может стать перенасыщенным во время поднятия , так как при этом она сильно охлаждается. Охлаждение возможно также при выхолаживании почвы в данном месте и при проникновении теплого воздуха в холодную местность.
Конденсация может происходить не только в воздухе, но и на земной поверхности, на ралличных предметах. В этом случае в зависимости от условий образуются роса, иней, туман, гололед. Роса и иней образуются при ясной и тихой ночью, преимущественно в предутренние часы, когда поверхность Земли и ее объекты выхолаживаются. Тогда на их поверхности конденсируется влага из воздуха. При этом при отрицательных температурах образуется иней, при положительных — роса. В случае, если на теплую поверхность приходит холодный воздух или теплый воздух резко охлаждается, может образоваться туман. Он состоит из мельчайших капелек, или кристалликов, как бы взвешенных в воздухе. В сильно загрязненном воздухе образуется туман или дымка с примесью дыма — смог. При выпадении переохлажденных капелек дождя или на охлажденную ниже 0°С поверхность и при от 0 до -3°С образуется слой плотного льда, нарастающего на поверхности земли и на предметах, преимущественно с наветренной стороны, — гололед. Это происходит от намерзания переохлажденных капель дождя, тумана, или мороси. Корка льда может достичь толщины нескольких сантиметров и превратиться в настоящее бедствие: она становится опасной для пешеходов, транспортных средств, обламывает сучья деревьев, обрывает провода и т.д.
Иные причины обусловливают явление, которое называется . Гололедица возникает как правило, после оттепели или дождя в результате наступления похолодания, когда температура резко опускается ниже 0°С. Происходит замерзание мокрого снега, дождя или мороси. Гололедица образуется и тогда, когда эти жидкие осадки выпадают на сильно переохлажденную поверхность земли, что также обусловливает их замерзание. Таким образом гололедица — это лед на земной поверхности, образовавшийся в результате замерзания мокрого снега или жидких осадков.
Облачный покров задерживает , идущую к земной поверхности, отражает и рассеивает ее. Одновременно облака задерживают тепловое излучение земной поверхности в атмосферу. Поэтому влияние облачности на очень велико.
Промежуточное состояние вещества между состоянием реального газа и жидкостью принято называть парообразным или просто паром. Превращение жидкости в пар представляет собой фазовый переход из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе наблюдается скачкообразное изменение физических свойств вещества.
Примерами таких фазовых переходов является процесс кипения жидкости с появлением влажного насыщенного пара и последующим переходом его в лишенный влаги сухой насыщенный пар или обратный кипению процесс конденсации насыщенного пара.
Одно из основных свойств сухого насыщенного пара заключается в том, что дальнейший подвод теплоты к нему приводит к возрастанию температуры пара, т. е. перехода его в состояние перегретого пара, а отвод теплоты — к переходу в состояние влажного насыщенного пара. В
Рисунок 1. Фазовая диаграмма для водяного пара в T, s координатах.
Область I – газообразное состояние (перегретый пар, обладающий свойствами реального газа);
Область II – равновесное состояние воды и насыщенного водяного пара (двухфазное состояние). Область II также называют областью парообразования;
Область III – жидкое состояние (вода). Область III ограничена изотермой ЕК;
Область IV – равновесное состояние твердой и жидкой фаз;
Область V – твердое состояние;
Области III, II и I разделены пограничными линиями AK (левая линия) и KD (правая линия). Общая точка K для пограничных линий AK и KD обладает особыми свойствами и называется критической точкой . Эта точка имеет параметры p кр , v кр и Т кр , при которых кипящая вода переходит в перегретый пар, минуя двухфазную область. Следовательно, вода не может существовать при температурах выше Т кр.
Критическая точка К имеет параметры:
p кр = 22,136 МПа; v кр = 0,00326 м 3 /кг; t кр = 374,15 °С.
Значения p, t, v и s для обеих пограничных линий приводятся в специальных таблицах термодинамических свойств водяного пара.
На рисунках 2 и 3 изображены процессы нагрева воды до кипения, парообразования и перегрева пара в p, v — и T, s -диаграммах.
Начальное состояние жидкой воды, находящейся под давлением p 0 и имеющей температуру 0 °С, изображается на диаграммах p, v и T, s точкой а . При подводе теплоты при p = const температура ее увеличивается и растет удельный объем. В некоторый момент температура воды достигает температуры кипения. При этом ее состояние обозначается точкой b. При дальнейшем подводе теплоты начинается парообразование с сильным увеличением объема. При этом образуется двухфазная среда — смесь воды и пара, называемая влажным насыщенным паром . Температура смеси не меняется, так как тепло расходуется на испарение жидкой фазы. Процесс парообразования на этой стадии является изобарно-изотермическим и обозначается на диаграмме как участок bc . Затем в некоторый момент времени вся вода превращается в пар, называемый сухим насыщенным . Это состояние обозначается на диаграмме точкой c .
Рисунок 2. Диаграмма p, v для воды и водяного пара.
Рисунок 3. Диаграмма T, s для воды и водяного пара.
При дальнейшем подводе теплоты температура пара будет увеличиваться и будет протекать процесс перегрева пара c — d . Точкой d обозначается состояние перегретого пара. Расстояние точки d от точки с зависит от температуры перегретого пара.
Индексация для обозначения величин, относящихся к различным состояниям воды и пара:
Процесс парообразования при более высоком давлении p 1 > p 0 можно отметить, что точка a, изображающая начальное состояние воды при температуре 0 °С и новом давлении, остается практически на той же вертикали, так как удельный объем воды почти не зависит от давления.
Точка b′ (состояние воды при температуре насыщения) смещается вправо на p, v -диаграмме и поднимается вверх на T,s -диаграмме. Это потому, что с увеличением давления увеличивается температура насыщения и, следовательно, удельный объем воды.
Точка c′ (состояние сухого насыщенного пара) смещается влево, т. к. с увеличением давления удельный объем пара уменьшается, несмотря на увеличение температуры.
Соединение множества точек b и c при различных давлениях дает нижнюю и верхнюю пограничные кривые ak и kc. Из p, v -диаграммы видно, что по мере увеличения давления разность удельных объемов v″ и v′ уменьшается и при некотором давлении становится равной нулю. В этой точке, называемой критической, сходятся пограничные кривые ak и kc. Состояние, соответствующее точке k , называется критическим. Оно характеризуется тем, что при нем пар и вода имеют одинаковые удельные объемы и не отличаются по свойствам друг от друга. Область, лежащая в криволинейном треугольнике bkc (в p, v -диаграмме), соответствует влажному насыщенному пару.
Состояние перегретого пара изображается точками, лежащими над верхней пограничной кривой kc .
На T, s -диаграмме площадь 0abs′ соответствует количеству теплоты, необходимого для нагрева жидкой воды до температуры насыщения.
Количество подведенной теплоты, Дж/кг, равное теплоте парообразования r, выражается площадью s′bcs, и для нее имеет место соотношение:
r = T (s″ — s′ ).
Количество подведенной теплоты в процессе перегрева водяного пара изображается площадью s″cds .
На T, s -диаграмме видно, что по мере увеличения давления теплота парообразования уменьшается и в критической точке становиться равной нулю.
Обычно T, s -диаграмма применяется при теоретических исследованиях, так как практическое использование ее сильно затрудняется тем, что количества теплоты выражаются площадями криволинейных фигур.
По материалам моего конспекта лекций по термодинамике и учебника «Основы энергетики». Автор Г. Ф. Быстрицкий. 2-е изд., испр. и доп. — М. :КНОРУС, 2011. — 352 с.
