Фазовая диаграмма воды в координатах p t

Обновлено: 05.07.2024

Фа́зовая диагра́мма (диаграмма состоя́ния) — графическое отображение равновесного состояния бесконечной физико-химической системы при условиях, отвечающих координатам рассматриваемой точки на диаграмме (носит название фигуративной точки).

Содержание

Анализ фазовых диаграмм

Обычными координатами для построения фазовой диаграммы являются термодинамические параметры — температура и давление — и состав системы (в мольных или массовых процентах).

В общем случае количество координат превышает число компонентов системы на единицу (диаграмма однокомпонентной системы двумерна, двухкомпонентной — трёхмерна и т. п.) Для конденсированных систем зачастую не учитывают изменение фазовых равновесий за счёт давления, в этом случае число измерений диаграммы равно числу компонентов (диаграмма конденсированной двухкомпонентной системы двумерна, трёхкомпонентной — трёхмерна и т. п.) Сложные фазовые диаграммы в печатных изданиях изображают в виде сечений или проекций.

Согласно правилу фаз, на двумерной диаграмме однофазная область описывается полем, двухфазная — линией (на p-T диаграммах) или набором параллельных линий (конод), для которых фиксированы составы равновесных фаз (на диаграммах с участием состава), трёхфазная — точкой (на p-T диаграммах) или горизонталью (на T-x или p-x диаграммах).

Диаграммы температура-давление

Диаграммы однокомпонентных систем

Двухфазные линии, как правило, либо соединяют две тройные точки, либо тройную точку с точкой на оси ординат, отвечающую нулевому давлению. Исключение составляет линия жидкость-газ, заканчивающаяся в критической точке. При температурах выше критической различие между жидкостью и паром исчезает.

Сечения и проекции диаграмм бинарных систем

Диаграммы температура-состав

Диаграммы бинарных систем

Неограниченная растворимость в твёрдом состоянии

Эвтектические и эвтектоидные превращения

Сплавы, образующие химические соединения

Политермические сечения

Изотермические сечения

Методы экспериментального построения фазовых диаграмм

Динамические:

Статические:

Методы термодинамической оптимизации фазовых диаграмм

См. также

Физическая химия
Материаловедение
Термодинамика
Диаграммы

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Фазовая диаграмма" в других словарях:

ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА — (см. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983. ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА … Физическая энциклопедия

ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА — то же, что диаграмма состояния … Большой Энциклопедический словарь

фазовая диаграмма — то же, что диаграмма состояния. * * * ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА, то же, что диаграмма состояния (см. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ) … Энциклопедический словарь

Большой размер позволит распечатать диаграмму на формате А3 и больше.

is-диаграмма применяется для практических расчетов процессов водяного пара. На ней теплота и энтальпия измеряются линейными отрезками.

is-диаграмма обладает рядом важных свойств: по ней можно быстро определить параметры пара и разность энтальпий в виде отрезков, наглядно изобразить адиабатный процесс, и решать другие задачи.

Так же вы можете использовать очень удобную и наглядную программу.

Описание is-диаграммы

На is-диаграмме изображены термодинамические процессы:

Семейство изобар в области насыщения представляет собой пучок расходящихся прямых, начинающихся на нижней и оканчивающихся на верхней пограничной кривой. Чем больше давление, тем выше лежит соответствующая изобара. Переход изобар из области влажного насыщенного в область перегретого пара происходит без перелома на верхней пограничной кривой.

В i, s-диаграмме водяного пара наносятся также линии постоянного паросодержания (x = const) и линии постоянного удельного объема (v = const). Изохоры идут несколько круче, чем изобары.

Состояние перегретого пара обычно определяется в технике давлением p и температурой t. Точка, изображающая это состояние, находится на пересечении соответствующей изобары и изотермы. Состояние влажного насыщенного пара определяется давлением p и паросодержанием x.

Точка, изображающее это состояние, определяется пересечением изобары и линии x = const.

Как пользоваться is-диаграммой

Для описания воспользуемся небольшой задачей. Возьмем с потолка условие.

Пусть начальные параметры пара будут: давление пара р = 120 бар, температура пара t = 550°С. Пар адиабатно расширяется в турбине до температуры, например, 400 °С.

Для примера этого будет достаточно.

Итак, начальное давление и температура у нас есть. Найдем эту точку на is-диаграмме:

Нам нужна изобара, соответствующая давлению 120 бар и изотерма, соответствующая температуре 550 °С. На их пересечении и будет точка, соответствующая начальным параметрам пара в нашей задаче.

3480 кДж/кг, S = 6,65 кДж/(кг•К)

Далее нам нужно узнать параметры пара после адиабатного расширения. Мы знаем, что по поставленным нами условиям, пар расширился и его температура в точке 2 = 400 °С. Я уже упоминал, что на is-диаграмме адиабатный процесс изображается в виде вертикальной линии. Проведем эту линию из точки 1 (начальные параметры) до пересечения с изотермой 400 °С.

Получена точка 2. Через эту точку проходит изобара. Она соответствует давлению 50 бар. Энтропия у нас не изменилась, так как процесс адиабатный, а вот энтальпия стала равна i = 3200 кДж/кг.

Содержание

Элементы фазовой диаграммы

Тройные точки

Кривая сублимации льда

Кривая сублимации льда начинается в точке (0 Па; 0 K) и заканчивается в тройной точке воды (611,657 Па; 273,16 K). На этом участке при снижении температуры давление сублимации падает экспоненциально и при уже температуре 130 K составляет незначительную величину (10 −8 Па).

С хорошей точностью давление сублимации на этом участке описывается экспонентой

$ P = A \cdot exp(-B/T),$

$ \mathrm ; \quad B = 6130 \mathrm K.$

$ \mathrm ; & T_0 = 273,16 \mathrm K; \\ a_1 = -21,2144006; & b_1 = 0,003333333; \\ a_2 = 27,3203819; & b_2 = 1,20666667; \\ a_3 = -6,1059813; & b_3 = 1,70333333. \end$

Кривая плавления льда Ih

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS [16] :

$ \frac = 1 + \sum_^3 a_i\left[1 - \left( <T\over T_0>\right)^\right],$

\mathrm ; & T_0 = 273,16

\mathrm K; \\ a_1 = 1

393,37; & b1 = 3,00; \\ a_2 = 80

818,3159; & b2 = 25,75; \\ a_3 = 3

338,2686; & b3 = 103,75; \end " width="" height="" />

Кривая плавления льда III

Кривая плавления льда III начинается в точке минимальной температуры затвердевания воды (251,165 K; 208,566 МПа), где обычный лёд превращается в структурную модификацию III, и заканчивается в точке (256,164 K; 350,1 МПа), где проходит граница фаз III и V.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS [16] :

$ \frac = 1 - 0,299948 \left[ 1 - \left(<T\over T_0>\right)^ \right],$

$ \mathrm ; \quad T_0 = 251,165 \mathrm .$

Кривая плавления льда V

Кривая плавления льда V начинается в точке (256,164 K; 350,1 МПа), на границе фаз III и V, и заканчивается в точке (273,31 K; 632,4 МПа), где проходит граница фаз V и VI.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS [16] :

$ \frac = 1 - 1,18721 \left[ 1 - \left(<T\over T_0>\right)^ \right],$

$ \mathrm ; \quad T_0 = 256,164 \mathrm .$

Кривая плавления льда VI

Кривая плавления льда VI начинается в точке (273,31 K; 632,4 МПа), на границе фаз V и VI, и заканчивается в точке (355 K; 2216 МПа), где проходит граница фаз VI и VII.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS [16] :

$ \frac = 1 - 1,07476 \left[ 1 - \left(<T\over T_0>\right)^ \right],$

$ \mathrm ; \quad T_0 = 273,31 \mathrm .$

Кривая плавления льда VII

Кривая плавления льда VII начинается в точке (355 K; 2216 МПа), на границе фаз VI и VII, и заканчивается в точке (715 K; 20,6 ГПа), где проходит граница фазы VII.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS [16] :

$ \ln \frac = \sum_^3 a_i\left(1 - \left( <T\over T_0>\right) ^ \right),$

\mathrm ; & T_0 = 355

\mathrm K; \\ a_1 = 1,73683; & b_1 = -1; \\ a_2 = -0,0544606; & b_2 = 5; \\ a_3 = 8,06106 \cdot 10^; & b_3 = 22. \end " width="" height="" />

Кривая насыщения водяного пара

Кривая насыщения водяного пара начинается в тройной точке воды (273,16 K; 611,657 Па) и заканчивается в критической точке (647,096 К; 22,064 МПа). Она показывает температуру кипения воды при указанном давлении или, что тоже самое, давление насыщенного водяного пара при указанной температуре. В критической точке плотность водяного пара достигает плотности воды и, таким образом, различие между этими агрегатными состояниями исчезает.

Согласно рекомендациям IAPWS, линия насыщения представляется в виде неявного квадратного уравнения относительно нормированной температуры θ и нормированного давления β [17] :

$ \beta^2\theta^2 + n_1\beta^2\theta + n_2\beta^2 + n_3\beta\theta^2 + n_4\beta\theta + n_5\beta + n_6\theta^2 + n_7\theta +n_8 = 0,$

\beta = \left( \frac \right)^; \quad P_0 = 1

$ \mathrm ;$

n_ = 650,17534844798." width="" height="" />

Для заданного абсолютного значения температуры T вычисляется нормированное значение θ и коэффициенты квадратного уравнения

$ B = n_3\theta^2 + n_4\theta + n_5;$

C = n_6\theta^2 + n_7\theta +n_8," width="" height="" />

после чего находится значение β

Давление насыщенного водяного пара (кПа) при различных температурах

См. также

Ссылки

. Сайт Международной ассоциации по изучению свойств воды. . . . . .

Примечания

Литература

Викифицировать список литературы, используя шаблон > , и проставить ISBN.

Вода
Физическая химия
Материаловедение
Термодинамика
Диаграммы

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Фазовая диаграмма воды" в других словарях:

Фазовая диаграмма — У этого термина существуют и другие значения, см. Фазовая плоскость. Фазовая диаграмма (диаграмма состояния) графическое отображение равновесного состояния бесконечной физико химической системы при условиях, отвечающих координатам рассматриваемой … Википедия

Диаграмма плавкости — Фазовая диаграмма (диаграмма состояния) графическое отображение равновесного состояния бесконечной физико химической системы при условиях, отвечающих координатам рассматриваемой точки на диаграмме (носит название фигуративной точки). Содержание 1 … Википедия

Диаграмма состояния — Фазовая диаграмма (диаграмма состояния) графическое отображение равновесного состояния бесконечной физико химической системы при условиях, отвечающих координатам рассматриваемой точки на диаграмме (носит название фигуративной точки). Содержание 1 … Википедия

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.

Фазовые состояния воды

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_кри 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:

Значения p, t, v и s для обеих пограничных линий приводятся в специальных таблицах термодинамических свойств водяного пара.

Процесс получения водяного пара из воды

Рисунок 2. Диаграмма p, v для воды и водяного пара.

Рисунок 3. Диаграмма T, s для воды и водяного пара.

Индексация для обозначения величин, относящихся к различным состояниям воды и пара:

Процесс парообразования при более высоком давлении p₁ > p₀ 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:

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.

Читайте также: