Теплоемкость смесей идеальных газов

При расчетах тепловых установок приходится встречаться со смесями газов, а в таблицах приводятся теплоемкости только для отдельных идеальных газов, поэтому нужно уметь определить теплоемкость газовой смеси. Если смесь газов задана массовыми долями,

то теплоемкость смеси определяется как сумма произведений массовых долей на массовую теплоемкость каждого газа:

(6-29) и

где g₁, g₂, ...g_п—массовые доли каждого газа, входящего в смесь.

Если смесь газов задана объемными долями, то объемная теплоемкость смеси равна сумме произведений объемных долей на объемную теплоемкость каждого газа:

(6-31) и

где r₁, r₂, ... , r_n — объемные доли отдельных газов, входящих в смесь.

Мольная теплоемкость смеси газов равна произведению объемных долей на мольные теплоемкости газов, составляющих смесь:

и

где μ—средняя молекулярная масса смеси газов; μ₁, μ₂,.... μ_n—молекулярные массы отдельных газов.

Массовая теплоемкость смеси газов может быть определена, если известны плотность и удельный объем смеси газов при нормальных физических условиях:

и

Основные понятия и определения

Во всех областях промышленного производства получили большое применение пары различных веществ: воды, аммиака, углекислоты и др. Из них наибольшее распространение получил водяной пар, являющийся рабочим телом в паровых турбинах, паровых машинах, в атомных установках, теплоносителем в различных теплообменниках и т. п.

Газообразное тело в состоянии, близком к кипящей жидкости, называется паром, а процесс превращения вещества из жидкого состояния в парообразное называется парообразованием. Испарением называется парообразование, которое происходит всегда при любой температуре с поверхности жидкости. Процесс испарения заключается в том, что отдельные молекулы с большими скоростями преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры жидкости.

Процесс кипения заключается в том, что если к жидкости подводить теплоту, то при некоторой температуре, зависящей от физических свойств рабочего тела и давления, наступает процесс парообразования по всей массе жидкости. Образовавшиеся пузырьки пара, пройдя всю толщу жидкости, вылетают в окружающее пространство.

Если от пара отводить теплоту, то пар будет превращаться в жидкость; этот обратный процесс называется конденсацией. Процесс конденсации, так же как и процесс парообразования, протекает при постоянной температуре, если при этом давление не меняется. Жидкость, полученную при конденсации пара, называют конденсатом.

Процесс перехода твердого вещества непосредственно в пар называется сублимацией. Обратный процесс перехода пара в твердое состояние называется десублимацией.

Если испарение жидкости происходит в неограниченное пространство, то оно будет полным. Если же испарение жидкости происходит в закрытом сосуде, то вылетающие из жидкости молекулы заполняют свободное пространство над ней, при этом часть молекул, движущихся в паровом пространстве над поверхностью, возвращается обратно в жидкость. В некоторый момент между испарением жидкости и обратным переходом молекул из пара в жидкость может наступить равновесие, при котором число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся обратно в жидкость. В этот момент в пространстве будет находиться максимально возможное количество молекул. Пар в этом состоянии принимает максимальную плотность при данной температуре и называется насыщенным.

Таким образом, пар, соприкасающийся с жидкостью и находящийся в термическом с ней равновесии, называется насыщенным. С изменением температуры жидкости равновесие нарушается, вызывая соответствующее изменение плотности и давления насыщенного пара.

В момент испарения последней капли жидкости в ограниченном пространстве без изменения температуры и давления образуется сухой насыщенный пар. Состояние сухого насыщенного пара определяется одним параметром — давлением, или удельным объемом, или температурой.

В насыщенном паре над зеркалом испарения находятся мельчайшие капельки жидкости, равномерно распределенные по всей массе пара. Механическая смесь, состоящая из сухого пара и мельчайших капелек жидкости, называется влажным паром. Массовая доля сухого пара во влажном называется степенью сухости и обозначается буквой x:

X = масса сухого пара во влажном

масса влажного пара

Массовая доля кипящей жидкости во влажном паре, равная (1 — х), называется степенью влажности. Для кипящей жидкости при температуре насыщения х = 0, а для сухого пара х = 1, следовательно, степень сухости может меняться только в пределах от О до 1. Очевидно, состояние влажного пара определяется двумя величинами: температурой или давлением и каким-либо другим параметром, например, степенью сухости.

Если сухому насыщенному пару сообщить некоторое количество теплоты при постоянном давлении, то температура его будет возрастать. Пар, получаемый в этом процессе, называется перегретым. Перегретый пар имеет при данном давлении более высокую температуру и удельный объем, чем сухой насыщенный пар. Перегретый пар над поверхностью жидкости получить нельзя. Температура перегретого пара, так же как и газа, является функцией объема и давления.

Перегретый пар является не насыщенным, так как при данном давлении удельный объем перегретого пара больше удельного объема сухого насыщенного пара, а плотность меньше. Он по своим физическим свойствам приближается к газу и тем ближе, чем выше степень перегрева.