Если жидкость кипит, а не испаряется, пар отделяет маленькие капельки насыщенной жидкости и уносит их вверх. Данное явление называют влажным «паром» от кипящей воды. Свет, отражаясь от капелек воды, придает ему белый прозрачный вид. Сам пар невидим, так как отдельные молекулы слишком малы, чтобы отражать свет. Насыщенный пар, полностью свободный от частиц жидкости, называется сухим. Термин «влажный пар» используется для обозначения пара, который захватывает капельки жидкости.
При испарении жидкости ее масса уменьшается, а масса пара увеличивается. Другими словами, процесс начинается с 0% массы в виде пара, а заканчивается, когда 100% массы — пар. На качество указывает процент массы жидкости, преобразованной в насыщенный пар. Качество обозначают буквой х. Качество смеси жидкого пара используется для вычисления энтальпии, энтропии, удельного объема и плотности. Учитывая, что любой влажный пар (парожидкостная смесь) существует в состоянии насыщения, ее температура всегда будет равна температуре насыщения, согласно давлению.
Параметры — это свойства веществ, которые идентифицируют их термодинамическое состояние в определенное время.
Термодинамическое состояние — это состояние вещества с точки зрения его давления, температуры, внутренней энергии, плотности, удельного объема, энтальпии и энтропии. Любые два параметра вещества определяют его термодинамическое состояние. Существует две категории термодинамических параметров: интенсивные и экстенсивные. Интенсивный параметр — это свойство, которое не зависит от количества или размера системы. Температура и давление — интенсивные параметры веществ и систем. Экстенсивные параметры зависят от количества или размера вещества или системы. Масса и объем — экстенсивные параметры.
Из шести параметров пара, которые имеют особое значение при изучении охлаждения, давление, температуру и объем называют измеримыми параметрами, так как их можно непосредственно измерить инструментами. Внутренняя энергия, энтальпия и энтропия — это параметры, которые известны как исчислимые параметры. Измеримые и исчислимые параметры обычно приводятся в таблицах параметров. В таких таблицах перечисляют характерные параметры веществ при различных температурах или давлениях. Таблицами параметров пользуются специалисты, технологи и инженеры при настройке или анализе работы систем.
Два различных вида таблиц параметров обычно используются для хладагентов, которые применяются в системах отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха. В таблицах насыщенности приводятся параметры жидкостей в пределах диапазона, ограниченного их температурами насыщения жидкости и пара. В таблицах перегрева приводятся параметры паров при различных температурах или давлениях.
Энтропия — это сокращение доступной энергии вещества в результате передачи энергии. Первый закон термодинамики гласит, что энергию невозможно создать или уничтожить. Следовательно, количество энергии во вселенной всегда такое же, как было и при ее создании. Второй закон термодинамики гласит, что коэффициент полезного действия ни одного реального (необратимого) процесса не может быть 100% при преобразовании энергии в работу.
,
где ΔS — изменение энтропии, ΔQ — изменение теплоты, T — абсолютная термодинамическая температура.
Следовательно, количество энергии для преобразования в работу или теплоту непрерывно уменьшается со временем, так как теплота спонтанно переходит из более теплой области к более холодной. Другими словами, количество энергии во вселенной остается постоянным, но ее способность использования для того, чтобы проделать полезную работу, уменьшается при каждой теплопередаче и выполнении работы. Энтропия используется для измерения уменьшения пригодности энергии в результате процесса.
Термин «энтропия» используется для описания количества хаотичности в любой системе. В термодинамике энтропия указывает расположение молекул вещества или организацию энергии системы. Системы или вещества с высоким значением энтропии более дезорганизованы, чем с низким. Например, у молекул в твердых телах определенная кристаллическая структура, благодаря чему они лучше организованы, и у них ниже значение энтропии. При сообщении телу теплоты и изменении его состояния на жидкое увеличивается уровень его энтропии, так как кинетическая энергия увеличивает колебания молекул, в результате чего их положение становится случайным.
Энтропия увеличивается, когда жидкость изменяет состояние на газообразное при потреблении большего количества тепловой энергии. Такая же аналогия существует при описании порядка источников энергии. Если энергия заключена в ограниченном источнике, у нее низкое значение энтропии. Если она распределена среди большого количества молекул, ее интенсивность уменьшается, увеличивая энтропию. Например, если 1,05 кДж энергии у 1000 молекул передать 1 миллиону молекул, интенсивность энергии уменьшится, а энтропия возрастет. Энтропию трудно понять, так как это абстрактное понятие беспорядка энергии во вселенной. Этот беспорядок связан с уменьшением пригодности энергии для преобразования в работу. Энергия всегда становится недоступной, если процессы уменьшают ее интенсивность, распространяя ее по вселенной. Если энергия распределена среди бесчисленных молекул вселенной, разница температур самых холодных и самых теплых участков уменьшается. Если разница температур уменьшается, тепловая энергия, которую можно преобразовать в полезную работу, также уменьшается. Следовательно, любой процесс, который производит увеличение энтропии, уменьшает энергию для будущих процессов. В конечном счете наступит момент, когда энтропия вселенной приблизится к максимальному значению, и преобразование теплоты в работу станет невозможным.
Все процессы теплопередачи в конечном счете увеличивают энтропию вселенной. Хотя энтропия двух процессов может показать математическое уменьшение, как в процессе конденсации или переохлаждения энтропия вселенной все равно увеличивается, так как во всех процессах передачи теплоты от более холодных участков более теплым выполняется работа. Данная работа больше увеличивает энтропию, чем уменьшает при теплопередаче жидкости, когда она охлаждается или конденсируется.
Абсолютная энтропия (S) вещества или процесса — это изменение доступной энергии при теплопередаче при данной температуре (Btu/R, Дж/К). Математически энтропия равняется теплопередаче, деленной на абсолютную температуру, при которой происходит процесс. Следовательно, процессы передачи большого количества теплоты больше увеличивают энтропию. Также изменения энтропии увеличатся при передаче теплоты при низкой температуре. Так как абсолютная энтропия касается пригодности всей энергии вселенной, температуру обычно измеряют в абсолютных единицах (R, К).
Удельную энтропию (S) измеряют относительно единицы массы вещества. Температурные единицы, которые используются при вычислении разниц энтропии состояний, часто приводятся с температурными единицами в градусах по Фаренгейту или Цельсию. Так как различия в градусах между шкалами Фаренгейта и Ренкина или Цельсия и Кельвина равные, решение в таких уравнениях будет правильным независимо от того, выражена энтропия в абсолютных или обычных единицах. У энтропии такая же данная температура, как и данная энтальпия определенного вещества.
Энтальпия — это свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту.
Энтальпия — это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии, сохраненной в его молекулярной структуре. Это значит, что, хотя вещество может обладать энергией на основании температуры и давления, не всю ее можно преобразовать в теплоту. Часть внутренней энергии всегда остается в веществе и поддерживает его молекулярную структуру. Часть кинетической энергии вещества недоступна, когда его температура приближается к температуре окружающей среды. Следовательно, энтальпия — это количество энергии, которая доступна для преобразования в теплоту при определенной температуре и давлении. Единицы энтальпии — британская тепловая единица или джоуль для энергии и Btu/lbm или Дж/кг для удельной энергии.
Количество энтальпии
Количество энтальпии вещества основано на его данной температуре. Данная температура — это значение, которая выбрано учеными и инженерами, как основание для вычислений. Это температура, при которой энтальпия вещества равна нулю Дж. Другими словами, у вещества нет доступной энергии, которую можно преобразовать в теплоту. Данная температура у различных веществ разная. Например, данная температура воды — это тройная точка (О °С), азота −150°С, а хладагентов на основе метана и этана −40°С.
Если температура вещества выше его данной температуры или изменяет состояние на газообразное при данной температуре, энтальпия выражается положительным числом. И наоборот при температуре ниже данной энтальпия вещества выражается отрицательным числом. Энтальпия используется в вычислениях для определения разницы уровней энергии между двумя состояниями. Это необходимо для настройки оборудования и определения коэффициента полезного действия процесса.
Энтальпию часто определяют как полную энергию вещества, так как она равна сумме его внутренней энергии (и) в данном состоянии наряду с его способностью проделать работу (pv). Но в действительности энтальпия не указывает полную энергию вещества при данной температуре выше абсолютного нуля (-273°С). Следовательно, вместо того, чтобы определять энтальпию как полную теплоту вещества, более точно определять ее как общее количество доступной энергии вещества, которое можно преобразовать в теплоту. H = U + pV
Конденсация — это процесс с участием скрытой теплоты, в результате которого пар переходит в жидкую фазу. Это происходит всякий раз, когда насыщенный пар подвергается температуре ниже температуры насыщения. Так как насыщенный пар существует в точке кипения жидкости, он находится в самой низкой температуре, которая возможна для сохранения свойств пара. Следовательно, минимальное понижение температуры заставляет пар конденсироваться. Когда насыщенный пар охлаждается, его молекулы попадают под действие сил жидкой молекулярной структуры и возвращаются в жидкое состояние.
Если конденсация происходит в закрытом сосуде, плотность (кг/м3) и давление пара уменьшаются. В результате происходит соответствующее уменьшение температуры насыщения жидкости. Для поддержания процесса конденсации при таких условиях температура жидкости должна непрерывно уменьшаться, чтобы соответствовать уменьшению давления насыщения. И наоборот, если пар непрерывно подается в сосуд для замещения массы пара, который конденсируется и отводится из сосуда, его плотность, давление и температура насыщения будут постоянными. Такой способ конденсации используется в системах машинного охлаждения и продолжается до полного извлечения теплоты из пара.
,