Энергетика. ТЭС и АЭС

Всё о тепловой и атомной энергетике

Индикаторы ЕЭС России

Частота в ЕЭС России
Генерация и потребление (час)
План генерации и потребления
Генерация и потребление (сут)
Температура в ЕЭС России

Теоретические исследования свойств водяного пара

Это предположение оказывается вполне справедливым и подтверждается многолетней работой ученых различных стран.

С практической точки зрения, как мы уже говорили, одной из важнейших задач в изучении свойств веществ является определение зависимости, связывающей между собой температуру, давление и удельный объем данного тела.

Как уже сказано, уравнение, с помощью которого выражена эта зависимость, именуется термическим уравнением состояния данного вещества. Если бы удалось составить термическое уравнение состояния для водяного пара, то с его помощью можно было бы не только определить удельный объем для нужных давлений и температур, но и вычислить теплоемкость и некоторые другие величины также для различных давлений и температур. Понятно поэтому, какую неоценимую помощь оказало бы достаточно точное уравнение состояния во всех теплотехнических расчетах.

Над составлением уравнения состояния водяного пара теоретическим путем работали многие годы ученые различных стран мира. Но задача оказалась настолько трудной, что решение ее найти не удавалось. Более того, международные конференции, специально собиравшиеся для выбора наиболее точных и надежных данных по свойствам воды и водяного пара, тю существу пришли к выводу, что уравнение состояния для водяного пара теоретическим путем составить невозможно.

Только в последние годы в результате длительной работы ученые сумели в значительной мере разрешить эту трудную задачу. Особенно велика в этом деле заслуга наших советских ученых. О работе ученых-теоретиков мы расскажем читателю несколько позже, а пока поставим такой вопрос: чем объяснить большую сложность определения теоретическим путем уравнения состояния для водяного пара?

Составление уравнения состояния для различных веществ представляет задачу различной трудности: чем сложнее, многообразнее свойства данного вещества, тем труднее выбрать для него уравнение состояния. Особенно трудной является эта задача в отношении водяного пара.

Проще всего составить уравнение состояния для так называемого идеального газа. Что представляет собой идеальный газ? Почему для него сравнительно просто решается трудная задача определения уравнения состояния?

Современная наука представляет себе любой газ, в том числе и водяной пар, как скопление мельчайших, неделимых механическим путем, частиц — молекул. Все молекулы находятся в непрерывном беспорядочном тепловом движении. Во время этого движения они часто испытывают столкновения то между собой, то со стенками сосуда, в котором находится газ. Чем выше температура газа, тем больше скорость движения его молекул. Поэтому говорят, что температура является мерой кинетической энергии движения молекул. Давление газа на стенки сосуда есть результат непрерывных ударов молекул об эти стенки. Поэтому, если при прочих равных условиях увеличить температуру газа то увеличится и давление, оказываемое газом на стенки сосуда.

Так представляет себе современная наука любой газ или пар; в чем же заключаются отличительные черты идеального газа? Чтобы представить себе идеальный газ, надо допустить, во-первых, что молекулы являются настолько малыми, что их собственным объемом можно пренебречь, рассматривать их как материальные точки и, во-вторых, полагать, что между отдельными молекулами не существует никаких сил притяжения или отталкивания.

Сразу же необходимо отметить, что оба названные допущения противоречат действительному положению вещей: как бы ни был мал объем каждой молекулы, но все же он никак не может быть равен нулю, а силы взаимного притяжения или отталкивания между отдельными молекулами на самом деле всегда существуют. Следовательно, идеального газа в природе вообще существовать не может.

Для чего же понадобилось вводить в науку какой-то воображаемый идеальный газ, хотя заведомо известно, что в природе такого газа не существует?

Отвечая на этот вопрос, следует сказать прежде всего, что в науке сравнительно часто приходится прибегать к такого рода упрощениям для того, чтобы облегчить решение различных сложных задач. Введение понятия идеального газа тем более оправдано, что некоторые действительные, или, как их называют, реальные, газы по своим свойствам очень близки к идеальному газу. Точнее сказать, любой реальный газ тем более походит на идеальный, чем меньше его давление, т. е. чем дальше отстоит реальный газ от состояния. конденсации, от превращения в жидкость.

Поэтому такие газы, как кислород, азот, водород, воздух и др., при обычных атмосферных условиях мало отличаются по своим свойствам от воображаемого идеального газа. Что касается водяного пара, то почти при всех важных для практики давлениях и температурах он резко отличается от идеального газа.

Термическое уравнение состояния идеального газа, т. е. уравнение, дающее взаимосвязь между температурой, давлением и удельным объемом, может быть легко получено на основании несложных теоретических рассуждений. Единственно, что нужно знать при составлении такого уравнения, — это молекулярный вес газа. Такое уравнение будет давать достаточно точный результат для всех тех газов, которые при заданных условиях близки к идеальному, в частности для кислорода, азота, водорода, воздуха и многих других.

Как же поступить в тех случаях, когда свойства реального газа заметно отличаются от свойств газа идеального? Как в этом случае получить правильное, отвечающее опыту уравнение состояния?

Очевидно, что для этой цели следует отказаться от сделанных ранее допущений и попытаться учесть влияние собственного объема молекул и сил взаимодействия между ними. Такая попытка была предпринята еще в прошлом веке голландским физиком ван дер Ваальсом и увенчалась известным успехом. Соображения ван дер Ваальса были сравнительно просты. Если объемом, который занимают сами молекулы, пренебречь нельзя, то нужно учесть, что действительный объем, в котором происходит движение молекул, будет меньше как раз на величину их собственного объема. Но если объем, в котором движутся молекулы, сокращается, а число молекул и их средняя скорость остаются неизменными, то количество соударений молекул между собой и со стенками сосуда неизбежно должно увеличиться. В результате этого давление также должно несколько увеличиться. Наоборот, предположив наличие взаимного притяжения между молекулами, ван дер Ваальс пришел к выводу, что следствием этого должно быть некоторое, уменьшение внешнего давления газа, так как скорость молекулы перед ударом о стенку сосуда должна несколько уменьшаться, затормаживаться. Действие сил взаимного притяжения между молекулами приводит к тому, что газ оказывается как бы сжатым некоторым внутренним давлением.

Если в уравнение состояния идеального газа ввести две названные поправки, то можно получить уравнение состояния реального газа, носящее имя ван дер Ваальса:

Уравнение состояния ван дер Ваальса

В этом уравнении p, v, Т и R имеют те же значения, что и в уравнении состояния идеального газа. Величины же а и b, именуемые постоянными ван дер Ваальса, определяются из известной температуры и давления критического состояния данного газа и имеют для каждого газа свое собственное значение.

Уравнение ван дер Ваальса в большинстве случаев дает качественно правильную картину поведения не только реальных газов, но и жидкостей. Последнее обстоятельство не должно вызвать удивления, так как с точки зрения современной физики жидкость, как и газ, представляет собой совокупность молекул, находящихся в хаотическом движении. Различие же между газом и жидкостью заключается в том, что силы взаимодействия (притяжения) между молекулами гораздо больше у жидкости, чем у газа. Таким образом, жидкости как бы уже сжаты весьма большим внутренним давлением. По проведенным подсчетам оказалось, что при обычных атмосферных условиях вода уже сжата внутренним давлением свыше 10000 атмосфер. Понятно теперь, почему вода является практически несжимаемой: что значат лишние десятки и даже сотни атмосфер по сравнению с 10000 атмосфер внутреннего давления!

К сожалению, уравнение ван дер Ваальса, дающее, как уже сказано, качественно правильную картину поведения газов и жидкостей, не может быть использовано для практических расчетов. Это объясняется весьма низкой точностью этого уравнения. Многие ученые делали попытки изменить, улучшить уравнение ван дер Ваальса, с тем чтобы повысить его точность. Но все эти попытки не привели к желаемому результату. Использование уравнения ван дер Ваальса применительно к воде и водяному пару приводит к весьма большим ошибкам.

Теперь мы должны изложить читателю существо работы, проделанной за последние годы по созданию уравнения состояния для водяного пара. Задача авторов настоящей книжки является далеко не легкой. В самом деле, очень не просто изложить сложную теорию уравнения состояния, не слишком упрощая описание явлений и не прибегая в то же время к языку математики, т. е. написанию всякого рода формул. Тем не менее мы должны эту задачу выполнить и поэтому заранее просим извинения у читателей, если сделано это будет недостаточно ясно и убедительно.

Многие ученые в своих работах исходили из того, что недостаточная точность уравнения ван дер Ваальса объясняется не ошибочностью положений, взятых в его основу, а недостаточностью этих положений. Уравнение ван дер Ваальса не учитывает, видимо, какого-то процесса, имеющего весьма важное значение.

Встав на такую точку зрения, необходимо было прежде всего ответить на вопрос: какой же именно процесс был незамечен ван дер Ваальсом?

Ответить на этот вопрос следует так: ван дер Ваальс в своем уравнении состояния не учитывал явления ассоциации молекул газа; именно поэтому его уравнение является очень неточным.

Очевидно, необходимо прежде всего пояснить читателю, что представляет собой явление ассоциации молекул газа. Долгое время в физике существовала точка зрения, согласно которой молекулы какого-либо вещества, например воды, неизменны по своим качествам (размерам, массе и т. д.). Подтверждением этой точки зрения служила невозможность разделения молекул данного вещества (например, водяного пара) на два сорта: более тяжелых и более легких.

И все же эта точка зрения оказалась ошибочной. Оказалось, что в случаях, когда силы взаимного притяжения между молекулами делаются достаточно большими, одиночные молекулы могут объединяться под влиянием этих сил в группы из двух,. трех и большего числа молекул. Именно этот процесс и называется ассоциацией (соединением) молекул. Необходимо иметь в виду, что ассоциация молекул под влиянием сил притяжения, о которой здесь идет речь, имеет мало общего с процессом химического соединения веществ, например с образованием водяного пара из кислорода и водорода. Образовавшиеся в результате ассоциации группы молекул, или, как их называют, комплексы, являются значительно менее прочными и разрушаются гораздо скорее, чем, например, молекулы водяного пара. Эти комплексы молекул хотя и приобретают значение самостоятельных частиц газа, но объединяют отдельные молекулы, по видимому, только благодаря механическим силам. Поэтому им свойственны только некоторые качества молекул. Можно предполагать также, что входящие в состав комплекса одиночные молекулы остаются неизменными; в этом заключается, между прочим, одно из существенных различий между процессом ассоциации и процессом химического соединения.

Таким образом, газ не является однородным по своему составу, а скорее напоминает смесь нескольких газов, составленную из простых одиночных молекул, двойных комплексов, тройных комплексов и т. д.

Чем же объяснить неудачу всех попыток разделения такого газа на его составные части, возможно ли в принципе такое разделение?

Ответ на этот вопрос будет отрицательным, такое разделение произвести невозможно. Объясняется это тем, что в газе непрерывно происходит процесс объединения молекул в комплексы (ассоциация) и процесс распада образовавшихся комплексов (диссоциация). Поэтому если бы даже и удалось произвести разделение газа, то оно было бы очень кратковременным: часть, например, двойных комплексов распалась бы на одиночные молекулы, а часть одиночных молекул образовала бы двойные комплексы. Разделение тем самым снова нарушилось бы.

Итак, согласно изложенному уравнение ван дер Ваалься недостаточно главным образом потому, что оно не учитывает процесса ассоциации и диссоциации молекул газа, процесса, который в реальных газах всегда происходит. Но как же учесть эти процессы, как определить количественно степень ассоциации молекул газа?

Наиболее удачное решение этой задачи с точки зрения проведения практических расчетов принадлежит советским ученым М. П. Вукаловичу и И. И. Новикову, которые воспользовались некоторой аналогией между процессом химического соединения веществ и процессом ассоциации молекул газа. Теория и опыт показывают, что химическая реакция протекает тем быстрее, чем больше имеется молекул исходных продуктов (например, молекул кислорода и водорода при образовании водяного пара) и меньше молекул продуктов реакции (молекул водяного пара). Сказанное составляет существо закона, именуемого законом действующих масс. Этот закон, как и большинство других, может быть выражен математически; иными словами, имеется

уравнение закона действующих масс. Вот это уравнение и было использовано для определения числа молекул, объединившихся в комплексы (определения степени ассоциации). Задача была непростой, но ее все же удалось решить. Было получено новое уравнение состояния, учитывающее явление ассоциации молекул газа и оказавшееся приемлемым для перегретого водяного пара.

Правда, уравнение получилось довольно громоздким, а для определения ряда постоянных коэффициентов этого уравнения оказался необходимым большой экспериментальный материал, но, несмотря на это, научная и практическая ценность нового уравнения не подлежит какому-либо сомнению.

В настоящее время всё чаще для отопления помещений используют новые и современные технологии. Это могут быть различные тепловые насосы или солнечные нагреватели. Также к современным и экономичным средствам отопления относятся пеллетные котлы, которые сжигают новое экологически чистое топливо — пелетты.



Читайте также:

Последние аварии на объектах электроэнергетики РФ

Энергетика. ТЭС и АЭС © 2012 Использование материалов с сайта разрешается при наличии на него активной ссылки без тегов nofollow и noindex.
Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100