Для того чтобы правильно рассчитать, сконструировать и выполнить паросиловую установку, необходимо точно знать свойства рабочего тела при тех давлениях и температурах, которые находят практическое применение. Поскольку из всех рабочих тел , постольку сказанное касается, в первую очередь, воды и водяного пара.
Действительно, для того, например, чтобы выбрать правильные размеры сопла , обеспечив нужные скорости парового потока, необходимо знать удельные объемы пара. Но удельные объемы пара зависят от давления и температуры. Следовательно, для правильного расчета сопел турбины (а также многих других элементов паросиловой установки) необходимо знать зависимость между давлением, температурой и удельным объемом водяного пара. Такая зависимость именуется термическим уравнением состояния.
Можно ли правильно рассчитать все элементы паросиловой установки, если известны удельные объемы для всех температур и давлений, которые принимают вода или водяной пар?
Легко убедиться в том, что знания одних лишь удельных объемов недостаточно. Допустим, что требуется определить количество топлива, необходимое для превращения 1 тонны воды при температуре 20 °С в перегретый пар при температуре 600 °С. Такая задача, несомненно, представляет большой практический интерес. Для того чтобы решить ее, необходимо знать теплоемкость воды 1 при нагревании ее при постоянном давлении от 20 °С до температуры кипения, скрытую теплоту парообразования, т. е. количество тепла, необходимое для испарения 1 килограмма воды, теплоемкость пара при изобарическом нагревании его от температуры кипения до 600 °С. Мы говорим о теплоемкости воды или пара при постоянном давлении, потому, что величина теплоемкости зависит от характера процесса, в котором к телу подводится тепло, а изобарический процесс представляет наибольший практический интерес.
Но величина теплоемкости, например, при постоянном давлении зависит также от давления и температуры. Так, например, для изобарического нагревания 1 килограмма водяного пара от 400 до 401 °С при 250 атмосферах требуется примерно в 5 раз больше тепла, чем для изобарического нагревания 1 килограмма водяного пара при давлении, равном 1 атмосфере от 600 до 601 °С. Следовательно, для определения потребного количества топлива известной теплотворной способности (Необходимо знать зависимость между давлением, температурой и теплоемкостью воды и водяного пара. Такая зависимость именуется калорическим уравнением состояния. Кроме того, нужно знать величину скрытой теплоты парообразования, в свою очередь зависящую от давления и температуры.
Теория и опыт показывают, что важнейшими тепловыми свойствами рабочих тел являются: зависимость удельного объема от давления и температуры и зависимость теплоемкости при постоянном давлении от давления и температуры. Для того чтобы правильно рассчитать теплосиловую установку, необходимо в первую очередь знать удельные объемы и теплоемкости воды и пара для всех используемых температур и давлений.
Определение этих важнейших тепловых свойств воды и водяного пара является делом столько же важным, сколько и сложным. Водяной пар, как это будет показано здесь, принадлежит к числу таких веществ, свойства которых особенно трудно поддаются определению.
Несмотря на то, что исследование свойств воды и водяного пара ведется учеными различных стран уже свыше 150 лет, до самого последнего времени эти свойства были изучены все же совершенно недостаточно. Так, например, в результате тщательно поставленных опытов удельные объемы водяного пара были определены только при температурах, не превышающих 460 °С, а теплоемкость при постоянном давлении — при температурах, не превышающих 450 °С. Свойства же водяного пара при высоких давлениях и при температурах свыше 450—460 °С почти не исследовались.
Такое положение ни в какой мере не могло устроить наших советских энергетиков. Пар высокой температуры и давления находит на наших электростанциях самое широкоё применение. Отсутствие точных проверенных данных по свойствам воды и водяного -пара при высоких давлениях и температурах тормозило дальнейшее развитие теплоэнергетики.
Перед советскими учеными встала важная задача: нужно было определить свойства воды и водяного пара при высоких давлениях и температурах. Несмотря на большую сложность этой задачи, она была решена успешно и в короткий срок. В результате большой работы советских ученых тепловые свойства воды и водяного пара были тщательно исследованы при всех важных для практики давлениях и температурах.
Исследование свойств воды и водяного пара является как мы уже сказали, делом весьма сложным. Объясняется это тем, что вода представляет собой вещество своеобразное, многие свойства которого совсем не похожи на свойства большинства других веществ. Целесообразно будет поэтому, прежде чем перейти к рассказу об исследованиях свойств воды и водяного пара, познакомить читателя хотя бы вкратце с основными из этих свойств.
Как известно, вода является одним из наиболее распространенных в природе веществ. Свыше 70 процентов всей земной поверхности покрыто слоем воды, образующей моря и океаны. Слой воды, покрывающий земную поверхность, является весьма значительным: если бы глубина морей и океанов повсюду была бы одинаковой, то она составила бы около 3800 метров. Большое количество воды вмещают также озера и реки. Наконец, вода имеется и в недрах земли либо в виде так называемых подземных вод, либо в глубоких слоях земной коры.
Но вода встречается в большом количестве в природе не только в жидком состоянии. Она существует также и в газообразном состоянии — в виде пара и в твердом — в виде льда. В нашей земной атмосфере содержится весьма большое количество воды во всех трех агрегатных состояниях: в виде пара, жидкости и льда. Жидкая вода и лед находятся в атмосфере в виде мельчайших частиц, составляющих облака.
Вода, находящаяся в нижних слоях земной коры, имеет весьма высокую температуру и давление, достигающее 30 тысяч атмосфер.
Так как вода в изобилии встречается во всех почти местах земного шара и является наиболее распространенной в природе жидкостью, то многие ее свойства положены в обнову ряда единиц измерения. Так, объем 1 килограмма воды принят за единицу объема—литр; количество тепла, необходимое для нагревания 1 килограмма воды при атмосферном давлении на 1 °С, принято за единицу тепла — большую калорию; температура замерзания воды при атмосферном давлении принята за начало отсчета шкалы температур — 0 °С и т. д.
С химической точки зрения вода представляет собой соединение водорода и кислорода. Молекула воды состоит из трех атомов: 2 атомов водорода и 1 атома кислорода. Молекулярный вес воды — около 18. Долгое время считали, что вода является элементом, т. е. таким веществом, которое не может быть разложено на составные части химическим путем. Однако со временем удалось показать, что под действием высокой температуры или электрического тока вода разлагается, образуя около 11 процентов (по весу) водорода и около 89 процентов кислорода.
В чем же заключаются особенности воды, чем вода по своим свойствам отличается от других веществ?
Своеобразный характер воды легко обнаружить, если внимательно присмотреться к некоторым ее свойствам. Рассмотрим некоторые из свойств воды, отличающие ее от других веществ.
Обычно все тела при нагревании расширяются. Чем выше температура тела, тем больше его объем. Примеров этому можно найти очень много. На занятиях по физике часто демонстрируется опыт с кольцом и шариком. Металлический шарик выполняется таких размеров, что, будучи холодным, он может пройти через кольцо. Но если шарик нагреть, например, на пламени газовой горелки, то он уже через кольцо не проходит: металл при нагревании расширяется, объем шарика увеличивается. Учитывая, что при нагревании металл расширяется, между отдельными рельсами железнодорожного пути всегда оставляется небольшой промежуток. Если этого не сделали бы, то в жаркий день, нагревшись, рельсы изогнулись бы. Вода в этом отношении представляет редкое исключение. Наименьший объем вода имеет при 4 °С. Если нагревать воду и увеличивать ее температуру, то удельный объем ее будет расти. Если охлаждать воду ниже 4 °С, то объем ее вопреки ожиданию также будет расти. Эта особенность воды имеет очень большое значение. Именно благодаря ей пруды, озера и реки обычно не замерзают полностью, а только лишь покрываются снаружи более или менее толстым слоем льда. Образование ледяного покрова происходит следующим образом. Охлаждение воды происходит с поверхности, в результате соприкооновения поверхностных слоев воды с холодным воздухом. Охлажденные слои воды становятся более плотными и опускаются поэтому на дно водоема. На их место поднимаются новые более теплые слои боды. Так происходит как бы естественное перемешивание воды в водоеме, в результате которого охлаждается вся вода. Но процесс естественного перемешивания воды заканчивается после того, как вода охладится до 4 °С, т. е. до температуры наибольшей плотности. Охладившиеся до 4 °С наиболее плотные слои воды опускаются на дно водоема и больше вверх не поднимаются, так как дальнейшее охлаждение приводит уже к уменьшению плотности. Благодаря этому замерзают только верхние слои воды. Это свойство воды имеет большое значение. Если бы вода вела себя так, как и большинство других жидкостей, то водоемы промерзли бы до дна, а населяющие их живые существа могли бы погибнуть.
Большинство жидкостей при переходе в твердое состояние уменьшает свой объем. Если кусок твердого вещества, например олова, опустить в жидкость того же вещества (в жидкое олово), то твердая частица потонет. Вода и в этом отношении представляет исключение. Все мы часто наблюдали картину весеннего ледохода. Но мы были бы лишены этой возможности, если бы вода была подобна другим жидкостям, т.е. если бы лед был более тяжелым, чем вода. Кроме того, если бы вода была в этом отношении подобна другим жидкостям, то это опять-таки привело бы к полному промерзанию всех прудов, озер, рек и других водоемов. Действительно, охладившиеся вследствие соприкосновения с воздухом поверхностные слои воды замерзли бы и превратились в лед. Лед как более плотный и тяжелый опустился бы на дно водоема. На поверхности оказались бы новые, более теплые слои воды, которые, в свою очередь охладившись и замерзнув, опустились бы вниз. Такой процесс продолжался бы до полного промерзания водоема. Меньшая плотность или (что то же) больший удельный объем льда по сравнению с водой является причиной многих преобразований, происходящих в природе. Несколько капель воды, попавших, например, в трещину скалы, замерзая и, следовательно, расширяясь, могут привести к разрушению скалы. Водители автомашин хорошо знают, что зимой в морозные дни нельзя оставлять машину на улице или в холодном гараже с заполненным водой радиатором: замерзая и расширяясь, вода может разорвать трубы радиатора.
Нам уже хорошо известно, что температура парообразования для любого вещества (в том числе и для воды) растет с увеличением давления. Для большинства веществ такая же картина имеет место и при замерзании жидкости: чем выше давление, тем выше температура замерзания. Но вода составляет исключение из этого правила. Температура замерзания воды уменьшается, а не возрастает с ростом давления. Это свойство воды доставляет нам очень большое удовольствие, когда, одев коньки, мы выходим на лед. Под довольно значительным давлением, оказываемым лезвием конька на лед, последний плавится и образовавшаяся вода служит прекрасной смазкой, способствующей легкому скольжению. Однако уменьшение температуры плавления льда, связанное с ростом давления, имеет свои пределы. При давлении около 2115 атмосфер лед плавится при температуре — 22° С. Но при дальнейшем росте давления температура плавления льда начинает возрастать, и если мы достигнем очень высокого давления, например в 20 000 атмосфер, то лед будет плавиться уже при температуре около + 80 °С, т. е. мы сможем получить так называемый горячий лед.
Теплоемкость большинства жидкостей растет с увеличением температуры. Зависимость теплоемкости воды от температуры имеет более сложный характер. Так, например, если взять воду при 0 °С и при атмосферном давлении и начать подогревать ее, то теплоемкость воды сначала будет уменьшаться и достигнет наименьшего значения примерно при 35 °С. При дальнейшем нагревании теплоемкость снова начнет возрастать, а при температуре 100 °С почти достигнет начального значения. Именно поэтому, учитывая изменение теплоемкости воды с температурой, необходимо было при определении единицы количества тепла (большой калории) указывать интервал температур (от 19,5 до 20,5 °С), в котором производится нагревание 1 килограмма воды.
Таков далеко не полный перечень особенностей в свойствах воды, или, как часто говорят, аномалий воды.
Здесь следует также сказать несколько слов о некоторых других особенностях воды. В данном случае речь идет не об аномалиях, т.е. не о таких свойствах, которые являются прямо противоположными свойствам большинства других веществ, а только лишь о свойствах, чрезмерно преувеличенных по сравнению со свойствами других веществ.
Теплоемкость жидкой воды интересна не только особым характером ее изменения в зависимости от температуры. Она интересна также и с точки зрения ее величины: ни одно другое вещество не имеет такой большой теплоемкости, как вода. Так, например, теплоемкость воды примерно в 3 раза больше теплоемкости бензина и серной кислоты, в 14 раз больше теплоемкости жидкого серебра и в 30 раз больше теплоемкости ртути. Многие хорошо известные нам явления объясняются большой теплоемкостью воды. Известно, что районы, расположенные вблизи морей или океанов, отличаются обычно мягким климатом, отсутствием резких колебаний температуры. Наоборот, в районах, расположенных вдали от морей и океанов, наблюдаются значительные колебания температуры: зимой — сильные морозы, летом — жара. Это объясняется тем, что моря и океаны, поглощая большое количество тепла в теплое время года и затем возвращая это тепло в более холодное время года, играют роль как бы колоссальных аккумуляторов тепла. Большая величина теплоемкости воды способствует увеличению аккумулирующей способности тепла морей и океанов.
Количество тепла, потребное для превращения 1 килограмма льда в воду той же температуры, или, иначе говоря, теплота плавления, также очень велика у воды по сравнению с другими веществами. По своей величине теплота плавления льда стоит на втором месте, уступая только лишь теплоте плавления алюминия. Чтобы превратить 1 килограмм льда в воду, нужно затратить примерно в 5 раз больше тепла, чем для того, чтобы расплавить 1 килограмм золота, в 14 раз больше, чем нужно для плавления свинца, и в 29 раз больше, чем нужно для плавления ртути. Большая величина теплоты плавления льда имеет очень важное значение. Если бы теплота плавления льда была бы такой же малой, как, например, у ртути, насколько быстрее таял бы весной лед и какое огромное было бы половодье. Весьма велика у воды и так называемая скрытая теплота парообразования, т.е. количество тепла, необходимое для превращения 1 килограмма воды в пар той же температуры.
Все изложенное подтверждает, что вода по своим свойствам во многом не похожа на большинство других веществ. Можно предполагать поэтому, что определение свойств воды на основе теоретических исследований должно явиться делом особенно сложным.
Всем владельцам частных домов нравится смотреть на облагороженный участок рядом с домом. В этом деле важна каждая мелочь. Особенно привлекательно будут смотреться чугунные садовые скамейки. Скамейки чугунные помогут создать неповторимый и стильный образ Вашего участка.
