Uap air di atmosfer. Apa itu uap air? Di dalam manakah uap air ditemukan?

Sampai saat ini yang menjadi objek penelitian kami adalah gas ideal, yaitu gas ideal. gas yang tidak memiliki gaya interaksi antarmolekul dan ukuran molekulnya diabaikan. Faktanya, ukuran molekul dan kekuatan interaksi antarmolekul sangatlah penting, terutama pada suhu rendah dan tekanan tinggi.

Salah satu perwakilan gas nyata yang digunakan dalam praktek pemadaman kebakaran dan banyak digunakan dalam produksi industri adalah uap air.

Uap air sangat banyak digunakan di berbagai industri, terutama sebagai pendingin pada penukar panas dan sebagai fluida kerja pada pembangkit listrik tenaga uap. Hal ini dijelaskan oleh keberadaan air di mana-mana, murahnya dan tidak berbahaya bagi kesehatan manusia.

Memiliki tekanan tinggi dan temperatur yang relatif rendah, uap yang digunakan dalam praktek mendekati wujud cair, oleh karena itu gaya kohesi antara molekul-molekulnya dan volumenya, seperti pada gas ideal, tidak dapat diabaikan. Akibatnya, tidak mungkin menggunakan persamaan keadaan gas ideal untuk menentukan parameter keadaan uap air, yaitu untuk uap pv≠RT, karena uap air adalah gas nyata.

Upaya sejumlah ilmuwan (Van der Waals, Berthelot, Clausius, dll.) untuk memperjelas persamaan keadaan gas nyata dengan memperkenalkan amandemen persamaan keadaan gas ideal tidak berhasil, karena koreksi ini hanya berkaitan dengan volume dan gaya kohesi antara molekul-molekul gas nyata dan tidak memperhitungkan sejumlah fenomena fisik lain yang terjadi pada gas-gas tersebut.

Peran khusus dimainkan oleh persamaan yang diajukan oleh Van der Waals pada tahun 1873, (P + sebuah/ ayat 2) ( ay - b) = RT. Sebagai perkiraan dalam perhitungan kuantitatif, persamaan van der Waals secara kualitatif mencerminkan karakteristik fisik gas dengan baik, karena memungkinkan kita untuk menggambarkan gambaran umum tentang perubahan keadaan suatu zat dengan transisinya ke keadaan fase individu. Dalam persamaan ini A Dan V untuk gas tertentu adalah nilai konstan yang memperhitungkan: yang pertama adalah gaya interaksi, dan yang kedua adalah ukuran molekul. Sikap a/v 2 mencirikan tekanan tambahan di mana gas nyata berada karena gaya kohesi antar molekul. Besarnya V memperhitungkan penurunan volume pergerakan molekul gas nyata karena fakta bahwa mereka sendiri memiliki volume.

Persamaan yang paling dikenal saat ini adalah persamaan yang dikembangkan pada tahun 1937-1946. Fisikawan Amerika J. Mayer dan, terlepas dari dia, ahli matematika Soviet N. N. Bogolyubov, serta persamaan yang diajukan oleh ilmuwan Soviet M. P. Vukalovich dan I. I. Novikov pada tahun 1939.

Karena sifatnya yang rumit, persamaan ini tidak akan dipertimbangkan.

Untuk uap air, semua parameter keadaan ditabulasikan untuk kemudahan penggunaan dan disajikan pada Lampiran 7.

Jadi, uap air adalah gas nyata yang diperoleh dari air dengan suhu kritis yang relatif tinggi dan mendekati keadaan jenuh.

Mari kita pertimbangkan prosesnya transformasi cairan menjadi uap, disebut juga proses penguapan . Suatu cairan dapat berubah menjadi uap melalui penguapan dan perebusan.

Penguapan disebut penguapan yang hanya terjadi dari permukaan zat cair dan pada suhu berapa pun. Intensitas penguapan tergantung pada sifat cairan dan suhunya. Penguapan suatu zat cair dapat sempurna jika terdapat ruang yang tidak terbatas di atas zat cair tersebut. Di Alam, proses penguapan cairan terjadi dalam skala besar setiap saat sepanjang tahun.

Inti dari proses penguapan adalah bahwa masing-masing molekul suatu cairan, yang terletak di permukaannya dan memiliki energi kinetik yang lebih besar dibandingkan dengan molekul lain, mengatasi aksi gaya molekul tetangganya, menciptakan tegangan permukaan, dan terbang keluar dari cairan ke ruang sekitarnya. . Dengan meningkatnya suhu, intensitas penguapan meningkat, karena kecepatan dan energi molekul meningkat dan gaya interaksinya menurun. Selama penguapan, suhu cairan menurun, karena molekul-molekul dengan kecepatan yang relatif tinggi terbang keluar, akibatnya kecepatan rata-rata molekul-molekul yang tersisa di dalamnya menurun.

Ketika panas diberikan ke cairan, suhu dan laju penguapannya meningkat. Pada suhu tertentu, tergantung pada sifat cairan dan tekanan di mana ia berada, hal itu dimulai penguapan di seluruh massanya. Dalam hal ini, gelembung uap terbentuk di dinding bejana dan di dalam cairan. Fenomena ini disebut mendidih cairan. Tekanan uap yang dihasilkan sama dengan tekanan media tempat terjadinya perebusan.

Proses kebalikan dari penguapan disebut Ke kondensasi th. Proses pengubahan uap menjadi cair juga terjadi pada suhu konstan jika tekanannya tetap. Selama kondensasi, molekul uap yang bergerak secara kacau, bersentuhan dengan permukaan cairan, jatuh di bawah pengaruh gaya antarmolekul air, tetap di sana, dan kembali berubah menjadi cairan. Karena Karena molekul uap memiliki kecepatan lebih tinggi dibandingkan molekul cair, selama kondensasi suhu cairan meningkat. Cairan yang terbentuk ketika uap mengembun disebut kondensat .

Mari kita perhatikan proses penguapan lebih detail.

Transisi dari cair ke uap memiliki tiga tahap:

1. Memanaskan cairan sampai titik didih.

2. Penguapan.

3. Uap terlalu panas.

Mari kita lihat setiap tahap lebih detail.

Mari kita ambil sebuah silinder dengan piston dan letakkan 1 kg air di sana pada suhu 0°C, secara konvensional dengan asumsi bahwa volume spesifik air pada suhu ini minimal 0,001 m 3 /kg. Sebuah beban ditempatkan pada piston, yang bersama-sama dengan piston memberikan tekanan konstan P pada cairan. Keadaan ini berhubungan dengan titik 0. Mari kita mulai menyuplai panas ke silinder ini.

Beras. 28. Grafik perubahan volume spesifik campuran uap-cair pada tekanan jenuh P s.

1. Proses pemanasan cairan. Dalam proses ini, yang dilakukan pada tekanan konstan karena panas yang diberikan ke cairan, dipanaskan dari 0 ° C hingga titik didih t s. Karena air mempunyai koefisien muai panas yang relatif kecil, maka volume spesifik zat cair akan sedikit berubah dan bertambah dari v 0 menjadi v¢. Keadaan ini sesuai dengan poin 1, dan prosesnya sesuai dengan segmen 0-1.

2. Proses penguapan . Dengan pasokan panas lebih lanjut, air akan mendidih dan berubah menjadi gas, mis. uap air Proses ini sesuai dengan segmen 1-2 dan peningkatan volume spesifik dari v¢ ke v¢¢. Proses penguapan terjadi tidak hanya pada tekanan konstan, tetapi juga pada suhu konstan yang sama dengan titik didih. Dalam hal ini, air di dalam silinder sudah berada dalam dua fase: uap dan cair. Air hadir dalam bentuk cairan yang terkonsentrasi di bagian bawah silinder dan dalam bentuk tetesan kecil, tersebar merata ke seluruh volume.

Proses penguapan disertai dengan proses sebaliknya yang disebut kondensasi. Jika laju kondensasi sama dengan laju penguapan, maka terjadi kesetimbangan dinamis dalam sistem. Uap dalam keadaan ini mempunyai kepadatan maksimum dan disebut jenuh. Oleh karena itu, di bawah kaya memahami uap yang berada dalam kesetimbangan dengan cairan tempat uap tersebut terbentuk. Sifat utama uap ini adalah mempunyai suhu yang merupakan fungsi dari tekanannya, yang sama dengan tekanan medium tempat terjadinya perebusan. Oleh karena itu, titik didihnya disebut berbeda suhu saturasi dan dilambangkan t n. Tekanan yang sesuai dengan t n disebut tekanan saturasi (dilambangkan dengan p N atau hanya hal. Uap dihasilkan hingga tetes terakhir cairan menguap. Momen ini akan sesuai dengan negara kering jenuh (atau sederhananya kering) pasangan. Uap yang dihasilkan oleh penguapan zat cair yang tidak sempurna disebut uap jenuh basah atau sederhananya basah. Ini adalah campuran uap kering dengan tetesan cairan, didistribusikan secara merata ke seluruh massa dan tersuspensi di dalamnya. Fraksi massa uap kering pada uap basah disebut derajat kekeringan atau kandungan massa uap dan dilambangkan dengan X. Fraksi massa zat cair dalam uap basah disebut tingkat kelembaban dan dilambangkan dengan kamu. Jelas sekali pada= 1 - X. Derajat kekeringan dan derajat kelembapan dinyatakan dalam pecahan satuan atau dalam %: misalnya, jika x = 0,95 dan kamu = 1 - x = 0,05, artinya campuran tersebut mengandung 95% uap kering dan 5% cairan mendidih.

3. Uap terlalu panas. Dengan pasokan panas lebih lanjut, suhu uap akan meningkat (volume spesifik meningkat dari v¢¢ ke v¢¢¢). Keadaan ini sesuai dengan segmen 2-3 . Jika temperatur steam lebih tinggi dari temperatur steam jenuh dengan tekanan yang sama, maka steam tersebut disebut terlalu panas. Perbedaan antara suhu uap super panas dan suhu uap jenuh dengan tekanan yang sama disebut tingkat panas berlebih A.

Karena volume spesifik uap super panas lebih besar daripada volume spesifik uap jenuh (sejak hal = const, t per > t n), maka massa jenis uap super panas lebih kecil dari massa jenis uap jenuh. Oleh karena itu, uap super panas adalah uap tak jenuh. Dilihat dari sifat fisiknya, steam lewat jenuh mendekati gas dan semakin besar derajat superheating maka semakin tinggi pula derajat superheatingnya.

Dari pengalaman, posisi titik 0 - 2 ditemukan pada tekanan saturasi lain yang lebih tinggi. Dengan menghubungkan titik-titik yang bersesuaian pada tekanan yang berbeda, kita memperoleh diagram keadaan uap air.

Beras. 29. pv – diagram keadaan uap air.

Dari analisis diagram terlihat bahwa dengan bertambahnya tekanan maka volume spesifik zat cair berkurang. Dalam diagram, penurunan volume dengan meningkatnya tekanan sesuai dengan garis SD. Suhu saturasi, dan volume spesifiknya, meningkat, seperti yang ditunjukkan oleh garis AK. Air juga lebih cepat menguap, terlihat jelas dari garis VC. Ketika tekanan meningkat, perbedaan antara v¢ dan v¢¢ berkurang, dan garis AK dan BK secara bertahap saling mendekat. Pada tekanan tertentu, yang cukup spesifik untuk setiap zat, garis-garis ini bertemu di satu titik K, yang disebut titik kritis. Titik K, yang sekaligus termasuk dalam garis cairan pada titik didih AK dan garis uap jenuh kering BK, berhubungan dengan keadaan kritis pembatas tertentu dari zat tersebut, di mana tidak ada perbedaan antara uap dan cairan. Parameter keadaan disebut kritis dan diberi nama Tk, Pk, vk. Untuk air, parameter kritis mempunyai nilai sebagai berikut: Tk = 647.266K, Pk = 22.1145 MPa, vk = 0.003147 m 3 /kg.

Keadaan dimana ketiga fasa air berada dalam kesetimbangan disebut titik tripel air. Untuk air: T 0 = 273,16 K, P 0 = 0,611 kPa, v 0 = 0,001 m 3 /kg. Dalam termodinamika, entalpi spesifik, entropi, dan energi dalam pada titik tripel diasumsikan nol, yaitu. saya 0 = 0, s 0 = 0, kamu 0 = 0.

Mari kita tentukan parameter utama uap air

1. Pemanasan cair

Banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 kg zat cair dari suhu 0°C hingga titik didih disebut panas spesifik cairan . Panas suatu cairan merupakan fungsi dari tekanan, yang mengambil nilai maksimum pada tekanan kritis.

Nilainya ditentukan:

q = с (t s -t 0) ,

dimana c p adalah kapasitas panas isobarik massa rata-rata air pada kisaran suhu dari t 0 = 0 °C hingga t s, diambil dari data referensi

itu. q = с р t s

Panas spesifik diukur dalam J/kg

Kuantitas q dinyatakan sebagai

dimana i¢ adalah entalpi air pada titik didih;

i adalah entalpi air pada 0 °C.

Menurut hukum pertama termodinamika

saya = kamu 0 + P s v 0 ,

dimana u 0 adalah energi dalam pada 0 °C.

saya¢ = q + kamu 0 + P s v 0

Mari kita asumsikan secara kondisional, seperti dalam kasus gas ideal, bahwa u 0 = 0. Maka

saya¢ = q + P s v 0

Rumus ini memungkinkan Anda menghitung nilai i¢ menggunakan nilai P s, v 0 dan q yang ditemukan dari pengalaman.

Pada tekanan rendah Р s, ketika untuk air nilai Р s v 0 kecil dibandingkan dengan panas cairan, kita dapat berasumsi secara kasar

Panas cairan meningkat seiring dengan meningkatnya tekanan saturasi dan mencapai nilai maksimumnya pada titik kritis. Mengingat i=u+ Pv (1), kita dapat menuliskan persamaan energi dalam air pada titik didih berikut:

kamu¢ = saya¢ + P s v¢

Perubahan entropi selama pemanasan cairan

Dengan asumsi entropi air pada 0

Rumus ini memungkinkan Anda menghitung entalpi suatu cairan pada titik didihnya.

2. Penguapan

Banyaknya kalor yang diperlukan untuk memindahkan 1 kg cairan yang dipanaskan sampai titik didih menjadi uap jenuh kering dalam proses isobarik disebut panas spesifik penguapan (r) .

Panas penguapan ditentukan:

i¢¢ = r + i¢ berdasarkan panas penguapan dan entalpi air pada titik didih i¢ diperoleh dari pengalaman. Dengan memperhatikan (1), kita dapat menulis:

r = (u¢¢-u¢)+P s (v¢¢-v¢),

dimana u¢ dan u¢¢ adalah energi dalam air pada titik didih dan uap jenuh kering. Persamaan ini menunjukkan bahwa panas penguapan mempunyai dua bagian. Satu bagian (u¢¢-u¢) dihabiskan untuk meningkatkan energi internal uap yang terbentuk dari air. Ini disebut panas penguapan internal dan dilambangkan dengan huruf r. Bagian lain dari P s (v¢¢-v¢) digunakan untuk kerja eksternal yang dilakukan oleh uap dalam proses isobarik air mendidih, dan disebut panas eksternal penguapan (y).

Panas penguapan berkurang dengan meningkatnya tekanan saturasi dan sama dengan nol pada titik kritis. Panas cairan dan panas penguapan membentuk panas total uap jenuh kering l¢¢.

Energi dalam uap jenuh kering u¢¢ sama dengan

u¢¢=i¢¢-P s v¢¢

Perubahan entropi uap selama proses penguapan ditentukan oleh persamaan

Ekspresi ini memungkinkan kita untuk menentukan entropi uap jenuh kering s¢¢.

Uap jenuh basah antara nilai batas volume spesifik v¢ dan v¢¢ terdiri dari uap jenuh kering dan air. Banyaknya uap jenuh kering dalam 1 kg uap jenuh basah disebut tingkat kekeringan , atau isi uap . Besaran ini disebut huruf X. Besarnya (1-x) ditelepon tingkat kelembaban uap .

Jika kita memperhitungkan derajat kekeringan, maka volume spesifik uap jenuh basah v x

vx = v¢¢x + v¢(1-x)

Panas penguapan rx, entalpi saya x, kehangatan penuh aku x, energi dalam kamu x dan entropi sx untuk steam jenuh basah mempunyai nilai sebagai berikut:

rx = rx; saya x = saya¢ + rx; aku x = q + rx; kamu x = saya¢ + rx – p s v s ; sx = s¢ + rx/T s

3. Proses pemanasan berlebih dengan uap

Uap jenuh kering dipanaskan secara berlebihan pada tekanan konstan dari titik didih ts ke suhu yang disetel T; dalam hal ini, volume spesifik uap meningkat dari v¢ sebelum ay. Banyaknya kalor yang dikeluarkan untuk memanaskan 1 kg uap jenuh kering dari titik didih sampai suhu tertentu disebut kalor superheating. Panas superheating dapat ditentukan:

dimana c p adalah kapasitas panas massa rata-rata steam pada kisaran suhu t s – t (ditentukan dari data referensi).

Untuk nilai q p kita dapat menulis

q p = saya – saya¢ ,

dimana I adalah entalpi uap super panas.

Keadaan antara suatu zat antara keadaan gas nyata dan cairan biasanya disebut tdk jelas atau sederhananya feri. Perubahan wujud cair menjadi uap adalah transisi fase dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya. Selama transisi fase, terjadi perubahan mendadak pada sifat fisik suatu zat.

Contoh transisi fase tersebut adalah proses mendidih cair dengan penampilannya uap jenuh basah dan transisi selanjutnya ke bebas kelembapan uap jenuh kering atau membalikkan proses perebusan kondensasi uap jenuh.

Salah satu sifat utama uap jenuh kering adalah pasokan panas lebih lanjut menyebabkan peningkatan suhu uap, yaitu peralihannya ke keadaan uap super panas, dan pembuangan panas menyebabkan transisi ke keadaan uap basah. uap jenuh. DI DALAM

Keadaan fase air

Gambar 1. Diagram fasa uap air dalam koordinat T, s.

WilayahSAYA– keadaan gas (uap super panas dengan sifat gas nyata);

WilayahII– keadaan kesetimbangan air dan uap air jenuh (keadaan dua fase). Wilayah II disebut juga wilayah penguapan;

WilayahAKU AKU AKU– keadaan cair (air). Wilayah III dibatasi oleh isoterm EK;

WilayahIV– keadaan kesetimbangan fase padat dan cair;

WilayahV– keadaan padat;

Wilayah III, II dan I dipisahkan garis perbatasan AK (garis kiri) dan KD (garis kanan). Titik persekutuan K untuk garis batas AK dan KD mempunyai sifat khusus dan disebut titik kritis. Poin ini memiliki parameter Pkr, aykr Dan T kr, di mana air mendidih berubah menjadi uap super panas, melewati wilayah dua fase. Akibatnya, air tidak dapat ada pada suhu di atas Tcr.

Titik kritis K memiliki parameter sebagai berikut:

Pkr= 22,136 MPa; aykr= 0,00326 m 3 /kg; Tkr= 374,15 °C.

Nilai-nilai hal, t, v Dan S karena kedua garis batas tersebut diberikan dalam tabel khusus sifat termodinamika uap air.

Proses memperoleh uap air dari air

Gambar 2 dan 3 menunjukkan proses pemanasan air hingga mendidih, pembentukan uap dan pemanasan berlebih uap masuk hal, v- Dan T, hal-diagram.

Keadaan awal air cair di bawah tekanan P 0 dan bersuhu 0 °C, digambarkan dalam diagram hal, v Dan T, hal dot A. Ketika panas disuplai pada P= konstan suhunya meningkat dan volume spesifiknya meningkat. Pada suatu saat suhu air mencapai titik didih. Dalam hal ini, statusnya ditunjukkan dengan sebuah titik B. Dengan suplai panas lebih lanjut, penguapan dimulai dengan peningkatan volume yang kuat. Dalam hal ini, media dua fase terbentuk - campuran air dan uap, yang disebut uap jenuh basah. Suhu campuran tidak berubah, karena panas dihabiskan untuk penguapan fase cair. Proses penguapan pada tahap ini bersifat isobarik-isotermal dan ditunjukkan pada diagram sebagai bagian SM. Kemudian pada suatu saat semua air berubah menjadi uap yang disebut jenuh kering. Keadaan ini ditunjukkan pada diagram dengan sebuah titik C.

Gambar 2. Diagram P, v untuk air dan uap air.

Gambar 3. Diagram T,s untuk air dan uap air.

Dengan suplai panas lebih lanjut maka suhu steam akan meningkat dan akan terjadi proses overheating steam c - d. Dot D menunjukkan keadaan uap super panas. Jarak titik D dari titik Dengan tergantung pada suhu uap super panas.

Indeksasi untuk menunjukkan jumlah yang berkaitan dengan kondisi air dan uap yang berbeda:

nilai dengan indeks “0” mengacu pada keadaan awal air;
nilai dengan indeks “′” mengacu pada air yang dipanaskan hingga suhu mendidih (saturasi);
nilai dengan indeks “″” mengacu pada uap jenuh kering;
kuantitas dengan indeks " X» mengacu pada uap jenuh basah;
nilai tanpa indeks mengacu pada uap super panas.

Proses penguapan pada tekanan yang lebih tinggi hal 1 > hal 0 dapat dicatat bahwa intinya A, menggambarkan keadaan awal air pada suhu 0 ° C dan tekanan baru, praktis tetap pada vertikal yang sama, karena volume spesifik air hampir tidak bergantung pada tekanan.

Dot B'(keadaan air pada suhu jenuh) bergeser ke kanan sebesar hal, v-diagram dan naik ke T, s-diagram. Hal ini karena dengan meningkatnya tekanan, suhu saturasi dan volume spesifik air meningkat.

Dot C'(keadaan uap jenuh kering) bergeser ke kiri, karena dengan meningkatnya tekanan, volume spesifik uap berkurang meskipun suhu meningkat.

Menghubungkan banyak titik B Dan C pada tekanan yang berbeda memberikan kurva batas bawah dan atas aku Dan kc. Dari hal, v- diagram menunjukkan bahwa dengan meningkatnya tekanan, perbedaan volume spesifik v″ Dan v′ berkurang dan pada tekanan tertentu menjadi sama dengan nol. Pada titik ini, yang disebut titik kritis, kurva batas bertemu aku Dan kc. Nyatakan sesuai dengan maksudnya k, ditelepon kritis. Hal ini ditandai dengan fakta bahwa di dalamnya uap dan air memiliki volume spesifik yang sama dan sifat-sifatnya tidak berbeda satu sama lain. Daerah yang terletak pada segitiga lengkung bkc(V hal, v-diagram), sesuai dengan uap jenuh lembab.

Keadaan uap super panas diwakili oleh titik-titik yang terletak di atas kurva batas atas kc.

Pada T, hal-diagram luas 0 perut' sesuai dengan jumlah panas yang diperlukan untuk memanaskan air cair hingga suhu jenuh.

Banyaknya kalor yang diberikan, J/kg, sama dengan kalor penguapan R, dinyatakan berdasarkan wilayah s′bcs, dan untuk itu hubungan berikut berlaku:

R = T(s″ — s′).

Banyaknya kalor yang disuplai pada proses superheating uap air dinyatakan dengan luas s″cds.

Pada T, hal Diagram menunjukkan bahwa dengan meningkatnya tekanan, panas penguapan berkurang dan pada titik kritis menjadi sama dengan nol.

Biasanya T, hal-diagram digunakan dalam studi teoretis, karena penggunaan praktisnya sangat terhambat oleh kenyataan bahwa jumlah panas dinyatakan dalam luas bangun lengkung.

Berdasarkan materi catatan kuliah saya tentang termodinamika dan buku teks “Dasar-Dasar Energi”. Penulis G.F.Bystritsky. edisi ke-2, putaran. dan tambahan - M.: KNORUS, 2011 .-- 352 hal.

Ketika saya mendengar kata “uap”, saya teringat saat saya masih duduk di bangku sekolah dasar. Kemudian, ketika orang tua pulang sekolah, mereka mulai menyiapkan makan siang dan menaruh panci berisi air di atas kompor gas. Dan setelah sepuluh menit, gelembung pertama mulai muncul di dalam panci. Proses ini selalu membuat saya terpesona, sepertinya saya bisa melihatnya selamanya. Dan kemudian, beberapa saat setelah gelembung muncul, uapnya sendiri mulai mengalir. Suatu hari, aku bertanya pada ibuku: “Dari mana datangnya awan putih ini?” (Begitulah saya biasa memanggil mereka). Dia menjawab saya: “Ini semua terjadi karena pemanasan air.” Walaupun jawabannya tidak memberikan gambaran lengkap tentang proses pembentukan uap, dalam pelajaran fisika sekolah saya mempelajari semua yang saya inginkan tentang uap. Jadi...

Apa itu uap air?

Dari sudut pandang ilmiah, uap air itu sederhana salah satu dari tiga keadaan fisik air itu sendiri. Hal ini diketahui terjadi ketika air dipanaskan. Seperti dirinya, uapnya tidak berwarna, tidak berasa, tidak berbau. Namun tidak semua orang mengetahui bahwa awan uap memiliki tekanan tersendiri yang bergantung pada volumenya. Dan itu diungkapkan dalam pascal(untuk menghormati ilmuwan terkenal).

Uap air mengelilingi kita tidak hanya saat kita memasak sesuatu di dapur. Itu terus-menerus terkandung dalam udara dan atmosfer jalanan. Dan persentase isinya disebut "kelembaban mutlak".

Fakta tentang uap air dan ciri-cirinya

Jadi, beberapa poin menarik:

semakin tinggi suhunya, yang bekerja pada air, semakin cepat proses penguapan terjadi;
Di samping itu, laju penguapan meningkat seiring dengan bertambahnya luas area permukaan di mana air ini berada. Dengan kata lain, jika kita mulai memanaskan lapisan kecil air pada wadah logam yang lebar, maka penguapan akan terjadi dengan sangat cepat;
Kehidupan tumbuhan tidak hanya membutuhkan air dalam bentuk cair, tetapi juga air dalam bentuk gas.. Fakta ini dapat dijelaskan oleh fakta bahwa penguapan terus-menerus mengalir dari daun tanaman mana pun, mendinginkannya. Cobalah menyentuh daun pohon pada hari yang panas dan Anda akan merasakan bahwa daun itu sejuk;
hal yang sama berlaku pada manusia, sistem yang sama bekerja pada kita seperti pada tumbuhan di atas. Asapnya mendinginkan kulit kita di hari yang panas.. Anehnya, meski dengan aktivitas ringan, tubuh kita menyisakan sekitar dua liter cairan per jam. Apa yang bisa kita katakan tentang meningkatnya stres dan hari-hari musim panas?

Beginilah cara kita menggambarkan esensi uap dan perannya dalam dunia kita. Saya harap Anda menemukan banyak hal menarik!

UAP AIR. Uap adalah benda gas yang diperoleh dari cairan pada suhu dan tekanan yang sesuai. Semua gas mungkin diubah menjadi wujud cair, sehingga sulit menarik garis batas antara gas dan uap. Dalam teknologi, uap dianggap sebagai benda gas yang wujudnya tidak lama lagi akan berubah menjadi cair. Karena terdapat perbedaan yang signifikan antara sifat-sifat gas dan uap, maka perbedaan istilah ini cukup tepat. Uap air adalah uap terpenting yang digunakan dalam teknologi. Mereka digunakan sebagai fluida kerja pada mesin uap (mesin uap dan turbin uap) dan untuk keperluan pemanasan dan pemanasan. Sifat-sifat uap sangat berbeda-beda, bergantung pada apakah uap tersebut bercampur dengan cairan asal uap tersebut, atau apakah uap tersebut terpisah darinya. Dalam kasus pertama, uap disebut jenuh, dalam kasus kedua - super panas. Dalam teknologi, awalnya hampir secara eksklusif uap jenuh digunakan; saat ini, uap super panas paling banyak digunakan dalam mesin uap, yang sifat-sifatnya dipelajari dengan cermat.

I. Uap jenuh. Proses evaporasi lebih mudah dipahami dengan gambar grafis, misalnya diagram dengan koordinat p, v (tekanan spesifik dalam kg/cm2 dan volume spesifik dalam m3/kg). Pada gambar. Gambar 1 menunjukkan diagram skema proses penguapan 1 kg air. Titik a 2 menggambarkan keadaan 1 kg air pada 0° dan tekanan p 2, dan absis titik ini menggambarkan volume jumlah ini, ordinatnya - tekanan di mana air berada.

Kurva a 2 aa 1 menunjukkan perubahan volume 1 kg air dengan bertambahnya tekanan. Tekanan di titik a 2, a, a 1 masing-masing sama dengan p 2, p, p 1 kg 1cm 2. Faktanya, perubahan ini sangat kecil, dan dalam hal teknis, volume spesifik air dapat dianggap tidak bergantung pada tekanan (yaitu, garis a 2 aa 1 dapat dianggap sebagai garis lurus yang sejajar dengan sumbu ordinat). Jika Anda memanaskan sejumlah air, menjaga tekanan tetap konstan, suhu air naik, dan pada nilai tertentu air mulai menguap. Ketika air dipanaskan, volume spesifiknya, secara teori, sedikit meningkat (setidaknya dimulai dari 4°, yaitu dari suhu air dengan kepadatan tertinggi). Oleh karena itu, titik-titik di mana penguapan dimulai pada tekanan yang berbeda (p 2, p, p 1) akan terletak pada kurva lain b 2 bb 1. Faktanya, peningkatan volume air dengan meningkatnya suhu tidak signifikan, dan oleh karena itu, pada tekanan dan suhu rendah, volume spesifik air dapat dianggap sebagai nilai konstan. Volume spesifik air di titik b 2, b, b 1 masing-masing dilambangkan dengan v" 2, v", v" 1; kurva b 2 bb 1 disebut kurva batas bawah. Suhu di mana penguapan dimulai ditentukan oleh tekanan di mana air dipanaskan. Selama waktu penguapan, suhu ini tidak berubah jika tekanannya tetap konstan. Oleh karena itu, suhu uap jenuh hanya merupakan fungsi dari tekanan p proses, misalnya bcd, kita melihat bahwa volume campuran uap dan cairan selama proses penguapan meningkat seiring dengan bertambahnya jumlah air yang diuapkan pada titik d tertentu, semua air hilang, dan diperoleh uap murni; untuk tekanan yang berbeda membentuk kurva tertentu d 1 dd 2, yang disebut. kurva batas atas, atau kurva uap jenuh kering; uap dalam keadaan ini (saat penguapan air baru saja selesai) disebut uap jenuh kering. Jika Anda melanjutkan pemanasan setelah titik d (menuju titik e), membiarkan tekanan konstan, maka suhu uap mulai meningkat. Dalam keadaan ini, uap disebut super panas. Dengan demikian, diperoleh tiga daerah: di sebelah kanan garis d 1 dd 2 - daerah uap super panas, di antara garis b 1 bb 2 dan d 1 dd 2 - daerah uap jenuh dan di sebelah kiri garis b 1 bb 2 - wilayah air cair. Di suatu titik tengah c terdapat campuran uap dan air.

Untuk mengkarakterisasi keadaan campuran ini, digunakan jumlah x uap yang terkandung di dalamnya; dengan campuran seberat 1 kg (sama dengan berat air yang diambil), nilai x ini disebut proporsi uap dalam campuran, atau kandungan uap campuran; banyaknya air dalam campuran tersebut adalah (1-x) kg. Jika v" m 3 / kg adalah volume spesifik uap jenuh kering pada suhu t dan tekanan p kg/cm 2, dan volume air pada kondisi yang sama v", maka volume campuran v dapat dicari dengan rumus:

Volume v" dan v", dan oleh karena itu perbedaannya v"-v" merupakan fungsi dari tekanan p (atau suhu t). Bentuk fungsi yang menentukan ketergantungan p pada t untuk uap air sangatlah kompleks; Ada banyak ekspresi empiris untuk ketergantungan ini, namun semuanya hanya cocok untuk interval terbatas tertentu dari variabel independen t. Regnault untuk suhu dari 20 hingga 230° memberikan rumus:

Saat ini rumus Dupre-Hertz yang sering digunakan:

dimana k, m dan n adalah konstanta.

Schüle memberikan rumus ini sebagai berikut:

dan untuk suhu:

a) antara 20 dan 100°

(p - dalam kg/cm 2, T - suhu uap absolut);

b) antara 100 dan 200°

c) antara 200 dan 350°

Sifat kurva p tekanan uap sebagai fungsi suhu terlihat pada Gambar. 2.

Dalam prakteknya, mereka langsung menggunakan tabel yang memberikan hubungan antara p dan t. Tabel-tabel ini disusun berdasarkan eksperimen yang akurat. Untuk mengetahui volume spesifik uap jenuh kering, terdapat rumus Clapeyron-Clausius yang diturunkan secara teoritis. Anda juga dapat menggunakan rumus empiris Mollier:

Banyaknya kalor q yang diperlukan untuk memanaskan 1 kg air dari 0 sampai t° (awal penguapan) dinyatakan sebagai berikut:

dimana c adalah kapasitas panas air, yang sedikit berbeda dari kesatuan dalam rentang yang luas; Oleh karena itu, kami menggunakan rumus perkiraan:

Namun, Regnault sudah yakin akan peningkatan c yang nyata pada suhu tinggi dan memberikan persamaan untuk q:

Di zaman modern, data berikut diberikan untuk s (rumus Diterichi):

Untuk kapasitas panas rata-rata dengan m dalam kisaran dari 0 hingga t° persamaannya diberikan:

Data eksperimen Institut Fisika dan Teknologi Jerman agak menyimpang dari rumus ini, yang pengamatannya memberikan nilai c sebagai berikut:

Untuk mengubah air yang dipanaskan sampai suhu tertentu menjadi uap, Anda masih perlu mengeluarkan sejumlah panas r, yang disebut panas laten penguapan.

Saat ini, pengeluaran panas ini dibagi menjadi 2 bagian: 1) panas Ψ, yang digunakan untuk pekerjaan eksternal peningkatan volume ketika air berubah menjadi uap (panas laten penguapan), dan 2) panas ϱ, yang digunakan untuk pekerjaan internal pemisahan molekul yang terjadi selama penguapan air (panas laten internal penguapan). Panas penguapan laten eksternal

dimana A = 1/427 adalah ekuivalen termal kerja mekanis.

Dengan demikian

Untuk r diberikan rumus berikut (berdasarkan percobaan di Institut Fisika dan Teknologi Jerman):

Kalor penguapan total λ, yaitu jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah air yang diambil pada suhu 0° menjadi uap pada suhu t, jelas sama dengan q + r. Regnault memberikan rumus berikut untuk λ:

rumus ini memberikan hasil yang mendekati data eksperimen terbaru. Shule memberi:

Energi dalam u air pada 0° diasumsikan nol. Untuk mengetahui pertambahannya ketika memanaskan air, perlu diketahui sifat perubahan volume spesifik air dengan perubahan tekanan dan suhu, yaitu jenis kurva a 2 aa 1 dan b 2 bb 1 (Gbr. 1). Asumsi paling sederhana adalah menganggap garis-garis ini sebagai garis lurus, dan terlebih lagi, saling berhimpitan, yaitu dengan mengambil volume spesifik air v" sebagai nilai konstan yang tidak bergantung pada tekanan atau suhu (v" = 0,001 m 3 /kg). Berdasarkan asumsi ini, semua panas yang digunakan untuk memanaskan cairan, yaitu q, digunakan untuk meningkatkan energi internal (karena tidak ada kerja eksternal yang dilakukan selama pemanasan ini). Namun asumsi ini valid, hanya untuk tekanan yang relatif rendah (tabel Zeiner diberikan hingga tekanan 20 kg/cm2). Tabel modern (Mollier dkk.), yang mencapai tekanan kritis (225 kg/cm2) dan suhu (374°), tentu saja, tidak dapat mengabaikan perubahan volume air (volume spesifik air pada tekanan kritis dan suhu kritis adalah 0,0031 m 2 /kg, yaitu lebih dari tiga kali lipat dibandingkan pada 0°). Namun Stodola dan Knoblauch menunjukkan bahwa rumus Diterici yang diberikan di atas untuk nilai q memberikan nilai perubahan energi dalam (dan bukan nilai q); namun perbedaan antara nilai-nilai ini hingga tekanan 80 kg/cm2 tidak signifikan. Oleh karena itu, kita asumsikan bahwa energi dalam untuk air sama dengan panas cairan: u" = q. Selama periode penguapan, energi dalam meningkat sebesar jumlah panas laten penguapan ϱ, yaitu energi uap jenuh kering akan menjadi: (Gbr. 3).

Untuk campuran dengan proporsi uap x kita memperoleh persamaan berikut:

Ketergantungan panas penguapan dan tekanan pada suhu ditunjukkan secara grafis pada Gambar. 3.

Mollier memperkenalkan fungsi termodinamika i ke dalam termodinamika teknis, ditentukan oleh persamaan dan disebut konten panas. Untuk campuran dengan proporsi uap x ini akan menghasilkan:

atau, setelah pemeran:

untuk air (x = 0) diperoleh:

untuk uap jenuh kering:

Nilai produk APv" sangat kecil bahkan jika dibandingkan dengan nilai q (dan terlebih lagi jika dibandingkan dengan nilai q + r = λ); oleh karena itu, kita dapat menerima

Oleh karena itu, dalam tabel Mollier, yang diberikan bukanlah nilai q dan λ, melainkan nilai i" dan i" sebagai fungsi dari p atau t°. Entropi uap jenuh ditemukan dengan ekspresi diferensial dQ untuk semua benda berbentuk:

Untuk uap air jenuh

Suku pertama menunjukkan peningkatan entropi air ketika dipanaskan, suku kedua adalah peningkatan entropi campuran selama penguapan. Percaya

kita mendapatkan atau, mengintegrasikan:

Perhatikan bahwa ketika menghitung s" perubahan volume spesifik v" biasanya juga diabaikan dan diasumsikan bahwa tabel digunakan untuk menyelesaikan semua pertanyaan yang berkaitan dengan uap jenuh. Di masa lalu, tabel Zeiner digunakan dalam teknologi, namun sekarang sudah usang; Anda dapat menggunakan tabel Schüle, Knoblauch atau Mollier.

Dalam semua tabel ini, tekanan dan suhu dibawa ke kondisi kritis. Tabel tersebut mencakup data berikut: suhu dan tekanan uap jenuh, volume spesifik air dan uap serta berat jenis uap, entropi cairan dan uap, kandungan panas air dan uap, total panas laten penguapan, energi dalam, internal dan panas laten eksternal. Untuk beberapa masalah (yang berkaitan, misalnya, dengan kapasitor), tabel khusus disusun dengan interval tekanan atau suhu yang kecil.

Dari semua perubahan uap, perubahan adiabatik adalah yang paling menarik; itu mungkin. dipelajari poin demi poin. Misalkan titik awal 1 adiabatik diberikan (Gbr. 4), ditentukan oleh tekanan p 1 dan proporsi uap x 1; diperlukan untuk menentukan keadaan uap di titik 2 yang terletak pada jalur adiabatik yang melalui titik 1 dan ditentukan oleh tekanan p 2. Untuk mencari x2, syarat persamaan entropi di titik 1 dan 2 dinyatakan:

Dalam persamaan ini, besaran s" 1, r 1 /T 1, s" 2 dan r 2 /T 2 ditemukan dari tekanan yang diberikan p 1 dan p 2, proporsi uap x 1 diberikan, dan hanya x 2 tidak diketahui. Volume spesifik v -2 di titik 2 ditentukan dengan rumus:

Besaran v"" 2 dan v" 2 dicari dari tabel. Kerja luar dari perubahan adiabatik yang ditinjau ditentukan dari selisih energi dalam pada awal dan akhir perubahan:

Untuk menyederhanakan perhitungan, persamaan empiris Zeiner, yang menyatakan adiabatik sebagai politrop, sering digunakan saat mempelajari perubahan adiabatik:

Eksponen μ dinyatakan melalui proporsi awal uap x 1 sebagai berikut:

Rumus ini dapat diterapkan dalam rentang dari x 1 = 0,7 hingga x 1 = 1. Ekspansi adiabatik dengan proporsi uap awal yang tinggi, di atas 0,5, disertai dengan perubahan sebagian uap menjadi air (penurunan x); pada proporsi uap awal kurang dari 0,5, pemuaian adiabatik, sebaliknya, disertai dengan penguapan sebagian air. Rumus untuk kasus perubahan uap jenuh lainnya dapat ditemukan di semua buku teks termodinamika teknik.

II. Uap super panas. Perhatian terhadap uap super panas ditarik kembali pada tahun 60an abad terakhir sebagai hasil eksperimen Girn, yang menunjukkan manfaat signifikan bila menggunakan uap super panas dalam mesin uap. Namun uap super panas menjadi tersebar luas setelah V. Schmit menciptakan desain khusus superheater khusus untuk menghasilkan uap super panas tinggi (300-350°). Superheater ini pertama kali diterapkan secara luas (1894-95) pada mesin uap stasioner, kemudian pada mesin lokomotif dan pada abad ke-20 pada turbin uap. Saat ini, hampir tidak ada instalasi yang dapat dilakukan tanpa menggunakan uap super panas, dan panas berlebih dibawa ke 400-420°. Untuk memungkinkan penggunaan panas berlebih secara rasional, sifat-sifat uap panas berlebih dipelajari dengan cermat. Teori asli tentang uap super panas diberikan oleh Zeiner; dia mengandalkan beberapa eksperimen Regnault. Ketentuan pokoknya: 1) suatu jenis persamaan keadaan khusus, yang berbeda dengan persamaan gas ideal dengan suku tambahan, yang merupakan fungsi tekanan saja; 2) penerapan nilai konstan kapasitas panas c p pada tekanan konstan: c p = 0,48. Kedua asumsi ini tidak dikonfirmasi dalam percobaan tentang sifat-sifat uap super panas yang dilakukan pada rentang yang lebih luas. Yang paling penting adalah eksperimen ekstensif di Laboratorium Fisika Teknis Munich, yang dimulai sekitar tahun 1900 dan berlanjut hingga hari ini. Teori baru tentang uap super panas diberikan pada tahun 1900-1903. Callender di Inggris dan Mollier di Jerman, namun belum final, karena pernyataan kapasitas panas pada tekanan konstan yang diperoleh dari teori ini tidak sepenuhnya konsisten dengan data eksperimen terbaru. Oleh karena itu, sejumlah upaya baru telah dilakukan untuk menyusun persamaan keadaan uap super panas, yang akan lebih konsisten dengan hasil eksperimen.

Dari upaya tersebut, persamaan Eichelberg menjadi terkenal. Upaya-upaya ini menemukan penyelesaian akhirnya dalam teori baru Mollier (1925-1927), yang mengarah pada kompilasi tabel terakhirnya. Mollier mengadopsi sistem notasi yang sangat konsisten, yang sebagian kami gunakan di atas. Sebutan Mollier: P - tekanan dalam kg/m 2 abs., p - tekanan dalam kg/cm 2 abs., v - volume spesifik dalam m 3 /kg, γ = 1/v berat jenis dalam kg/m 3, t - suhu dari 0°, T = t° + 273° - suhu absolut, A = 1/427 - setara termal kerja mekanik, R = 47,1 - konstanta gas (untuk uap air), s - entropi, i - kandungan panas dalam Cal /kg, u = i–APv - energi dalam dalam Cal/kg, ϕ = s – i/T, c p - kapasitas panas pada tekanan konstan, c ii p = 0,47 – nilai batas c p pada p = 0.

Ikon " dan " mengacu pada air itu sendiri dan uap jenuh kering. Dari persamaan Mollier

Dengan menggunakan rumus yang berasal dari hukum termodinamika I dan II, diperoleh semua besaran terpenting yang menjadi ciri uap super panas, yaitu s, i, u dan c p. Mollier memperkenalkan fungsi tambahan suhu berikut:

Dengan menggunakan fungsi-fungsi ini, diperoleh ekspresi berikut:

Rumus untuk mencari volume spesifik dan besaran lain untuk uap super panas cukup rumit dan merepotkan untuk perhitungan. Oleh karena itu, tabel Mollier terbaru berisi nilai perhitungan kuantitas terpenting yang mencirikan uap super panas sebagai fungsi tekanan dan suhu. Dengan bantuan tabel Mollier, semua masalah yang berkaitan dengan uap super panas diselesaikan dengan cukup sederhana dan dengan akurasi yang cukup. Perlu juga dicatat bahwa untuk perubahan adiabatik pada uap super panas dalam batas tertentu (sampai 20-25 kg/cm 3), persamaan politropik tetap bernilai: pv 1.3 = Konst. Akhirnya, banyak pertanyaan mengenai uap super panas mungkin diselesaikan dengan menggunakan teknik grafis khususnya diagram IS Mollier. Diagram ini berisi kurva tekanan konstan, suhu konstan, dan volume konstan. Itu. Anda dapat langsung memperoleh nilai v, s, i sebagai fungsi tekanan dan suhu dari diagram. Adiabat digambarkan pada diagram ini dengan garis lurus yang sejajar dengan sumbu ordinat. Sangat mudah untuk menemukan perbedaan nilai kandungan panas yang berhubungan dengan awal dan akhir pemuaian adiabatik; perbedaan ini diperlukan untuk mengetahui laju aliran uap keluar.

Topik 2. Dasar-dasar teknik panas.

Rekayasa termal adalah ilmu yang mempelajari metode memperoleh, mengubah, mentransfer dan menggunakan panas. Energi panas diperoleh dengan membakar zat organik yang disebut bahan bakar.

Dasar-dasar teknik panas adalah:

1. Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari tentang perubahan energi panas menjadi energi jenis lain (misalnya: energi panas menjadi energi mekanik, kimia, dan lain-lain)

2. Perpindahan panas - mempelajari pertukaran panas antara dua cairan pendingin melalui permukaan pemanas.

Fluida kerja merupakan zat pendingin (uap air atau air panas) yang mampu memindahkan panas.

Pada ruang boiler, cairan pendingin (fluida kerja) berupa air panas dan uap air dengan suhu 150°C atau steam Dengan suhu hingga 250°C. Air panas digunakan untuk memanaskan bangunan tempat tinggal dan umum; hal ini disebabkan oleh kondisi sanitasi dan higienis serta kemampuannya untuk dengan mudah mengubah suhu tergantung pada suhu luar. Air memiliki kepadatan yang signifikan dibandingkan dengan uap, yang memungkinkannya mentransfer sejumlah besar panas dalam jarak jauh dengan sedikit cairan pendingin. Air disuplai ke sistem pemanas gedung pada suhu tidak lebih tinggi dari 95°C untuk menghindari pembakaran debu pada perangkat pemanas dan luka bakar dari sistem pemanas. Uap digunakan untuk memanaskan bangunan industri dan dalam sistem produksi dan teknologi.

Parameter fluida kerja

Pendingin, menerima atau melepaskan energi panas, mengubah keadaannya.

Misalnya: Air dalam ketel uap dipanaskan dan berubah menjadi uap yang memiliki suhu dan tekanan tertentu. Uap memasuki pemanas air uap, mendingin sendiri, dan berubah menjadi kondensat. Suhu air yang dipanaskan meningkat, suhu uap dan kondensat menurun.

Parameter utama fluida kerja adalah suhu, tekanan, volume spesifik, kepadatan.

t, P- ditentukan oleh instrumen: pengukur tekanan, termometer.

Volume dan kepadatan spesifik adalah nilai yang dihitung.

1. Volume tertentu- volume yang ditempati oleh satuan massa suatu zat di

0°C dan tekanan atmosfer 760 mmHg. (dalam kondisi normal)

dimana: V- volume (m 3); m adalah massa zat (kg); kondisi standar: P=760mm h.st. t=20°C

2. Kepadatan- perbandingan massa suatu zat dengan volumenya. Setiap zat memiliki kepadatannya sendiri:

Dalam praktiknya, kerapatan relatif digunakan - rasio kerapatan gas tertentu dengan kerapatan zat standar (udara) dalam kondisi normal (t° = 0°C: 760 mm Hg)

Dengan membandingkan massa jenis udara dengan massa jenis metana, kita dapat menentukan tempat mana yang akan diambil sampelnya untuk mengetahui keberadaan metana.

kita mendapatkan,

gas lebih ringan dari udara, yang berarti mengisi bagian atas volume berapa pun; sampel diambil dari bagian atas tungku boiler, sumur, ruang, ruangan. Alat analisa gas dipasang di bagian atas ruangan.

(bahan bakar minyak lebih ringan, menempati bagian atas)

Massa jenis karbon monoksida hampir sama dengan massa jenis udara, sehingga sampel karbon monoksida diambil 1,5 meter dari lantai.

3. Tekanan- gaya yang bekerja per satuan luas permukaan.

Kekuatan tekanan sama dengan 1 N, terdistribusi merata pada permukaan seluas 1 m 2 diambil sebagai satuan tekanan dan sama dengan 1 Pa (T/m 2) di sistem SI (sekarang di sekolah, di buku semuanya ada di Pa, instrumennya juga ada di Pa).

Nilai Pa nilainya kecil, misalnya: jika Anda mengambil 1 kg air dan menuangkannya ke dalam 1 meter, Anda mendapatkan 1 mm.in.st. Oleh karena itu, pengali dan awalan diperkenalkan - MPa, KPa...

Satuan pengukuran yang lebih besar digunakan dalam teknologi

1kPa=10 3 Pa; 1MPa=10b Pa; 1 IPK = 10 9 Pa.

Satuan tekanan non-sistem kgf/m2; kgf/cm 2 ;mm.h.st.;mm.h.st.

1 kgf/m 2 = 1 mm.in st =9,8 Pa

1 kgf/cm 2 = 9.8. 10 4 Pa ~ 10 5 Pa = 10 4 kgf/m2

Tekanan sering diukur dalam atmosfer fisik dan teknis.

Suasana fisik- tekanan udara atmosfer rata-rata di permukaan laut di permukaan laut.

1 atm = 1,01325. 10 5 Pa = 760 mmHg. = 10,33 m air. st = 1,0330 mm jam. Seni. = 1,033 kgf/cm2.

Suasana teknis- tekanan yang ditimbulkan oleh gaya sebesar 1 kgf terdistribusi merata pada permukaan tegak lurus dengan luas 1 cm 2.

1at = 735 mm Hg. Seni. = 10 m.v. Seni. = 10.000 mm jam. Seni. = =0,1 MPa= 1 kgf/cm 2

1 mm V. Seni. - gaya yang sama dengan tekanan hidrostatis kolom air setinggi 1 mm pada alas datar 1 mm V. st = 9,8 Pa.

1 mm. HG st - gaya yang sama dengan tekanan hidrostatik kolom air raksa dengan ketinggian 1 mm pada alas yang rata. 1 mm HG Seni. = 13,6mm. V. Seni.

Dalam karakteristik teknis pompa, istilah tekanan digunakan sebagai pengganti tekanan. Satuan ukuran tekanan adalah mW.O. Seni. Misalnya: Tekanan yang dihasilkan oleh pompa adalah 50 M air Seni. Artinya dapat menaikkan air hingga ketinggian 50 M.

Jenis tekanan: kelebihan, vakum (vakum, angin), absolut, atmosfer .

Jika jarum menyimpang ke arah lebih besar dari nol, ini adalah tekanan berlebih; jika menyimpang di bawah nol, ini adalah ruang hampa.

Tekanan mutlak:

P abs = P ex + P atm

P abs = P vac + P atm

P abs = P atm - P larut

dimana: P atm = 1 kgf/cm 2

Tekanan atmosfer- tekanan udara atmosfer rata-rata di permukaan laut pada t° = 0°C dan atmosfer normal R=760 mm. HG Seni.

Tekanan berlebih- tekanan di atas atmosfer (dalam volume tertutup). Di ruang ketel ada air di bawah tekanan berlebih, uap di ketel dan pipa. R izb. diukur dengan alat pengukur tekanan.

Vakum (Vakum)- tekanan dalam volume tertutup lebih kecil dari tekanan atmosfer (vakum). Tungku dan cerobong boiler berada dalam kondisi vakum. Kevakuman diukur dengan pengukur draft.

Tekanan mutlak- tekanan berlebih atau vakum dengan mempertimbangkan tekanan atmosfer.

Menurut peruntukannya, tekanannya adalah:

1). Saluran - tekanan tertinggi pada t=20 o C

2). Bekerja – tekanan berlebih maksimum dalam boiler, yang memastikan pengoperasian boiler jangka panjang dalam kondisi pengoperasian normal (ditunjukkan dalam instruksi produksi).

3). Diizinkan - tekanan maksimum yang diizinkan, ditetapkan berdasarkan hasil pemeriksaan teknis atau perhitungan kekuatan kendali.

4). Desain – tekanan berlebih maksimum di mana kekuatan elemen boiler dihitung.

5). Uji R - tekanan berlebih di mana uji hidraulik elemen boiler dilakukan untuk kekuatan dan kepadatan (salah satu jenis pemeriksaan teknis).

4. Suhu- ini adalah derajat pemanasan tubuh, diukur dalam derajat. Menentukan arah perpindahan panas spontan dari benda yang lebih panas ke benda yang kurang panas.

Perpindahan panas akan berlangsung sampai suhu menjadi sama, yaitu terjadi kesetimbangan suhu.

Dua skala digunakan: internasional - Kelvin dan Celsius praktis t ° C.

Dalam skala ini, nol adalah titik leleh es, dan seratus derajat adalah titik didih air pada atm. tekanan (760 mm HG Seni.).

Nol mutlak (suhu terendah yang memungkinkan secara teoritis di mana tidak ada pergerakan molekul) digunakan sebagai titik acuan dalam skala suhu termodinamika Kelvin. Ditunjuk T.

1 Kelvin sama dengan 1° Celsius

Suhu leleh es adalah 273K. Titik didih air adalah 373K

T=t + 273; t = T-273

Titik didih tergantung pada tekanan.

Misalnya, Pada R ab c = 1,7 kgf/cm2. Air mendidih pada t = 115°C.

5. Kehangatan - energi yang dapat ditransfer dari benda yang lebih panas ke benda yang kurang panas.

Satuan SI untuk panas dan energi adalah Joule (J). Satuan pengukuran panas non-sistemik adalah kalori ( kal).

1 kal.- jumlah kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 g H 2 O sebesar 1°C pada

P = 760 mm. HG

1 kal.=4.19J

6. Kapasitas panas – kemampuan tubuh dalam menyerap panas . Untuk memanaskan dua zat berbeda bermassa sama pada suhu yang sama, jumlah kalor yang berbeda harus dikeluarkan.

Kapasitas kalor jenis air adalah jumlah kalor yang harus diberikan per unit suatu zat untuk menaikkan suhunya sebesar 1°C, sama dengan 1 kkal/kg derajat.

Metode perpindahan panas.

Ada tiga metode perpindahan panas:

1.konduktivitas termal;

2. radiasi (radiasi);

3. konveksi.

Konduktivitas termal-

Perpindahan panas akibat pergerakan termal molekul, atom, dan elektron bebas.

Setiap zat memiliki konduktivitas termalnya masing-masing, hal ini bergantung pada komposisi kimia, struktur, dan kadar air bahan tersebut.

Ciri kuantitatif konduktivitas termal adalah koefisien konduktivitas termal, yaitu jumlah panas yang dipindahkan melalui satuan permukaan pemanas per satuan waktu dengan perbedaan. T sekitar C dan ketebalan dinding 1 meter.

Koefisien konduktivitas termal ( ):

Tembaga = 330 kkal . mm 2. H . memanggil

Besi tuang = 5 4 kkal . mm 2. H . memanggil

Baja =39 kkal . mm 2. H . memanggil

Terlihat bahwa logam memiliki konduktivitas termal yang baik, tembaga adalah yang terbaik.

Asbes =0,15 kkal . mm 2. H . memanggil

Jelaga =0,05-0, kkal . mm 2. H . memanggil

Skala =0,07-2 kkal . mm 2. H . memanggil

Udara =0,02 kkal . mm 2. H . memanggil

Benda berpori (asbes, jelaga, kerak) menghantarkan panas dengan buruk.

Jelaga mempersulit perpindahan panas dari gas buang ke dinding boiler (menghantarkan panas 100 kali lebih buruk daripada baja), yang menyebabkan konsumsi bahan bakar berlebihan dan berkurangnya produksi uap atau air panas. Kehadiran jelaga meningkatkan suhu gas buang. Semua ini menyebabkan penurunan efisiensi boiler. Saat boiler beroperasi per jam menggunakan instrumen (logometer), t gas karbon dipantau, yang nilainya ditunjukkan dalam peta rezim ketel Jika suhu gas karbon meningkat, maka permukaan pemanas akan tertiup angin.

Skala terbentuk di dalam pipa (menghantarkan panas 30-50 kali lebih buruk daripada baja), sehingga mengurangi perpindahan panas dari dinding boiler ke air, akibatnya dinding menjadi terlalu panas, berubah bentuk, dan pecah (pecahnya pipa boiler). Skala menghantarkan panas 30-50 kali lebih buruk daripada baja

Konveksi -

Perpindahan panas dengan mencampurkan atau memindahkan partikel satu sama lain (khas hanya untuk cairan dan gas). Ada konveksi alami dan konveksi paksa.

Konveksi alami- pergerakan bebas cairan atau gas karena perbedaan kepadatan lapisan yang dipanaskan secara tidak merata.

Konveksi paksa- pergerakan paksa cairan atau gas karena tekanan atau vakum yang diciptakan oleh pompa, penghisap asap, dan kipas angin.

Cara meningkatkan perpindahan panas konvektif:

§ Meningkatkan kecepatan aliran;

§ Turbulisasi (pusaran);

§ Peningkatan permukaan pemanas (karena pemasangan sirip);

§ Meningkatkan perbedaan suhu antara media pemanas dan media yang dipanaskan;

§ Pergerakan media yang berlawanan arah (countercurrent).

Radiasi (radiasi) -

Pertukaran panas antara benda-benda yang terletak berjauhan satu sama lain disebabkan oleh energi radiasi, yang pembawanya adalah getaran elektromagnetik: energi panas diubah menjadi energi radiasi dan sebaliknya, dari radiasi menjadi panas.

Radiasi merupakan cara paling efektif untuk memindahkan panas, terutama jika benda yang diteliti mempunyai suhu tinggi dan sinarnya diarahkan tegak lurus terhadap permukaan yang dipanaskan.

Untuk meningkatkan perpindahan panas secara radiasi pada tungku boiler, dibuat slot khusus dari bahan tahan api, yang sekaligus berfungsi sebagai pemancar panas dan penstabil pembakaran.

Permukaan pemanas ketel adalah permukaan yang di satu sisinya tersapu oleh gas dan di sisi lain oleh air.

Dibahas di atas 3 jenis pertukaran panas jarang ditemukan dalam bentuk murni. Hampir satu jenis pertukaran panas disertai dengan pertukaran panas lainnya. Ketiga jenis pertukaran panas terdapat di dalam boiler, yang disebut pertukaran panas kompleks.

Di tungku ketel:

A) dari pembakar ke permukaan luar pipa ketel - radiasi.

B) dari gas buang yang dihasilkan ke dinding - secara konveksi

B) dari permukaan luar dinding pipa ke permukaan bagian dalam - konduktivitas termal.

D) dari permukaan bagian dalam dinding pipa ke air, dengan sirkulasi sepanjang permukaan - konveksi.

Perpindahan panas dari suatu medium ke medium lain melalui dinding pemisah disebut perpindahan panas.

Air, uap air dan sifat-sifatnya

Air merupakan senyawa kimia paling sederhana antara hidrogen dengan oksigen, stabil dalam kondisi normal, massa jenis air tertinggi adalah 1000 kg/m 3 pada t = 4 o C.

Air, seperti cairan lainnya, mematuhi hukum hidrolik. Ia hampir tidak memampatkan, oleh karena itu ia memiliki kemampuan untuk mentransfer tekanan yang diberikan ke segala arah dengan kekuatan yang sama. Jika beberapa bejana yang berbeda bentuk disambungkan satu sama lain, maka tinggi muka air di semua tempat akan sama (hukum bejana yang berkomunikasi).