Удельный объем: расчеты и применение
Удельный объем - важная характеристика вещества, позволяющая определять свойства газов и проектировать различные технические устройства. Давайте разберемся, что это такое, как его рассчитать и где он применяется.
Понятие удельного объема
Удельный объем - это объем, который занимает единица массы какого-либо вещества. Чем меньше масса вещества приходится на единицу объема, тем больше его удельный объем. Например, у воздуха удельный объем составляет около 0,8 м3/кг при нормальных условиях.
Удельный объем тесно связан с плотностью - это величина, обратная плотности.
В системе СИ удельный объем измеряется в м3/кг или л/кг. Иногда используют понятие молярного удельного объема - объема, приходящегося на один моль вещества. Его единица измерения - м3/моль.
Примеры удельных объемов
- Вода - 0,001 м3/кг
- Ртуть - 0,00014 м3/кг
- Воздух - 0,8 м3/кг
Как видно, у газов удельный объем намного больше.
Расчет удельного объема
Удельный объем газа можно рассчитать по формуле:
Vуд = (RT) / (pM)
где T - температура газа, К; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К); p - давление газа, Па; М - молярная масса газа, кг/моль.
Например, найдем удельный объем кислорода при нормальных условиях (T = 273 К, p = 101325 Па). Молярная масса кислорода равна 32 г/моль.
Подставляем значения в формулу:
Vуд = (8,31 * 273) / (101325 * 0,032) = 0,804 м3/кг
Полученное значение совпадает с табличным для воздуха, так как основным компонентом воздуха является кислород.
Для газовых смесей удельный объем рассчитывается исходя из объемных долей компонентов и их индивидуальных удельных объемов:
| Vуд смеси = Σ(Vуд i * ωi) |
где Vуд i - удельный объем i-го компонента смеси, м3/кг; ωi - объемная доля i-го компонента смеси.
Например, для газовой смеси, состоящей из 60% азота и 40% диоксида углерода, с использованием справочных данных о свойствах этих газов можно рассчитать удельный объем смеси.
Удельный объем в термодинамике
Суть удельного объемасостоит в том, что он показывает, какое количество энергии можно получить при фазовых переходах.
Например, при постоянном давлении изменение удельного объема жидкости при нагревании и последующем испарении характеризует количество поглощаемой скрытой теплоты фазового перехода.
Двухфазные теплоносители
Рассмотрим применение знаний об удельном объеме в тепловых трубах...
Пароводяные смеси
Одним из наиболее распространенных двухфазных теплоносителей являются пароводяные смеси. Их удельный объем зависит от соотношения воды и пара и определяется по формуле:
Вуд смеси = x · Вуд пара + (1 − x) · Вуд воды
где x - массовая доля пара в смеси.
Так, при теплопередаче в паровых котлах удельный объем пароводяной смеси в пароперегревателях возрастает по мере превращения воды в перегретый пар. Это приводит к увеличению расхода теплоносителя.
Расчет количества теплоносителя
Для расчета необходимого количества теплоносителя используется формула:
G = Q / (h2 - h1)
где G - расход теплоносителя, кг/с; Q - количество передаваемой теплоты, Дж; h1, h2 - энтальпия теплоносителя на входе и выходе, Дж/кг.
Таким образом, зная требуемую мощность системы и параметры теплоносителя, можно определить необходимый расход.
Паротурбинные установки ТЭС
На тепловых электростанциях в паротурбинных установках также важно учитывать изменение удельного объема пара. Пар, получаемый в парогенераторах, имеет определенные параметры по давлению и температуре. Проходя через турбину, пар расширяется, его давление и температура понижаются, а удельный объем возрастает.
Это приводит к увеличению расхода пара через турбину по сравнению с расходом питательной воды в парогенератор. Данный эффект необходимо учитывать при проектировании паротурбинных установок для обеспечения их надежной работы.
Газотурбинные установки
В газотурбинных установках рабочим телом являются горячие газы. Их удельный объем также существенно меняется в процессе расширения в турбине. Это приводит к необходимости тщательных расчетов газодинамических процессов в проточной части...
КПД энергетических установок
При оценке эффективности работы энергетических установок используется показатель КПД. Он определяется отношением полезно использованной энергии к подведенной. Например, для паросиловой установки...
Холодильный цикл
Рассмотрим применение удельного объема в холодильных машинах. В их основе лежит холодильный цикл, включающий сжатие, конденсацию, дросселирование и испарение хладагента. При этом его удельный объем...
Холодильный цикл
Рассмотрим применение удельного объема в холодильных машинах. В их основе лежит холодильный цикл, включающий сжатие, конденсацию, дросселирование и испарение хладагента. При этом его удельный объем существенно меняется:
- При сжатии в компрессоре удельный объем уменьшается в несколько раз
- При конденсации из газа образуется жидкость, удельный объем которой намного меньше
- В процессе дросселирования удельный объем резко возрастает
- При испарении в испарителе удельный объем вновь значительно увеличивается
Такие колебания удельного объема позволяют transports хладагенту эффективно отводить тепло от охлаждаемого объекта и переносить его к конденсатору, где происходит теплоотдача в окружающую среду.
Кондиционеры
В кондиционерах используются те же принципы, что и в холодильных установках. Как правило, в качестве хладагента применяют фреоны или аммиак. При соответствующей организации холодильного цикла обеспечивается эффективный тепломассообмен и охлаждение воздуха в помещении. Параметры цикла подбираются исходя из требований к производительности кондиционера.
Тепловые насосы
Тепловые насосы представляют собой разновидность холодильной машины, используемую для отопления зданий. Их принцип действия основан на обращении холодильного цикла - тепло отбирается из окружающей среды и переносится в отапливаемое помещение. При этом также происходят фазовые переходы рабочего вещества, сопровождающиеся изменением удельного объема.