دیاگرام های خواص ترمودینامیکی مواد خالص (The diagrams of thermodynamic properties of

اصولاً برای سیالات مختلفی که در سیکلهای ترمودینامیکی عملی مورد استفاده قرار می گیرند ، یکسری دیاگرامهای ترمودینامیکی خاص نظیر دیاگرامهای دما ، آنتروپی ، فشار ، آنتالپی تهیه وارائه شده اند .
آشنایی با چگونگی استفاده ازاین دیاگرامها یکی ازمباحث بنیادی درآموختن وبرسی سیکلهای تبرید می باشد . درغیر اینصورت نمی توان یک سیکل تبرید را طراحی وتجزیه وتحلیل نمود .
بدین منظور سیستم شکل زیر را در نظر بگیرید.
مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت
تغییر فاز مایع به فاز بخار تحت تحول فشار ثابت برای یک ماده خالص نظیر آب در سیلندر پیستون شکل ( a) مقدار آب مایع به جرم یک کیلو گرم و دمای 20oC قرار دارد . مجموعه وزن پیستون و وزنه های قرار گرفته بر روی پیستون طوری می باشند که یک فشار 0.1(Mpa) بر روی سیال داخل سیلندر اعمال می شود . این شرایط آب مایع در دیاگرام دما – حجم مخصوص (T-√) شکل زیر با نقطه A مشخص شده است .
حال با حرارت دادن به سیلندر ، دمای آب افزایش یافته و تحت یک تحول فشار ثابت ( مقدار فشار اعمالی به سیال تغییر نکرده است ) دمای آنرا به دمای اشباع دراین فشار 0.1(Mpa) می رسانیم .
دمای اشباع آب در این فشار 99.6(oC) می باشد .
دراین فرآیند حجم مخصوص آب به مقدار کمی تغییر می کند . شرایط این حالت بر روی نمودار با نقطه B مشخص شده است .
حال اگر عمل گرم کردن آب را ادامه دهیم ، گرما باعث تغییر فاز آب تحت یک فرآیند فشار و دما ثابت خواهد شد .
در این مسیر تغییر فاز به حالتی می رسیم که درشکل بالا ( b) نشان داده شده است و بر روی نمودار G مشخص شده است .
در این نقطه که دو فاز در کنار یکدیگر قرار دارند با نقطه G مشخص شده است . در این نقطه که دو فاز در کنار یکدیگر قرار دارند ، می توان کیفیت ( quality ) بخار را که با xنشان می دهند بصورت زیر تعریف کرد :
مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت
این بدین معنی است که (0.2 * 100)=20% از کل مخلوط را بخار تشکیل داده و بقیه آن مایع است .
اگر فرآیند گرما دادن را ادامه دهیم به نقطه ای خواهیم رسید که دیگر ذره ای ازمایع در داخل سیلندر وجود نداشته باشد .
این حالت در شکل ( c) نشان داده شده است . و بر روی نمودار با نقطه c مشخص گردیده است .
این حالت را بخار اشباع نامیده و خواص آنرا با اندیس های g و یا √ نشان می دهند .
درحالیکه نقطه B را که تمامی سیال مایع و دمای آن را دمای اشباع بود ، حالت مایع اشباع نامیده و خواص آنرا با اندیس های l و یا f نشان می دهند .
با گرم کردن بخار اشباع شده بدست آمده ، دمای بخار و حجم مخصوص آن تحت همان فشار ثابت 0.1 Mpa بر روی منحنی CD افزایش می یابد .
بخاری که دمای آن بالاتر از دمای اشباع باشد بخار فوق داغ ( Super heart ) نام دارد .
از طرفی نیز مایعی که دمای آن پایینتر از دمای اشباع خود باشد ، مایع زیر سرد ( Subcooled liquid ) و مایع متراکم (Compressed liquid ) می نامند .
منحنی ABGBA نمودار گرم شدن مایع زیر سرد A تا بخار فوق داغ D ، تحت فشار ثابت 0.1 Mpa می باشد .
بالعکس می توان منحنی DCGBA را به عنوان مسیر فرآیند سرد کردن بخار فوق داغ D تا مایع زیر سرد A ، تحت فشار ثابت 0.1 Mpa معرفی کرد . در سرتاسر این منحنی فشار ثابت و برابر 0.1 Mpa می باشد .
برای بدست آوردن منحنی دیگری نظیر منحنی ABGBA برای فشارهای غیر از 0.1 Mpa می توان تعداد وزنه ها ی موجود بر روی پیستون را کم و یا زیاد تر نمود .
به عنوان مثال اگر تعداد وزنه ها به اندازه ایی افزایش یابد که فشار اعمالی بر روی آب مایع با دمای 20oC ، برابر 10 Mpa باشد ، آنگاه نقطه اولیه بر روی نمودار (T-√) ، نقطه I خواهد بود ، با تکرار اعمال قبلی می توان منحنی IjKL را برای این حالت (Mpa 10 ) ترسیم نمود .
اگر به همین صورت فشار را افزایش دهیم خواهیم دید که قسمتهای افقی این منحنی ها نظیر BC و یا jK ، با افزایش فشار کوچکتر می شوند . این روند ادامه خواهد داشت تا زمانیکه فشار اعمالی بر سیال به فشار بحرانی سیال برسد .
به عنوان مثال فشار بحرانی آب برابر 220.9 Mpa می باشد .
اگر تحت این فشار آزمایش را انجام دهیم منحنی گرم کردن آب در فشار بصورت منحنی MND خواهد بود .
یعنی در این حالت درنقطه مایع اشباع و بخار اشباع از یکدیگر متمایز نبوده و بر روی هم می افتند .
به عبارتی دیگر تحت فشار بحرانی سیال ، هیچگاه دو فاز بخار و مایع درکنار یکدیگر قرار نداشته و تغییر فاز بصورت ناگهانی صورت می گیرد . این موضوع برای فشارهای بالاتر از فشار بحرانی نیز صادق می باشد .
دمای نقطه N که همان دمای اشباع در فشار بحرانی سیال می باشد ، دمای بحرانی نام دارد .
به همین صورت حجم مخصوص نقطه N را نیز حجم مخصوص سیال می نامند . برای هر سیالی می توان این مقادیر رامشخص نمود .
به عنوان نمونه مقادیر آنها برای بعضی از سیالات در جدول زیر آورده شده است .
مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت
فشارهای بالاتر از فشار بحرانی ، فشار فوق بحرانی ( Supercritical ) نامیده می شود . یک نمونه منحنی گرم کردن آب مایع تحت فشار فوق بحرانی 40 Mpaدر دیاگرام T-√ با منحنی PQ مشخص شده است . با متصل کردن نقاط مایع اشباع بدست آمده در هر فشار ، منحنی NjB بدست می آید .
این منحنی بیان کننده منحنی مایع اشباع می باشد . به همین ترتیب می توان منحنی بخار اشباع یعنی منحنی NKC را نیز تعیین کرد . منحنی مایع اشباع منحنی کیفیت ثابت X=0 بوده و منحنی بخار اشباع منحنی نیز منحنی کیفیت ثابت X=1 می باشد .
ناحیه ایی که در میان دو منحنی مایع اشباع و بخار اشباع قرار می گیرد ناحیه اشباع سیال بوده و اگر خواص سیال بگونه ایی باشند که شرایط آن مانند نقطه G دراین ناحیه قرار گیرد ، آنگاه سیال مورد نظر یک سیال دو فازی بخار و مایع خواهد بود .
ناحیه ایی که در زیر دمای بحرانی سیال و در سمت چپ منحنی مایع اشباع قرار می گیرد . ناحیه مایع متراکم بوده و اگر خواص سیال بگونه ایی باشد که شرایط آن مانند نقاط M,I,A در این ناحیه قرار گیرد ، سیال در فاز مایع قرار دارد . به همین ترتیب ناحیه سمت راست منحنی بخار اشباع و بالای دمای بحران سیال ، ناحیه بخار داغ می باشد.
دیاگرام دما – آنتالپی سیال تقریباً مشابه دیاگرام دما – حجم مخصوص آن می باشد .
حالت کلی دیاگرام دما – آنتالپی در شکل زیر نشان داده شده است .
مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت
دیاگرام مفید و بسیار مورد استفاده در سیستم های تبرید ، دیاگرام فشار – آنتالپی (p-h) سیال می باشد .
شکل منحنی های مایع اشباع وبخار اشباع در این دیاگرام با آنچه که در دو دیاگرام قبلی وجود دارد تقریباً فرق دارد .
شکل کلی این دیاگرام در شکل زیر نشان داده شده است .
همانگونه که قبلاً نیز بیان گردید مقدار کمیت آنتالپی مخصوص بیان کننده مقدار انرژی ماده در واحد جرم آن می باشد . به همین علت است که می توان با استفاده از دیاگرام فشار آنتالپی مقدار انرژی سیال عمل کننده درسیکل تبرید را در هر نقطه مشخص از سیکل تبرید تعیین واز آن استفاده کرد .
بر روی دیاگرام (p-h) در شکل زیر تعدادی از منحنی هایی که بر روی آنها یکی از خواص ترمودینامیکی ثابت است نشان داده شده است .
مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت
مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت
مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت
مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت
مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت
مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت
مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت
مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت