Давление насыщенных паров жидкости

Если в жидкости при заданной температуре уменьшать давление, то при определенном значении последнего агрегатное состояние жидкости изменяется и она начинает превращаться в пар. Если жидкость первоначально заполняла закрытый сосуд полностью, то при уменьшении давления до определенного значения (зависящего от температуры) образуется свободная поверхность, над которой находятся пары этой жидкости. Давление , при котором существует термодинамическое равновесие жидкости и ее паров, называется давлением насыщенных паров этой жидкости. Можно также сказать, что давление насыщенных паров жидкости - это максимальный вакуум, который можно создать в данной жидкости.

Давление насыщенных паров жидкости зависит от температуры и определяется индивидуальными свойствами жидкости. Жидкость не может сохранять свое агрегатное состояние при давлениях, ниже давления ее насыщенных паров. При достижении давления насыщенных паров жидкость начинает кипеть и образовывать парогазовую фазу. Известно, например, что при атмосферном давлении ( Па) вода закипает при 100°С, т.е. при 100°С давление ее насыщенных паров примерно равна атмосферному давлению. Однако при пониженном давлении (например, высоко в горах) вода закипает при температурах, меньших, чем 100 °С., т.е. становится равным окружающему давлению при меньшей температуре.

При уменьшении температуры давление насыщенных паров жидкости также уменьшается. Например, при температуре 20°С давление насыщенных паров воды меньше атмосферного давления и составляет Па.

Для нефти и нефтепродуктов давление насыщенных паров измеряется по методу Рейда (ГОСТ 1756-52 или ASTM D323) и задается обычно при °С (100°F). Для расчета зависимости давления насыщенных паров жидкости от абсолютной температуры Т используют формулу

, (2.9)

где опытные постоянные. Если давление насыщенных паров жидкости известно при двух температурах, то при других значениях оно может быть вычислено по формуле (2.9).

Пример. Рассчитать давление насыщенных паров нефти при температуре 20°С, если при температурах °С и 5°С оно составляет 115 и 30 КПа, соответственно.

Решение. Значения коэффициентов А и В найдем из системы уравнений:

Отсюда находим: А, В: .Далее по формуле (2.9) вычисляем давление насыщенных паров при 20⁰С в КПа.

КПа.

Теплоемкость жидкостей

Теплоемкостью вещества, в т.ч. жидкости, называют количество тепла, которое нужно передать единице массы этого вещества, чтобы увеличить его температуру на 1°С (Цельсия) или 1 К (Кельвина).

Из термодинамики известно, что эти количества различны в различных термодинамических процессах. Для веществ, уравнение состояния которых определяется давлением и удельным объемом , теплоемкости зависят от того, происходит ли передача тепла при постоянном давлении (т.е. в изобарическом процессе) или при постоянном объеме (т.е. в изохорическом процессе). В первом случае она обозначается , во втором - . В остальных термодинамических процессах теплоемкость С является линейной комбинацией теплоемкостей и .Как правило, . Для слабо сжимаемых капельных жидкостей .

Размерность теплоемкости следует из ее определения:

( обозначает размерность температуры). В системе СИ единицей измерения теплоемкости служит 1 :

.

Теплоемкость воды составляет 4200 , теплоемкость большинства нефтей лежит в пределах 1500-2500 или 350-600 .

Для того чтобы повысить температуру объема жидкости с плотностью от значения до значения , необходимо сообщить ей количество энергии , равное

. (2.10)

Здесь предполагается, что Однако в общем случае теплоемкость зависит от температуры и давления.

Теплопроводность жидкостей

Если разные части жидкости имеют различную температуру, то происходит перенос энергии от более нагретых слоев к более холодным. Если обозначить через вектор потока тепла, определяемый как количество тепловой энергии (Дж или кал), переносимое в единицу времени (с) через единицу площади (м²), то для него имеет место закон Фурье

, (2.11)

означающий, что вектор потока тепла пропорционален градиенту температуры. Известно, что вектор градиента

дает направление максимального увеличения температуры, а его проекция на направление в пространстве равна производной по этому направлению. Закон Фурье утверждает, что поток тепловой энергии в любом направлении пропорционален перепаду температур в этом направлении, а знак минус указывает, что тепло передается в направлении, противоположном градиенту температуры, т.е. от более нагретых слоев к более холодным.

Коэффициент , входящий в формулу (2.11), называют коэффициентом теплопроводности. Его размерность такова:

.

В системе СИ коэффициент теплопроводности выражается в :

.

Для воды этот коэффициент равен 0,6 при температуре 20°С, для нефтей он находится в пределах 0,1 - 0,2 . В общем случае коэффициент зависит от температуры, однако во многих случаях его можно считать постоянной величиной.

Уравнения равновесия жидкости

(уравнения Эйлера)

Рассмотрим уравнения, определяющие распределение давления в покоящейся жидкости, т.е. жидкости, находящейся в равновесии под действием массовых сил в единице объёма среды . Эти уравнения получаются из общих уравнений движения жидкости, если в них положить:

· ;

· ;

· ,

тогда общие уравнения движения (1.30) приобретают вид:

или

(2.12)

Уравнения (2.12) называют уравнениями равновесия жидкости (уравнениями Эйлера). В векторном виде эти уравнения имеют вид:

. (2.13)

Смысл уравнений Эйлера ясен: градиент давления в жидкости уравновешиваются массовой силой в единице объёма среды , действующей в этом направлении. Отсюда следует, что производная от давления по координате в каждом направлении равна проекции массовой силы в единице объёма на это направление, уравнения (2.12).

Уравнения (2.12) можно привести к другому виду: первое уравнение умножить на dx, второе на dy, третье на dz и затем их сложить. Получим: .