دیاگرام های خواص ترمودینامیکی مواد خالص (The diagrams of thermodynamic properties of pure substance)
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.

 

 

 

 

 

 

 

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 :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 .

 

 

 

 

 

 

 

 

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 .

 

Joomla templates by a4joomla