GAZE REALE

GAZE REALE

Studiind comportarea gazelor reale Andrews (1869) a urmarit comprimarea izoterma a acestora, constatand ca la temperaturi ridicate izotermele gazelor reale se apropie foarte mult de cele ale gazelor perfecte (hiperbole echilatere); pe masura ce temperatura scade, apar diferente intre comportarea gazelor reale si a celor perfecte (fig. 1.25).

Astfel, urmarind curba trasata pentru temperatura constanta T_a, se observa ca la o anumita valoare a presiunii (corespunzatoare punctului A) acesta incepe sa se lichefieze. Micsorand in continuare volumul ocupat de catre gaz are loc trecerea in stare lichida a unei cantitati din ce in ce mai mari de gaz, pana cand, in punctul (A'), intreaga cantitate de gaz se transforma in lichid. Transformarea de faza (linia A - A') are loc la presiune si temperatura constanta. Continuand comprimarea lichidului se remarca o crestere rapida a presiunii (curba A' - a'), datorata compresibilitatii reduse a lichidului, curba apropiindu-se de verticala.

Pentru temperaturile T_b > T_a si T_c > T_b, portiunile orizontale ale curbelor izoterme se reduc.

La atingerea temperaturii T_k, denumita temperatura critica, transformarea gazului in lichid are loc instantaneu, fara variatie de volum, atunci cand presiunea atinge valoarea corespunzatoare punctului (K), denumit punct critic.

Pentru temperaturi mai mari decat T_K, curbele izoterme sunt continue, apropiindu-se de forma izotermelor gazului ideal, iar starea lichida nu mai poate fi obtinuta, oricat de mare ar fi presiunea.

Parametrii punctului critic depind de natura substantei; pentru apa, punctul critic se inregsitreaza la 371⁰C si 222 bar, in timp ce pentru CO₂ punctul critic se atinge la 31⁰C si 74 bar.

Curba (K- n) pe care se gasesc punctele (A), pana la punctul critic, se numeste curba de condensare, iar curba (K - m) pe care se gasesc punctele (A') se numeste curba de vaporizare (parcurgand curbele izoterme din a' catre A, la atingerea punctului A' in masa de lichid apar primele bule de vapori). Curba (m-K-n) in ansamblu se numeste curba de saturatie si delimiteaza trei zone in diagrama presiune - volum:

• zona (I) - zona fazei gazoase;
• zona (III) - zona fazei lichide;
• zona (II) - zona in care coexista faza gazoasa (vapori ) cu faza lichida.

Dupa cum s-a mentionat anterior, dincolo de izoterma corespunzatoare temperaturii T_k substanta nu se mai poate gasi decat in stare gazoasa.

1. Ecuatii de stare pentru gaze reale

Pentru ecuatiile de stare ale gazelor reale s-au stabilit numeroase ecuatii, care incearca sa aproximeze cat mai bine comportarea reala a gazelor; dintre acestea se pot mentiona:

• ecuatia Van der Vaals: ,
• ecuatia Berthelot : ,
• ecuatia Clausius: ,

in care a, b, c, R sunt constannte, determinate pe cale experimentala;

• ecuatia Kamerlingh:   sau

, in care se numeste factor de compresibilitate, iar A, B, A', B'. sunt constante.

2. Titlul vaporilor

Dupa cum s-a mentionat anterior, pe diagrama p - V pentru gaze reale sunt delimitate urmatoarele domenii (fig. 1.25):

• zona (I), in care se gasesc vapori supraincalziti;
• zona (III), in care substanta se afla in faza lichida;
• zona (II), in care se gasesc vapori saturati umezi.

Pe curba (K-n) substanta se gaseste sub forma de vapori saturati uscati.

Data fiind dependenta dintre presiunea si temperatura de vaporizare, precum si din cauza proportiilor variabile in care se pot gasi in echilibru vaporii si lichidul, pentru localizarea unei anumite stari din domeniul vaporilor saturati umezi s-a introdus o noua marime, denumita titlul vaporilori, care reprezinta participatia masica a vaporilor in amestecul de vapori si lichid:

in care m_v este masa vaporilor saturati uscati, iar m_l este masa de lichid. Pe curba de vaporizare m_v = 0 si deci x = 0, iar pe curba de condensare m_l = 0 si deci x = 1.

Volumul specific al vaporilor saturati umezi din punctul (1, fig. 1.26) se determina cu relatia:

3. Diagrame entropice pentru gaze reale

Diagrama entropica T - s pentru gaze reale este prezentata in fig. 1.27; procesul de incalzire 1 5 se desfasoara la presiune constanta, iar procesul 2' 5' are loc la temperatura constanta. {i pe diagrama T - s se remarca prezenta celor doua ramuri ale curbei de saturatie: curba O'k (pe care x = 0) este curba de vaporizare, iar ramura din dreapta punctului critic (k), pe care x = 1, reprezinta curba de condensare. In interiorul zonei delimitate de catre curba de saturatie exista vapori saturati umezi.

Se observa ca izobara se suprapune peste izoterma in zona vaporilor saturati umezi, procesul 2 4 reprezentand schimbarea de faza (vaporizarea), care are loc la presiune si temperatura constanta; pe parcursul acestui proces, variatia de entropie este:

Marimea se numeste caldura latenta de vaporizare si reprezinta cantitatea de caldura necesara vaporizarii unui kilogram de lichid.

Folosind diagrama entropica, caldura latenta de vaporizare se poate determina cu relatia:

In studiul functionarii instalatiilor frigorifice se utilizeaza frecvent si diagrama presiune - entalpie (fig. 1.28). Aceasta utilizeaza o scara logaritmica a presiunilor, ceea ce permite reprezentarea unui domeniu larg de presiuni, cu mentinerea relativ constanta a preciziei de citire a acestora.

Punctul (K) reprezinta punctul critic; pe curba de saturatie sunt marcate izotermele, care in domeniul vaporilor umezi se suprapun peste izobare; in domeniul vaporilor supraincalzitti, izotermele sunt reprezentate prin curbele (1).

Pe diagrama sunt trasate si curbele de entropie constanta (2); de asemenea se pot reprezenta si curbele de volum specific constant, iar in domeniul vaporilor umezi se reprezinta si curbele de titlu constant (la fel ca in diagrama T -s).