Какими свойствами обладает пар, как их можно использовать?

Еще о температуре и насыщенном паре

Температура пара влияет и на скорость конденсации. Так же, как температура жидкости определяет скорость испарения – число молекул, которые вылетают с поверхности жидкости в единицу времени, другими словами.

У насыщенного пара его температура равна температуре жидкости. Чем выше температура насыщенного пара, тем выше его давление и плотность, ниже плотность жидкости. При достижении критической для вещества температуры плотность жидкости и пара одинаковая. Если температура пара выше критической для вещества температуры, физические различия между жидкостью и насыщенным паром стираются.

Ненасыщенный (влажный) пар

Это наиболее распространенная форма пара, которая используется на большинстве заводов. Когда при работе котла образуется пар, он, как правило, влажный из-за неиспарившихся молекул воды, которые в нем присутствуют. Даже лучшие котлы могут выпускать пар, чья влажность будет составлять от 3% до 5%. Когда вода приближается к состоянию насыщения и начинает испаряться, часть ее, обычно в форме водяной пыли или капелек, попадает в поднимающийся пар и распределяется дальше. Это одна из основных причин, по которой сепарация используется для удаления конденсата из распределенного пара.

Водяной пар в воздухе, плотность водяного пара:

Водяной пар — это газообразное кумулятивное состояние воды.

Водяной пар бесцветен, безвкусен и не имеет запаха.

Как и вода, водяной пар является бинарным неорганическим соединением с формулой H.₂O.

Как и молекула воды, молекула водяного пара состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, соединенных ковалентными связями.

Водяной пар содержится в воздухе и в атмосфере Земли (в основном в тропосфере). （ Концентрация водяного пара в воздухе (в атмосфере Земли) составляет в среднем 0,25 массовых % от общего объема атмосферы Земли. Концентрация водяного пара в воздухе (в атмосфере Земли) сильно варьируется по объему (в условиях сухого воздуха), изменяясь от примерно 0,0001% по объему в самой холодной части атмосферы до 5% по объему в горячих, влажных газах.

Водяной пар легче и менее плотный, чем сухой воздух. Так, плотность сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па или 1 атм) и 0°C составляет 1,292 кг/м3 (или 0,001292 г/см3), а при 20°C — 1,2041 кг/м3. 3 (или 0,0012041 г/см 3). Плотность водяного пара при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па или 1 атм) и 0°C составляет 0,803 кг/м3 (или 0,000803 г/см3) при 20°C и 0,749 кг/м3 (или 0, 000749 г/см3).

Плотность водяного пара (м / V) получают с помощью уравнения Клайперона-Менделеева (уравнение идеального газа).

R — глобальная газовая постоянная, R ≈ 8,314 Дж / (моль К), и

T — термодинамическая температура газа, K, и

Водяной пар может образовываться в результате испарения или кипения жидкой воды и сублимации льда. При испарении пар образуется только на поверхности вещества, тогда как при кипении пар образуется по всему объему жидкости.

При нормальных атмосферных условиях пар постоянно образуется в результате испарения и конденсируется в жидком состоянии.

Вода закипает при температуре, которая зависит от химического состава раствора и атмосферного давления.

При нормальном атмосферном давлении в 1 бар (101,325 кПа) вода закипает при температуре 100°C. Температура кипения остается постоянной на протяжении всего процесса. Поэтому, если к оставшейся воде добавить энергию (тепло), она испарится без дальнейшего повышения температуры. Из 1 литра (по 1 кг) воды образуется 1 673 литра водяного пара (при нормальных условиях), для производства которого требуется затратить энергию в размере 2 257 кДж.

Когда водяной пар попадает в воздух, как и все другие газы, он создает определенное давление, называемое парциальным давлением. Парциальное давление («парциальный» — «часть» от латинского partis-pars) — это давление отдельных компонентов газовой смеси. Общее давление газовой смеси представляет собой сумму парциальных давлений ее компонентов.

Процессы, обратные образованию водяного пара, называются конденсацией и разгерметизацией. Водяной пар будет конденсироваться на другой поверхности, только если эта поверхность находится ниже температуры точки росы или если баланс водяного пара в воздухе превышен.

В атмосфере конденсация водяного пара приводит к образованию облаков, тумана и осадков, а релаксация — к образованию снега.

Физика процесса

Переход вещества из жидкого состояния в парообразное в физике называется парообразованием.

Обратный процесс перехода из газообразного состояния в твёрдое или жидкое, называется конденсация. Например, скопление облаков или наступающий туман.

Выделяют два вида парообразования:

• испарение;
• кипение.

В первом случае необходимо достичь порога температуры плавления, преодолев его. А при кипении у каждого жидкого вещества своя определенная температура, до достижении которой образуется пар.

Область парообразования в этих случаях тоже отличается.

1. При испарении пар образуется со свободной поверхности, которая граничит с окружающими ее газами – кислородом и др.
2. При кипении образование пара происходит со всего объема жидкости.

Образование пара при кипении

Для наглядности посмотрим, как же образуется пар при кипении на рисунке № 1.

Пузырьки пара образуются во всем объеме жидкости, поднимаются на её поверхность и лопаются, высвобождая горячий пар в в воздух.

Когда вода кипятится, ей передается некоторое количество теплоты, благодаря чему у молекул воды увеличивается внутренняя энергия. Это приводит к тому, что эти молекулы беспорядочно движутся и сталкиваются друг с другом, за счет чего вода закипает.

Пар выделяется в растворенных газах, которые есть в воде. Именно пар как раз и находится в тех пузырьках, которые образуются при кипячении.

Пузырек лопается, чтобы высвободить постоянно увеличивающийся пар. Все это происходит под привыкший для всех нас звук бурления. Но многие пузырьки лопаются внутри воды, не успевая достичь свободной поверхности.

Формула

Физические процессы основаны на формулах. Не является исключением и парообразование.

Если величина будет показывать, сколько теплоты (дж) нужно для обращения жидкости (кг) в пар при испарении при указанной температуре в отсутствие ее изменения, тогда она будет называться удельной теплотой парообразования и конденсации. Обозначается она как L и при расчете используется формула:

Удельная теплота парообразования при различных температурах будет отличаться. Например, при достижении температуры кипения это значение будет самым низким.

Эта величина имеет особое значение во многих сферах производства, например при производстве металлов.

Выяснилось, что когда плавится железо, после его повторного затвердевания возникшая кристаллическая решетка оказывается намного прочнее предыдущей.

Определить удельную теплоту возможно только путем эксперимента, а ее основные значения уже давно установлены. Например, для спирта это 0,9*106, а для воды 2,3*106.

Изменяется удельная теплота парообразования воды и в зависимости от давления. Здесь наблюдается как раз обратная зависимость – когда давление воды увеличивается, снижается значение удельной теплоты парообразования.

При атмосферном давлении в 760 мм рт. ст. удельная теплота парообразования равна 2258 кДж/кг.

Характерным примером может явиться покорение альпинистами высоких гор.

На особых высотах (более 3000 м) из-за пониженного атмосферного давления, уменьшается и температура кипения воды (до 90°С), что усложняет процесс приготовления еды, поскольку требуется больше времени, чтобы произвести термическую обработку пищи.

А на более высоких местностях (около 7000 м.) готовить еду становится практически невозможно из-за падения температуры кипения до 50 °С.

При рассмотрении температуры воды необходимо упомянуть еще одну физическую величину – удельную теплоемкость. Она равняется количеству теплоты, необходимому для передачи единичной массе вещества, чтобы изменить его температуру на единицу.

Если теплота не сопровождается изменением температуры при изменении своего состояния, такая теплота называется скрытой. Скрытая теплота может наблюдаться как раз при парообразовании.

Она также отличается при разных жидкостях и изменяется в зависимости от давления.

При увеличении атмосферного давления и как следствие увеличении температуры жидкости, уменьшается скрытая теплота парообразования.

Сухой и насыщенный: в чем противоречие

Многие путаются с терминами “сухой” и “насыщенный”. Как может быть нечто одновременно и тем и другим? Ответ кроется в терминологии, которую мы используем. Термин «сухой» связывают с отсутствием влаги, то есть «не мокрый». «Насыщенный» означает “замоченный”, “промокший”, “затопленный”, “заваленный” и так далее. Все это, казалось бы, подтверждает противоречие. Однако в паровой инженерии термин «насыщенный» имеет другое значение и в данном контексте означает состояние, при котором происходит кипение. Таким образом, температура, при которой происходит кипение, известна технически как температуры насыщения. Сухой пар в данном контексте не имеет в себе влаги. Если понаблюдать за кипящим чайником, то можно увидеть выходящее из носика чайника белое испарение. На самом деле, это смесь сухого бесцветного пара и влажного пара, содержащего в себе капельки воды, которые отражают свет и окрашиваются в белый цвет. Поэтому термин «сухой насыщенный пар» означает, что пар обезвожен и не перегрет. Свободное от частиц жидкости, это вещество в газообразном состоянии, которое не следуют общим газовым законам.

Задача 1. Как измерить относительную плотность водяного пара при снижении температуры до 10° С, если известно, что в 1 м воздуха 20°С содержится 13 г газообразной воды?

Для выполнения задачи необходимо воспользоваться экспериментальными таблицами зависимости плотности от давления и температуры.Если при температуре 20° С плотность насыщенного водяного пара 17,3 г/м, то относительная плотность пара при 13 г/м рассчитывается по формуле пропорции:100% – 17,3Х – 13

Х = 100*13 / 17,3 = 75%.

При снижении температуры до 10°С относительная плотность водяного пара рассчитывается по новой пропорции:100% – 9,39Х – 13

Х = 100*13 / 9,39 = 138,4%.

Ответ: относительная плотность пара при Т°=10, массе воды 13 г равна 138,4%.

Интерпретация результата: при снижении температуры до 10° относительная плотность пара приведет к процессу усиленной конденсации и превышению над испарением. В этом случае в природе наблюдаются обильные осадки.

Учебное особие по физике

Насыщенные и ненасыщенные пары и их свойства

Над свободной поверхностью жидкости всегда имеются пары этой жидкости. Если сосуд с жидкостью не закрыт, то концентрация частиц пара при постоянной температуре может изменяться в широких пределах в сторону уменьшения и в сторону увеличения.

Процесс испарения в замкнутое пространство (закрытый сосуд с жидкостью) может при данной температуре происходить только до определенного предела. Это объясняется тем, что одновременно с испарением жидкости происходит конденсация пара. Сначала число молекул, вылетающих из жидкости за 1 с, больше числа молекул, возвращающихся обратно, и плотность, а значит, и давление пара растет. Это приводит к увеличению скорости конденсации. Через некоторое время наступает динамическое равновесие, при ко тором плотность пара над жидкостью становится постоянной. Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Пар, который не находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.

Опыт показывает, что ненасыщенные пары подчиняются всем газовым законам, и тем точнее, чем дальше они от насыщения Для насыщенных паров характерны следующие свойства:

1. плотность и давление насыщенного пара при данной температуре — это максимальные плотность и давление, которые может иметь пар при данной температуре;
2. плотность и давление насыщенного пара зависят от рода вещества. Чем меньше удельная теплота парообразования жидкости, тем быстрее она испаряется и тем больше давление и плотность ее паров;
3. давление и плотность насыщенного пара однозначно определяются его температурой (не зависят от того, каким образом пар достиг этой температуры: при нагревании или при охлаждении);

4. давление и плотность пара быстро возрастают с увеличением температуры (рис. 1, а, б).

   Рис. 1

   Опыт показывает, что при нагревании жидкости уровень жидкости в закрытом сосуде понижается. Следовательно, масса и плотность пара возрастают. Более сильное увеличение давления насыщенного пара по сравнению с идеальным газом (закон Гей-Люссака не применим к насыщенному пару) объясняется тем, что здесь происходит рост давления не только за счет роста средней кинетической энергии молекул (как у идеального газа), но и за счет увеличения концентрации молекул;

5. при постоянной температуре давление и плотность насыщенного пара не зависят от объема. На рисунке 2 для сравнения приведены изотермы идеального газа (а) и насыщенного пара (б).

Рис. 2

Опыт показывает, что при изотермическом расширении уровень жидкости в сосуде понижается, при сжатии — повышается, т.е. изменяется число молекул пара так, что плотность пара остается постоянной.

От чего зависит плотность и давление водяного пара?

Плотность вещества (в нашем варианте водяного пара) зависит от:Количества молекул вещества (воды) в единице объема. Эта величина, в свою очередь, имеет зависимость:от температуры;давления.

Массы молекулы.

При нагревании газы стремятся к расширению. С увеличением температуры растет концентрация молекул воды, за счет испарения с поверхности жидкости. Если объем остается стабильным (в замкнутом пространстве, сосуде), то плотность пара возрастает.

При неизменной температуре увеличение давления сгущает концентрацию молекул. Их становится больше на единицу объема, поэтому плотность возрастает.

Масса молекул воды постоянна, поэтому для водяного пара плотность остается стабильной при неизменной температуре и постоянном давлении.

Таким образом, зависимость плотности пара от температуры можно выразить в формуле:= n*k*T, где:n – концентрация молекул;k – постоянная, зависящая от массы молекулы (воды);T – температура.

Пар для отопления

Пар высокого давления

Пар обычно генерируется и распределяется при положительном давлении. В большинстве случаев это означает, что он подается на оборудование при давлении выше 0 МПа (изб.) и температуре выше 100 °C.

Пар высокого давления применяется для обогрева на пищевых фабриках, нефтеперерабатывающих и химических заводах. Насыщенный пар используется в качестве источника нагрева для теплообменников, ребойлеров, реакторов, подогревателей воздуха горения и других видов теплообменного оборудования.

Кожухотрубный теплообменник

В теплообменнике пар увеличивает температуру продукта за счет теплопередачи, после чего сам он превращается в конденсат и выходит через конденсатоотводчик.

Паровая печь

Сухой пар, нагретый до 200 – 800 °C при атмосферном давлении, особенно прост в обращении и используется в бытовых паровых печах, которые сегодня можно купить в магазине.

Вакуумный пар

В последнее время резко возросло применение пара для нагрева воды до температуры ниже 100°C, а именно такая температура традиционно требуется для использования горячей воды.

Когда вакуумный насыщенный пар работает таким же образом, как и насыщенный пар с положительным давлением, его температуру можно быстро изменить, отрегулировав давление. Пар, в отличие от горячей воды, позволяет четко контролировать температуру.
Тем не менее, вакуумный насос должен использоваться вместе с другим оборудованием, т.к. с его помощью давление нельзя понизить ниже атмосферного.

Нагревание скрытой теплотой (паром)

По сравнению с подогревом горячей водой, эта система обеспечивает скорый и равномерный нагрев. Установленная температура достигается быстро и без скачков.

Испарение твердых тел

Некоторые твёрдые тела тоже могут испаряться. Испарение твердых тел называют возгонкой (или сублимацией). 

Например, таким свойством обладает лёд. Это объясняет то, что белье после стирки высыхает и на зимнем морозе. Нафталин испаряется при комнатной температуре, поэтому мы чувствуем его запах. 

Запах создается молекулами, оторвавшимися от вещества и достигшими нашего носа. Поэтому говорят, что всякое пахнущее твёрдое вещество возгоняется в значительной степени.

На самом деле испаряются все твердые тела (даже железо). Но плотность насыщенного пара оказывается настолько мала, что обнаружить его очень сложно, иногда практически невозможно.

Насыщенный (сухой) пар

Черная линия вышеприведенного графика показывает, что насыщенный пар появляется при такой температуре и давлении, при которых пар (газ) и вода (жидкость) могут сосуществовать. Другими словами, он образуется тогда, когда скорость испарения воды равна скорости конденсации.

Преимущества использования насыщенного пара для подогрева

Свойства насыщенного пара делают из него отличный источник тепла особенно при температуре 100 °C и выше. Вот некоторые из этих свойств:

Свойства	Преимущества
Обеспечивает быстрое и равномерное нагревание за счет передачи скрытой теплоты	Улучшает качество продукта и повышает производительность
Давление может контролировать температуру	Температура устанавливается быстро и точно
Гарантирует высокий коэффициент теплопередачи	Требуемая площадь теплообмена меньше, что позволяет снизить первоначальные затраты на оборудование
Образовывается из воды	Безопасный, чистый и недорогой

Полезные советы

С учетом сказанного, при подогреве насыщенным паром необходимо помнить о следующих моментах:

• эффективность подогрева может уменьшиться, если в данном процессе используется любой другой пар, кроме сухого. Вопреки общераспространенному мнению, фактически весь пар, производимый в котле — это не сухой насыщенный пар, а влажный, содержащий часть неиспарившихся молекул воды.
• Потеря теплового излучения приводит к тому, что часть пара конденсируется. Получившийся влажный пар становится еще более влажным, к тому же образуется конденсат, который надо удалить, установив там, где это необходимо, конденсатоотводчики.
• Образованный из пара тяжелый конденсат может быть выведен конденсатоотводчиками в специальные коллекторы. Однако этот влажный пар снизит эффективность нагрева, поэтому его следует удалить через устройства очистки или распределительные сборники.
• В паре, в котором снижается давление за счет трения в трубопроводе и т.д., также может понизиться температура.

Вода превращается в пар при температуре

Понятие «водяной пар» характеризует свойство жидкости улетучиваться. Начало испарения — отрыв частичек воды от поверхности воды. Из жидкого агрегатного состояния молекулы переходят в газообразное. Превращение в газовую фазу происходит до момента насыщения, когда возникает равновесие между жидкой или твердой субстанцией и газом. Молекула воды не в силах оторваться от поверхности, если плотность достигает максимальной величины, газ становится насыщенным. Определить величину давления насыщения водяного пара можно для любой температуры. Даже лёд обладает способностью испаряться.

Когда говорят об испарении, уточняют градусы Цельсия, при которых начинается парообразование. При 100°С жидкость закипает только при атмосферном давлении 760 мм рт. столба. Чем ниже давление, тем свободнее отрываются частицы воды от поверхности, насыщая воздух. Снижение давления до 0,006 атмосфер (тройная точка) приводит к тому, что вода одновременно присутствует в трех фазовых состояниях: жидком, твердом, газообразном. Кипение воды в лабораторных условиях достигается без перехода в жидкое состояние. Происходит вскипание твердой фазы, процесс называется возгонкой. Лед трансформируется в газообразное состояние при температуре –0,1°С под давлением ниже тройной точки. Величину давления и плотности насыщенного водяного пара при различной температуре устанавливают экспериментальным путем.

Способность паров насыщать воздух характеризуется влажностью. Упругость водяного пара определяют прибором для измерения влажности, он называется психрометром. Измеряется парциальное давление водяных паров, находящихся в атмосферном воздухе.

Как работает пароструйный инжектор

Пар, который нагревает жидкость, попадает в сопло устройства, но перед этим давление его повышается. Когда из сопла пар выходит он преобразуется в определенную энергию, именуемую кинетической, скорость увеличивается и разгоняется до скорости звука. Как только пар начнет выходить из сопла его давление резко упадет и станет меньше, чем атмосферное, в камере произойдет разряжение. В камере пар и вода перемешиваются, где пар отдает тепло воде и вступает в процесс конденсирования. При перемешивании конденсат принимает температуру воды. Смесь воды и конденсата имеет высокую скорость и переходит в диффузор, где происходит замещение кинетической энергии потенциальной. Инжектор становится своего рода наносом для воды, вода в холодном виде поступает просто, а выходит под большим давлением.

Процессы нагревания очень распространенные процессы в химической, нефтяной и в пищевой промышленности. Технические процессы проводятся в специальных агрегатах разной конструкции. Процесс в теплообменнике прост, один теплоноситель отдает тепло другому. Если агрегатное состояние жидкости меняется, то температура не меняется. Нагревание водяным паром относится к процессу умеренного нагревания. Нагревание происходит просто и легко отрегулировать температуру нагревания. Даже при большой теплоте образования конденсата, расход пара небольшой.

Теплофизические свойства водяного пара при различных температурах на линии насыщения

В таблице представлены теплофизические свойства водяного пара на линии насыщения в зависимости от температуры. Свойства пара приведены в таблице в интервале температуры от 0,01 до 370°С.

Каждой температуре соответствует давление, при котором водяной пар находится в состоянии насыщения. Например, при температуре водяного пара 200°С его давление составит величину 1,555 МПа или около 15,3 атм.

Удельная теплоемкость пара, теплопроводность и его динамическая вязкость увеличиваются по мере роста температуры. Также растет и плотность водяного пара. Водяной пар становится горячим, тяжелым и вязким, с высоким значением удельной теплоемкости, что положительно влияет на выбор пара в качестве теплоносителя в некоторых типах теплообменных аппаратов.

Например, по данным таблицы, удельная теплоемкость водяного пара C_p при температуре 20°С равна 1877 Дж/(кг·град), а при нагревании до 370°С теплоемкость пара увеличивается до значения 56520 Дж/(кг·град).

В таблице даны следующие теплофизические свойства водяного пара на линии насыщения:

• давление пара при указанной температуре p·10-5, Па;
• плотность пара ρ″, кг/м3;
• удельная (массовая) энтальпия h″, кДж/кг;
• теплота парообразования r, кДж/кг;
• удельная теплоемкость пара C_p, кДж/(кг·град);
• коэффициент теплопроводности λ·102, Вт/(м·град);
• коэффициент температуропроводности a·106, м2/с;
• вязкость динамическая μ·106, Па·с;
• вязкость кинематическая ν·106, м2/с;
• число Прандтля Pr.

Удельная теплота парообразования, энтальпия, коэффициент температуропроводности и кинематическая вязкость водяного пара при увеличении температуры снижаются. Динамическая вязкость и число Прандтля пара при этом увеличиваются.

Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 102. Не забудьте разделить на 100! Например, теплопроводность пара при температуре 100°С равна 0,02372 Вт/(м·град).

§ 9. Испарение и конденсация. Насыщенный пар

Насыщенный пар.

Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия с жидкостью, называют насыщенным паром.

Давление такого пара называют давлением насыщенного пара.

Насыщенный пар обладает свойствами, отличающимися от свойств идеального газа.

Первое отличие состоит в том, что давление насыщенного пара не зависит от его объёма при постоянной температуре. Число молекул, переходящих из жидкости в пар через единичную площадку за единичный промежуток времени, зависит только от состава жидкости и её температуры. Число молекул, переходящих из пара в жидкость, зависит от концентрации пара, а значит, от его давления. Поэтому сразу при уменьшении объёма пара его давление увеличивается, что тут же приводит к возрастанию числа молекул, переходящих в жидкость. В результате число молекул пара уменьшается и спустя некоторый промежуток времени устанавливается прежнее давление, если температура жидкости сохранялась неизменной. При увеличении объёма пара его давление, наоборот, уменьшается. Вместе с этим уменьшается и число молекул, переходящих из пара в жидкость. В результате число молекул, которые покидают поверхность жидкости (оно не изменяется при T = const), превышает число молекул, возвращающихся в жидкость. Равновесие опять восстанавливается при достижении первоначального значения давления.

Второе отличительное свойство: при увеличении температуры давление p_н насыщенного пара возрастает значительно быстрее, чем давление р_и.г идеального газа. В случае идеального газа рост давления обусловлен только увеличением его температуры (p = nkT, V = const). В случае же насыщенного пара рост температуры приводит к увеличению числа молекул, переходящих из жидкости в пар, т. е. к росту концентрации молекул пара. В соответствии с формулой p = nkT давление пара увеличивается не только в результате непосредственного повышения температуры, но и в результате увеличения концентрации молекул пара, вызванного всё тем же повышением.

Давление насыщенного пара зависит также и от рода жидкости. Чем меньше силы взаимодействия между молекулами жидкости, тем больше концентрация молекул насыщенного пара, а значит, тем больше его давление и плотность.

При изменении объёма насыщенного пара его масса также изменяется. Поэтому законы идеального газа для изопроцессов можно применять к пару только в том случае, если он далёк от насыщения и его масса остаётся неизменной.

Однако уравнение Клапейрона–Менделеева  можно использовать для нахождения любых параметров (p, V, T, m, ρ) насыщенного пара.

Давление (плотность) насыщенного пара при данной температуре — максимальное давление (плотность), которое может иметь пар, находящийся в состоянии динамического равновесия с жидкостью при этой температуре.

От теории к практике

1. В сосуде находится жидкость и её насыщенный пар. Зависит ли давление насыщенного пара от: а) рода жидкости; б) объёма сосуда; в) температуры жидкости; г) площади свободной поверхности жидкости?

2. Значение температуры жидкости, находящейся в динамическом равновесии со своим паром, t = 100 C°. Как изменится давление пара, если при неизменной температуре его объём медленно: а) вдвое увеличить; б) вдвое уменьшить?

Испарение в жизни

И уж точно: в этой жизни есть только пар — мы встречаемся с ним каждый день. Давайте рассмотрим, почему этот процесс необходим и как люди научились извлекать из него пользу.

Испарение в организме человека и животных

Выше мы рассмотрели вопрос о том, почему мы чувствуем холод, когда мокнем в горячей воде. Это тот же принцип, который заставляет нас чувствовать холод после потоотделения — в какой-то момент мы начинаем чувствовать холод.

Потоотделение само по себе является важным терморегуляционным процессом. Когда мы достигаем высокой температуры (из-за внешнего воздействия или болезни), организм хочет охладиться, чтобы не погибнуть от белков нашего тела, которые преобразуются в яйца.

Пот выделяется через поры кожи и затем испаряется. Это позволяет нашему организму быстро избавиться от избытка энергии и охладиться, чтобы нормализовать температуру тела.

При высокой влажности мы более чувствительны к холоду и жаре. Это связано с потоотделением при высокой температуре. Этот механизм помогает бороться с жарой и «выводить» излишки тепла, но при высокой влажности пот не может испаряться.

То же самое происходит при низкой влажности. Вы можете быть удивлены, обнаружив, что когда холодно, вы потеете больше (гораздо меньше, но это все равно происходит). Когда влажность на улице низкая, пот под курткой испаряется, что делает ее более комфортной. Но если влажность высокая, он остается там, передавая тепло и унося ценные джоули тепла. Поэтому зимы в Санкт-Петербурге холоднее, чем в Москве.

У животных этот механизм работает аналогичным образом. Однако у собак, например, испарение с кожи недостаточно, поэтому собаки часто открывают рот, высовывают язык и иногда дышат очень смешно.

Гортань и язык собаки идеально подходят для испарения воды и охлаждения тела животного.

Испарение у растений

Примечательно, что механизм испарения в растениях работает точно так же. Растения так любят воду, что ею поливают комнатные растения, но в пустыне воды нет.

Пока цветы впитывают воду, они могут испарять ее, не перегреваясь на жарком солнце. Да, вода необходима для полива растений, а также для саморегуляции температуры в жаркие дни. Поэтому не забывайте поливать свои цветы. В очень жаркие дни поливайте более интенсивно.

Испарение в природе и окружающей среде

Вытяжной воздух напрямую связан с естественным круговоротом воды. Именно круговорот воды поддерживает жизнь на Земле. Всемирное распределение воды позволяет растениям в природе жить, не пытаясь поливать большую пальму из лейки.

Когда вода испаряется с поверхности рек, озер, океанов и морей, образуются дождевые облака, которые поливают растения и деревья во время дождя. Многие люди ненавидят дождь, потому что он плохо пахнет и падает на обувь, но в засушливых регионах, таких как Северная Африка и Центральная Индия, которые часто страдают от засухи, дождь необходим.

Испарение в промышленности и быту

В повседневной жизни это очень просто. Мы сушим вещи, готовим еду, покупаем увлажнители воздуха и ставим пролитые лужи на пол.

В промышленности это не так очевидно для нас. Промышленные приборы, работающие на выхлопных газах, проектируются аналогичным образом: всегда максимально увеличивайте площадь поверхности жидкости, чтобы выхлоп был интенсивным.

Что такое абсолютная плотность водяного пара?

Абсолютной плотностью пара принято считать показатель насыщенного пара в динамическом равновесии испарения и конденсации.

Плотность насыщенного пара при различных термических показателях варьирует, определяется по формуле:

= 216,49 * P / (Z * (T°+ 273)), где:– плотность насыщенного пара в кг/м;P – абсолютное давление в барах;T° – температура в градусах Цельсия, изменяемая в шкалу Кельвина (+ 273);Z – коэффициент, выражающий зависимость от способности сжатия насыщенного пара при показателе давления Р и температуре T°.

С абсолютной плотностью пара связано понятие абсолютной влажности воздуха. Значение абсолютной влажности отличается от плотности в связи с измерением ее согласно Международной метрической системе мер с коррекцией температуры по шкале Кельвина.Как меняется плотность пара при изменении температуры?

Зависимость плотности пара от температуры прямая, но не линейная. Этим водяной пар отличается от сухого газа.

При достижении температуры, соответствующей точке росы, линейная зависимость плотности от температуры модифицируется в экспоненциальную (плотность стремительно растет до полного испарения зарезервированной воды). Когда вся жидкость переходит в газообразное состояние – линейная зависимость возобновляется. Эти переходы изображены на графике.

График зависимости плотности насыщенного пара от Т° при полном испарении воды (А–В – кривая зависимости насыщенного пара;В–С – линейная зависимость ненасыщенного пара).

Пар как движущая жидкость

Пар также может использоваться как прямая «движущая сила» для перемещения потоков жидкости и газа в трубопроводах. Паровые струйные эжекторы используются для создания вакуума на производственном оборудовании, таком как дистилляционные колоны, для отделения и очистки потоков технологических паров. Они также используются для непрерывного удаления воздуха из поверхностных конденсаторов, чтобы поддерживать необходимое вакуумное давление на конденсационных (вакуумных) турбинах.

Эжектор для поверхностного конденсатора

Мощный пар высокого давления поступает в струйный эжектор через входное сопло, после чего рассеивается. Это создает зону низкого давления, которая захватывает воздух из поверхностного конденсатора.

В аналогичной области применения пар также является основной движущей жидкостью для вторичных дренажных систем, которые используются для откачивания конденсата из вентилируемых приемных резервуаров, испарительных сосудов или парового оборудования, которое работает в режиме срыва.

Разные единицы измерения: избыточное и абсолютное давление

Таблицы насыщенного пара также используют два различных вида давления: абсолютное и манометрическое (избыточное).

• Абсолютное давление — это нулевая точка по отношению к абсолютному вакууму.
• Манометрическое давление — это нулевая точка по отношению к атмосферному давлению (101.3 кПа).

Таблица насыщенного пара с абсолютным давлением

Давл. (абс.)	Темп.	Удельный объём	Удельная энтальпия
кПа	°C	м3/кг	кДж/кг
P	T	Vf	Vg	Hf	Hfg	Hg
—	—	—	—	—	—
20	60.06	0.0010103	7.648	251.4	2358	2609
50	81.32	0.0010299	3.240	340.5	2305	2645
100	99.61	0.0010432	1.694	417.4	2258	2675

Таблица насыщенного пара с избыточным давлением

Давл. (изб.)	Темп.	Удельный объём	Удельная энтальпия
кПа изб.	°C	м3/кг	кДж/кг
P	T	Vf	Vg	Hf	Hfg	Hg
99.97	0.0010434	1.673	419.0	2257	2676
20	105.10	0.0010475	1.414	440.6	2243	2684
50	111.61	0.0010529	1.150	468.2	2225	2694
100	120.42	0.0010607	0.8803	505.6	2201	2707

Избыточное давление было придумано для простоты измерения давления по отношению к тому, которое мы обычно испытываем.

В таблицах пара, составленных на основе манометрического давления, атмосферное давление определяется как 0, а в таблицах с абсолютным давлением — 101.3 кПа. А для того чтобы отличать избыточное давление от абсолютного в конце добавляют “изб.”, например, кПа изб. или фт/кв. дюйм изб..

Перевести показатели избыточного давления в показатели абсолютного

Важное замечание:  Проблемы могут возникнуть в том случае, если перепутать абсолютное и манометрическое давление, именно поэтому надо быть особенно внимательными с единицами давления, указанными в таблице