Вода, водяной пар и воздух, их свойства. Вода и водяной пар

Водяной пар

Водяно́й пар

вода, содержащаяся в атмосфере в газообразном состоянии. Количество водяного пара в воздухе сильно меняется; наибольшее его содержание – до 4 %. Водяной пар невидим; то, что называют паром в быту (пар от дыхания на холодном воздухе, пар от кипения воды и т. п.), – это результат конденсации водяного пара, как и туман . Количество водяного пара определяет важнейшую для состояния атмосферы характеристику – влажностьвоздуха .

География. Современная иллюстрированная энциклопедия. - М.: Росмэн . Под редакцией проф. А. П. Горкина . 2006 .

Смотреть что такое "водяной пар" в других словарях:

Водяной пар газообразное состояние воды. Не имеет цвета, вкуса и запаха. Содержится в тропосфере. Образуется молекулами воды при ее испарении. При поступлении водяного пара в воздух он, как и все другие газы, создаёт определённое давление,… … Википедия

водяной пар - пар Вода в газообразном состоянии. [РМГ 75 2004] Тематики измерения влажности веществ Синонимы пар EN water steam DE Wasserdampf FR vapeur d eau … Справочник технического переводчика

водяной пар - Вода, находящаяся в земной атмосфере в парообразной фазе и ниже критической температуры для воды … Словарь по географии

ВОДЯНОЙ ПАР - вода в газообразном состоянии. В атмосферу попадает в результате испарения с поверхностей водных бассейнов и почвы. Конденсируется в (см.) в виде туманов, облаков и туч и снова возвращается на поверхность Земли в виде различных осадков … Большая политехническая энциклопедия

водяной пар - газообразное состояние воды. Если при 101,3 кПа (760 мм рт. ст.) воду нагреть до 100 °С, то она закипает и начинает образовываться водяной пар, имеющий ту же температуру, но значительно больший объем. Состояние, при котором вода и пар… … Энциклопедический словарь по металлургии

До настоящего времени объектом наших исследований были идеальные газы, т.е. такие газы, где отсутствуют силы межмолекулярных взаимодействий и пренебрегается размерами молекул. На самом деле размеры молекул и силы межмолекулярных взаимодействий имеют большое значение, особенно при низких температурах и больших давлениях.

Одним из представителей реальных газов, применяемых в практике пожарного дела и широко применяемых в промышленном производстве, является водяной пар.

Водяной пар чрезвычайно широко применяется в различных отраслях промышленности, главным образом в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах и как рабочее тело в паросиловых установках. Это объясняется повсеместным распространением воды, ее дешевизной и безвредностью для здоровья человека.

Имея высокое давление и относительно низкую температуру, пар, используемый на практике близок к состоянию жидкости, поэтому пренебрегать силами сцепления между его молекулами и их объемом, как в идеальных газах, нельзя. Следовательно, не представляется возможным использовать для определения параметров состояния водяного пара уравнения состояния идеальных газов, т. е. для пара pv≠RT, ибо водяной пар есть реальный газ.

Попытки ряда ученых (Ван-дер-Ваальса, Бертло, Клаузиуса и др.) уточнить уравнения состояния реальных газов путем введения поправок в уравнение состояния для идеальных газов не увенчались успехом, так как эти поправки относились только к объему и силам сцепления между молекулами реального газа и не учитывали ряда других физических явлений, происходящих в этих газах.

Особую роль играет уравнение, предложенное Ван-дер-Ваальсом в 1873 г., (P + a/ v 2)( v - b) = RT . Являясь приближенным при количественных расчетах, уравнение Ван-дер-Ваальса качественно хорошо отображает физические особенности газов, так как позволяет описать общую картину изменения состояния вещества с переходом его в отдельные фазовые состояния. В этом уравнении а и в для данного газа являются постоянными величинами, учитывающими: первая - силы взаимодействия, а вторая - размер молекул. Отношение а/v 2 характеризует добавочное давление, под которым находится реальный газ вследствие сил сцепления между молекулами. Величина в учитывает уменьшение объема, в котором движутся молекулы реального газа, вследствие того, что они сами обладают объемом.

Наиболее известны в настоящее время уравнение, разработанное в 1937-1946 гг. американским физиком Дж. Майером и независимо от него советским математиком Н. Н. Боголюбовым, а также уравнение предложенное советскими учеными М. П. Вукаловичем и И. И. Новиковым в 1939 г.

Ввиду громоздкости эти уравнения рассматриваться не будут.

Для водяного пара все параметры состояния для удобства пользования сведены в таблицы и представлены в приложении 7.

Итак, водяным паром называется получающийся из воды реальный газ с относительно высокой критической температурой и близкий к состоянию насыщения.

Рассмотрим процесс превращения жидкости в пар, называемый иначе процессом парообразования . Жидкость может превращаться в пар при испарении и кипении.

Испарением называется парообразование, происходящее только с поверхности жидкости и при любой температуре . Интенсивность испарения зависит от природы жидкости и ее температуры. Испарение жидкости может быть полным, если над жидкостью находится неограниченное пространство. В Природе процесс испарения жидкости осуществляется в гигантских масштабах в любое время года.

Суть процесса испарения заключается в том, что отдельные молекулы жидкости, находящиеся у ее поверхности и обладающие большей по сравнению с другими молекулами кинетической энергией, преодолевая силовое действие соседних молекул, создающее поверхностное натяжение, вылетают из жидкости в окружающее пространство. С увеличением температуры интенсивность испарения возрастает, так как увеличиваются скорость и энергия молекул и уменьшаются силы их взаимодействия. При испарении температура жидкости снижается, так как из нее вылетают молекулы, обладающие сравнительно большими скоростями, вследствие чего уменьшается средняя скорость оставшихся в ней молекул.

При сообщении жидкости теплоты повышаются ее температура и интенсивность испарения. При некоторой вполне определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей ее массе . При этом устенок сосуда и внутри жидкости образуются пузырьки пара. Это явление называется кипением жидкости. Давление получающегося при этом пара такое же, как и среды, в которой происходит кипение.

Процесс, обратный парообразованию называется конденсацие й . Этот процесс превращения пара в жидкость так же происходит при постоянной температуре, если давление остается постоянным. При конденсации хаотично движущиеся молекулы пара, соприкасаясь с поверхностью жидкости попадают под влияние межмолекулярных сил воды, остаются там, вновь преобразуясь в жидкость. Т.к. молекулы пара имеют большую по сравнению с молекулами жидкости скорость, то при конденсации температура жидкости увеличивается. Жидкость, образующаяся при конденсации пара, называется конденсатом .

Рассмотрим процесс парообразования более подробно.

Переход жидкости в пар имеет три стадии:

1. Нагревание жидкости до температуры кипения.

2. Парообразование.

3. Перегрев пара.

Остановимся на каждой стадии более подробно.

Возьмём цилиндр с поршнем, поместим туда 1 кг воды при температуре 0°С, условно принимая, что удельный объём воды при этой температуре минимален 0.001 м 3 /кг. На поршень положен груз, который вместе с поршнем оказывает на жидкость постоянное давление Р. Этому состоянию соответствует точка 0. Начнём подводить к этому цилиндру тепло.

Рис. 28. График изменения удельного объёма парожидкостной смеси при давлении насыщения P s .

1. Процесс подогрева жидкости . В этом процессе, осуществляемом при постоянном давлении за счёт теплоты, сообщаемой жидкости, происходит её нагрев от 0 °С до температуры кипения t s . Т.к. вода имеет сравнительно небольшой коэффициент термического расширения, то удельный объём жидкости изменится незначительно и увеличится от v 0 до v¢. Этому состоянию соответствует точка 1, а процессу – отрезок 0-1.

2. Процесс парообразования . При дальнейшем подводе тепла вода будет кипеть и переходить в газообразное состояние, т.е. водяной пар. Этому процессу соответствует отрезок 1-2 и увеличение удельного объёма от v¢ до v¢¢. Процесс парообразования происходит не только при постоянном давлении, но и при постоянной температуре, равной температуре кипения. При этом вода в цилиндре будет находиться уже в двух фазах: пара и жидкости. Вода присутствует в виде жидкости, сосредоточенной внизу цилиндра и в виде мельчайших капелек, равномерно распределённой по всему объёму.

Процесс парообразования сопровождается и обратным процессом, называемым конденсацией. Если скорость конденсации станет равной скорости испарения, то в системе наступает динамическое равновесие. Пар в этом состоянии имеет максимальную плотность и называется насыщенным. Следовательно, под насыщенным понимают пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью, из которой он образуется . Основное свойство этого пара состоит в том, что он имеет температуру, являющуюся функцией его давления, одинакового с давлением той среды, в которой происходит кипение. Поэтому температура кипения иначе называется температурой насыщения и обозначается t н.Давление, соответствующее t н, называется давлением насыщения (обозначается р н или просто p. Пар образуется до тех пор, пока не испарится последняя капля жидкости. Этому моменту будет соответствовать состояние сухого насыщенного (или просто сухого ) пара. Пар, получаемый при неполном испарении жидкости, называется влажным насыщенным паром или просто влажным . Он является смесью сухого пара с капельками жидкости, распространенными равномерно во всей его массе и находящимися в нем во взвешенном состоянии. Массовая доля сухого пара во влажном паре называется степенью сухости или массовым паросодержанием и обозначается через х. Массовая доля жидкости во влажном паре называется степенью влажности и обозначается через у. Очевидно, что у = 1 - х. Степень сухости и степень влажности выражают или в долях единицы, или в %: например, если х = 0.95 и у = 1 - х = 0.05, то это означает, что в смеси находится 95% сухого пара и 5% кипящей жидкости.

3. Перегрев пара. При дальнейшем подводе тепла температура пара будет повышаться (соответственно увеличивается удельный объём от v¢¢ до v¢¢¢). Этому состоянию соответствует отрезок 2-3. Если температура пара выше температуры насыщенного пара того же давления, то такой пар называется перегретым . Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления называется степенью перегрев а .

Поскольку удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара (так как р= const, t пер > t н), то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар является ненасыщенным. По своим физическим свойствам перегретый пар приближается к газам и тем больше, чем выше степень его перегрева.

Из опыта найдены положения точек 0 - 2 при других, более высоких давлениях насыщения. Соединив соответствующие точки при различных давлениях, получим диаграмму состояния водяного пара.

Рис. 29. pv – диаграмма состояния водяного пара.

Из анализа диаграммы видно, что по мере увеличения давления удельный объём жидкости уменьшается. На диаграмме этому уменьшению объёма с ростом давления соответствует линия СД. Температура насыщения, и, следовательно, удельный объём увеличиваются, что и продемонстрировано линией АК. Также быстрее происходит испарение воды, что ясно видно из линии ВК. При увеличении давления уменьшается разность между v¢ и v¢¢, постепенно сближаются линии АК и ВК. При некотором вполне определённом для каждого вещества давлении эти линии сходятся в одной точке К, называемой критической. Точка К, одновременно принадлежащая линии жидкости при температуре кипения АК и линии сухого насыщенного пара ВК, соответствует некоторому предельному критическому состоянию вещества, при котором отсутствует различие между паром и жидкостью. Параметры состояния называются критическими и обозначаются Т к, P к, v к. Для воды критические параметры имеют значения: Т к =647.266К, Р к = 22.1145МПа, v к =0.003147 м 3 /кг.

Состояние, в котором могут находиться в равновесии все три фазы воды, называется тройной точкой воды. Для воды: Т 0 = 273.16К, Р 0 = 0.611 кПа, v 0 = 0.001 м 3 /кг. В термодинамике удельные энтальпия, энтропия и внутренняя энергия в тройной точке принимается равной нулю, т.е. i 0 = 0, s 0 = 0, u 0 = 0.

Определим основные параметры водяного пара

1. Подогрев жидкости

Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг жидкости от 0 °С до температуры кипения называется удельнойтеплотой жидкости . Теплота жидкости является функцией давления, принимающей максимальное значение при критическом давлении.

Величина её определяется:

q = с р (t s -t 0) ,

где с р – средняя массовая изобарная теплоёмкость воды в интервале температур от t 0 = 0 °С до t s , берётся по справочным данным

т.е. q = с р t s

Удельная теплота измеряется в Дж/кг

Величина q выражается как

где i¢ - энтальпия воды при температуре кипения;

i - энтальпия воды при 0 °С.

Согласно первому закону термодинамики

i = u 0 + P s v 0 ,

где u 0 – внутренняя энергия при 0 °С.

i¢ = q + u 0 + P s v 0

Примем условно, как и в случае идеальных газов, что u 0 = 0. Тогда

i¢ = q + P s v 0

Эта формула позволяет вычислить величину i¢ по найденным из опыта величинам Р s , v 0 и q.

При невысоких давлениях Р s , когда для воды величина Р s v 0 мала по сравнению с теплотой жидкости, можно приближённо принять

Теплота жидкости с увеличением давления насыщения увеличивается и в критической точке достигает максимальной величины. Учитывая, что i=u+ Pv (1), можно написать следующее выражение для внутренней энергии воды при температуре кипения:

u¢ = i¢ + P s v¢

Изменение энтропии в процессе подогрева жидкости

Допуская, что энтропия воды при 0

Эта формула позволяет вычислить энтальпию жидкости при температуре кипения.

2. Парообразование

Количество теплоты, необходимое для перевода 1 кг жидкости, нагретой до температуры кипения, в сухой насыщенный пар в изобарном процессе называется удельной теплотой парообразования (r) .

Теплота парообразования определяется:

i¢¢ = r + i¢ по найденной из опыта теплоте парообразования и энтальпии воды при температуре кипения i¢. Учитывая (1), можно записать:

r = (u¢¢-u¢)+P s (v¢¢-v¢),

где u¢ и u¢¢ - внутренняя энергия воды при температуре кипения и сухого насыщенного пара. Это уравнение показывает, что теплота парообразования состоит из двух частей. Одна часть (u¢¢-u¢) затрачивается на увеличение внутренней энергии образующегося из воды пара. Она называется внутренней теплотой парообразования и обозначается буквой r. Другая часть P s (v¢¢-v¢) затрачивается на внешнюю работу, совершаемую паром в изобарном процессе кипения воды, и называется внешней теплотой парообразования (y).

Теплота парообразования уменьшается с увеличением давления насыщения и в критической точке равна нулю. Теплота жидкости и теплота парообразования образуют полную теплоту сухого насыщенного пара l¢¢.

Внутренняя энергия сухого насыщенного пара u¢¢ равна

u¢¢=i¢¢-P s v¢¢

Изменение энтропии пара в процессе парообразования определяется выражением

Это выражение позволяет определить энтропию сухого насыщенного пара s¢¢.

Влажный насыщенный пар между граничными величинами удельных объёмов v¢ и v¢¢ состоит из сухого насыщенного пара и воды. Количество сухого насыщенного пара в 1 кг влажного насыщенного пара называется степенью сухости , или паросодержанием . Эта величина называется буквой x . Величина (1-x) называется степенью влажности пара .

Если учесть степень сухости, то удельный объём влажного насыщенного пара v x

v x = v¢¢x + v¢(1-x)

Теплота парообразования r x , энтальпия i x , полная теплота l x , внутренняя энергия u x и энтропия s x для влажного насыщенного пара имеет следующие величины:

r x = rx; i x = i¢ + rx; l x = q + rx; u x = i¢ + rx – p s v s ; s x = s¢ + rx/T s

3. Процесс перегрева пара

Сухой насыщенный пар перегревается при постоянном давлении от температуры кипения t s до заданной температуры t ; при этом удельный объём пара увеличивается от v¢ до v . Количество теплоты, которое затрачивается на перегрев 1 кг сухого насыщенного пара от температуры кипения до данной температуры, называется теплотой пароперегрева. Теплоту пароперегрева можно определить:

где - с p средняя массовая теплоёмкость пара в интервале температур t s – t (определяется по справочным данным).

Для величины q п можно записать

q п = i – i¢ ,

где I – энтальпия перегретого пара.

Водяной пар — газовая фаза воды

Водяной пар образуется не только, . Этот термин применим и к туману.

Туман — это пар, который становится видимым из-за капелек воды, которые образуются в присутствии охладителя воздуха — пар конденсируется.

При более низких давлениях, например, в верхних слоях атмосферы или в верхней части высоких гор, вода кипит при более низкой температуре, чем номинальная 100 ° C (212 ° F). При нагревании в дальнейшем становится перегретым паром.

Как газ, водяной пар может содержать только определенное количество водяного пара (количество зависит от температуры и давления).

Пар-жидкость равновесие является состоянием, при котором жидкость и пар (газовая фаза) находятся в равновесии друг с другом, это такое состояние, когда скорость испарения (жидкие изменения в пар) равна скорости конденсации (превращения пара в жидкость) на молекулярном уровне, что в целом означает взаимопревращения «пар-вода» . Хотя в теории равновесия можно достичь в относительно замкнутом пространстве, соотносятся в контакте друг с другом достаточно долго без каких-либо помех или вмешательств извне. Когда газ поглотил свое максимальное количество, он, как говорят, находится в жидком паровом равновесии, но если в нем больше воды, он описывается как ‘влажный пар’.

Вода, водяной пар и их свойства на Земле

• полярных шапок льда на Марсе
• Титан
• Европа
• Кольца Сатурна
• Энцелад
• Плутон и Харон
• Кометы и кометы источником населения (пояса Койпера и облаком Оорта объектов).

Вода-лед может присутствовать на Церере и Тетис. Вода и другие летучие вещества, вероятно, составляют большую часть внутренних структур Урана и Нептуна и воды в глубокие слои могут быть в виде ионной воды, в которой молекулы распадаются на суп из водорода и ионы кислорода, и глубже, как суперионные воды, в которой кислород кристаллизуется, но ионы водорода плавают свободно в пределах кислорода решетки.

Некоторые из полезных ископаемых Луны содержат молекулы воды. Например, в 2008 году лаборатории устройство, которое собирает и определяет частицы, обнаружены небольшие количества соединений, внутри вулканического жемчуга, привезенного с Луны на Землю Аполлон-15 экипаж в 1971 году. НАСА сообщили об обнаружении молекул воды НАСА Луна минералогии Mapper на борту Чандраян-1 корабля Индийской организации космических исследований в сентябре 2009 года.

Области применения пара

Пар используется в широком спектре отраслей промышленности. Общие приложения для пара, например, связаны с паровым обогревом процессов на фабриках и заводах и на паровых приводных турбинах на электростанциях…

Вот некоторые типичные приложения для пара в промышленности: Отопление / Стерилизация, Движение / привод, Распыление, Очистка, Увлажнение…

Связь воды и пара, давления и температуры

Насыщение (сухого) пара результат процесса, когда вода нагревается до температуры кипения, а затем испаряется с дополнительным выделением тепла (скрытое отопление).

Если эта пара затем дополнительно нагревается выше точки насыщения, пар становится перегретым паром (фактическое отопление).

Насыщенный пар

Насыщенный пар образуется при температурах и давлениях, где пар (газ) и вода (жидкость) могут сосуществовать. Другими словами, это происходит, когда скорость испарения воды равна скорости конденсации.

Преимущества использования насыщенного пара для отопления

Насыщенный пар обладает многими свойствами, которые делают его отличным источником тепла, особенно при температуре 100 ° C (212 ° F) и выше.

Влажный пар

Это наиболее распространенная форма пара, которую на самом деле испытывает на себе большинство растений. Когда пар произведен, используя котел, он обычно содержит влажность от невыпаренных молекул воды, которые перенесены в распределенный пар. Даже самые лучшие котлы могут распустить пар, содержащий от 3% до 5% влажности. Когда вода подходит к состоянию насыщения и начинает испаряться, немного воды, как правило, оседает в виде тумана или капель. Это одна из ключевых причин, почему образуется конденсат из распределенных пар.

Перегретый пар

Перегретый пар создается при дальнейшем нагревании влажного или насыщенного пар вне точки насыщенного пара. Это дает пар, который имеет более высокую температуру и низкую плотность, чем у насыщенного пара при том же давлении. Перегретый пар используется в основном в двигателе / ??приводе турбины, и обычно не используется для теплопередачи.

Сверхкритическая вода

Сверхкритическая вода есть вода в состоянии, которое превышает его критическую точку: 22.1MPa, 374 ° C (3208 PSIA, 705 ° F). В критической точке, скрытая теплота пара равна нулю, а его удельный объем точно такой же, будь то жидкое или газообразное состояние. Иными словами, вода, которая находится при более высоком давлении и температуре, чем критическая точка, находится в неразличимом состоянии, которое не является ни жидкостью, ни газом.

Сверхкритических вода используется для привода турбин на электростанциях, которые требуют более высокой эффективности. Исследование сверхкритической воды выполняется с акцентом на его использование в качестве жидкости, которая имеет свойства как жидкости, так и газа, и в частности о его пригодности в качестве растворителя для химических реакций.

Различные состояния Воды

Ненасыщенные воды

Это вода в ее наиболее узнаваемом состоянии. Около 70% веса человеческого тела из воды. В жидком виде вода имеет устойчивые водородные связи в молекуле воды. Ненасыщенные воды относительно компактные, плотные, и стабильные структуры.

Насыщенный пар

Насыщенные молекулы пара невидимы. Когда насыщенный пар поступает в атмосферу, будучи вентилируемый из трубопроводов, часть его конденсируется, передавая свое тепло окружающему воздуху, и образуются клубы белого пара (крошечные капельки воды). Когда пар включает в себя эти крошечные капельки, это называется влажным паром.

В паровой системе, паровые потоки, идущие от конденсатоотводчиков часто неправильно называют насыщенными парами, в то время как это на самом деле пар вторичного вскипания. Разница между ними состоит в том, что насыщенный пар невидим сразу на выходе из трубы, в то время как облако пара содержит видимые капли воды, которые мгновенно в нем образуются.

Перегретый пар

Перегретый пар не будет конденсироваться, даже если он вступает в контакт с атмосферой и на него воздействуют перепады температуры. В результате, облака пара не образуются.

Перегретый пар сохраняет больше тепла, чем насыщенный пар при том же давлении, и движение его молекул происходит быстрее, поэтому он имеет более низкую плотность (т. е. его удельный объем больше).

Сверхкритическая вода

Хотя не возможно сказать визуальным наблюдением, это — вода в форме, которая не является ни жидкой, ни газообразной. Общее представление имеет молекулярное движение, которое является близко к тому из газа, и плотности, которая ближе к той из жидкости.

Хотя нельзя сказать, путем визуального наблюдения, это вода в какой форме, она не является ни жидкой, ни газообразной. Общее представление имеет молекулярное движение, близкое к газу, а плотность такой воды ближе к жидкости.

В данном материале мы рассмотрим Водяной пар , который является газообразным состоянием воды.

Газообразное состояние относится к трем основным агрегатным состояниям воды, встречающихся в природе в естественных условиях. Детально этот вопрос рассмотрен в материале .

Водяной пар

Чистый водяной пар не имеет ни цвета, ни вкуса. Наибольшее скопление пара наблюдается в тропосфере.

Водяно́й пар — вода, содержащаяся в атмосфере в газообразном состоянии. Количество водяного пара в воздухе сильно меняется; наибольшее его содержание – до 4 %. Водяной пар невидим; то, что называют паром в быту (пар от дыхания на холодном воздухе, пар от кипения воды и т. п.), – это результат конденсации водяного пара, как и туман. Количество водяного пара определяет важнейшую для состояния атмосферы характеристику – влажность воздуха.

География. Современная иллюстрированная энциклопедия. - М.: Росмэн. Под редакцией проф. А. П. Горкина. 2006.

Как образуется водяной пар

Водяной пар образуется в результате «парообразования». Парообразование происходит в результате двух процессов – испарения или кипения. При испарении пар образуется только на поверхности вещества, при кипении же пар образуется по всему объему жидкости, о чем и свидетельствуют пузырьки, активно поднимающиеся вверх во время процесса кипения. Кипение воды происходит при температурах которые зависят от химического состава водного раствора и атмосферного давления, температура кипения остается неизменной на протяжении всего процесса. Пар , образующийся в результате кипения, называется насыщенным. Насыщенный пар в свою очередь подразделяется на насыщенный сухой и насыщенный влажный пар. Насыщенный влажный пар состоит из взвешенных капелек воды, температура которых находится на уровне кипения, и соответственно самого пара, а насыщенный сухой пар не содержит капелек воды.

Так же существует «перегретый пар», который образуется при дальнейшем нагреве влажного пара, этот вид пара обладает более высокой температурой и более низкой плотностью.

Водяной пар является незаменимым элементом такого важного для нашей планеты процесса как .

С паром мы постоянно сталкиваем в ежедневной жизни, он появляется — над носиком чайника при кипении воды, при глажке, при посещении бани… Однако не забывайте, что, как мы уже отмечали выше, чистый водяной пар не имеет ни цвета, ни вкуса. Благодаря своим физическим свойствам и качествам, пар уже давным-давно нашел свое практическое применение в хозяйственной деятельности человека. И не только в быту, но и при решении больших глобальных задач. Долгое время пар был главной движущей силой прогресса как в прямом так и в переносном смысле этого выражения. Он использовался как рабочее тело паровых машин, самой известной из которых является ПАРОВОЗ.

Использование пара человеком

Пар и в наше время широко используется в хозяйственных и производственных нуждах:

• в целях гигиены;
• в лечебных целях;
• для тушения пожаров;
• используются тепловые свойства пара (пар как теплоноситель) – паровые котлы; паровые рубашки (автоклавов и реакторов); разогрев «смерзающихся» материалов; теплообменники; отопительные системы; пропарка бетонных изделий; в особого рода теплообменниках … ;
• используют трансформацию энергии пара в движение – паровые машины … ;
• стерилизация и дезинфекция – пищевая промышленность, сельское хозяйство, медицина … ;
• пар как увлажнитель — в производстве железобетонных изделий; фанеры; в пищевой промышленности; в химической и парфюмерной промышленности; в деревообрабатывающих производствах; в сельскохозяйственном производстве … ;

Подводя итоги, отметим, что, несмотря на всю свою «незаметность», водяной пар является не только важным элементом глобальной эко-системы Земли, но так же и весьма полезным веществом для хозяйственной и экономической деятельности человека.

ВОДЯНОЙ ПАР . Паром называется газообразное тело, получающееся из жидкости при соответствующих температуре и давлении. Все газы м. б. обращены в жидкое состояние, и поэтому трудно провести границу между газами и парами. В технике паром считают газообразное тело, состояние которого недалеко от обращения в жидкость. Т. к. в свойствах газов и паров имеются значительные различия, то это различие терминов вполне целесообразно. Водяные пары являются важнейшими из паров, применяемых в технике. Они употребляются, как рабочее тело, в паровых двигателях (паровых машинах и паровых турбинах) и для целей нагревания и отопления. Свойства пара чрезвычайно различны, смотря по тому, находится ли пар в смеси с той жидкостью, из которой получается, или он отделен от нее. В первом случае пар называется насыщенным, во втором случае - перегретым . В технике первоначально применялся почти исключительно насыщенный пар, в настоящее время в паровых двигателях находит самое широкое применение перегретый пар, свойства которого поэтому тщательно изучаются.

I. Насыщенный пар . Процесс испарения лучше уясняется графическими изображениями, например, диаграммой в координатах р, v (удельное давление в кг/см 2 и удельный объем в м 3 /кг). На фиг. 1 изображен схематически процесс испарения для 1 кг воды. Точка а 2 изображает состояние 1 кг воды при 0° и давлении р 2 , причем абсцисса этой точки изображает объем этого количества, ордината - давление, под которым находится вода.

Кривая а 2 аа 1 показывает изменение объема 1 кг воды при повышении давления. Давления в точках а 2 , а, а 1 соответственно равны р 2 , р, р 1 кг 1см 2 . Фактически это изменение чрезвычайно мало, и в технических вопросах можно считать удельный объем воды не зависящим от давления (т. е. линию а 2 аа 1 можно принимать за прямую, параллельную оси ординат). Если нагревать взятое количество воды, сохраняя давление постоянным, то температура воды повышается, и при некоторой величине ее начинается испарение воды. При нагревании воды удельный объем ее, теоретически говоря, несколько увеличивается (по крайней мере, начиная с 4°, т. е. от температуры наибольшей плотности воды). Поэтому точки начала испарения при разных давлениях (р 2 , р, р 1) будут лежать на некоторой другой кривой b 2 bb 1 . Фактически это увеличение объема воды при повышении температуры незначительно, и потому при невысоких давлениях и температурах можно принимать удельный объем воды за постоянную величину. Удельные объемы воды в точках b 2 , b, b 1 обозначаются соответственно через v" 2 , v", v" 1 ; кривая b 2 bb 1 называется нижней предельной кривой. Температура, при которой начинается испарение, определяется тем давлением, под которым находится нагреваемая вода. За все время испарения эта температура не изменяется, если давление остается постоянным. Отсюда следует, что температура насыщенного пара есть функция только давления р. Рассматривая какую-либо линию, изображающую процесс испарения, например bcd, видим, что объем смеси пара и жидкости в процессе испарения возрастает по мере увеличения количества испарившейся воды. В некоторой точке d вся вода исчезает, и получается чистый пар; точки d для разных давлений образуют некоторую кривую d 1 dd 2 , которая называется верхней предельной кривой , или кривой сухого насыщенного пара ; пар в этом состоянии (когда только что закончилось испарение воды) называется сухим насыщенным паром . Если продолжать нагревание после точки d (по направлению к некоторой точке е), оставляя давление постоянным, то температура пара начинает повышаться. В этом состоянии пар называется перегретым. Таким образом получаются три области: правее линии d 1 dd 2 - область перегретого пара, между линиями b 1 bb 2 и d 1 dd 2 - область насыщенного пара и левее линии b 1 bb 2 - область воды в жидком состоянии. В какой-либо промежуточной точке с имеется смесь пара и воды. Для характеристики состояния этой смеси служит количество х содержащегося в ней пара; при весе смеси в 1 кг (равном весу взятой воды) эта величина х называется пропорцией пара в смеси , или паросодержанием смеси ; количество воды в смеси будет равно (1-x) кг. Если v" м 3 /кг - удельный объем сухого насыщенного пара при температуре t и давлении р кг/см 2 , а объем воды при тех же условиях v", то объем смеси v найдется по формуле:

Объемы v" и v", а следовательно, и их разность v"-v" суть функции давления р (или температуры t).

Вид функции, определяющей зависимость р от t для водяного пара, очень сложен; существует много эмпирических выражений для этой зависимости, которые все, однако, годятся лишь для некоторых ограниченных интервалов независимой переменной t. Реньо для температур от 20 до 230° дает формулу:

В настоящее время часто пользуются формулой Дюпре-Герца (Dupre-Hertz):

где k, m и n - постоянные.

Шюле дает эту формулу в следующем виде:

причем для температуры:

а) между 20 и 100°

(р - в кг/см 2 , Т - абсолютная температура пара);

б) между 100 и 200°

в) между 200 и 350°

Характер кривой давления р пара как функции температуры виден на фиг. 2.

В практике пользуются непосредственно таблицами, дающими связь между р и t. Таблицы эти составляются на основании точных опытов. Для нахождения удельных объемов сухого насыщенного пара имеется теоретически выводимая формула Клапейрон-Клаузиуса. Можно пользоваться также эмпирической формулой Молье:

Количество тепла q, необходимое для нагревания 1 кг воды от 0 до t° (начала испарения), выражается так:

где с - теплоемкость воды, в широких пределах мало отличающаяся от единицы; поэтому пользуются приближенной формулой:

Однако уже Реньо убедился в заметном возрастании с при высоких температурах и дал для q выражение:

В новейшее время для с даются такие данные (формула Дитеричи):

Для средней теплоемкости с m в интервале от 0 до t° дано выражение:

Несколько отклоняются от этой формулы данные опытов германского физико-технического института, наблюдения которого дают следующие значения с:

Для обращения в пар воды, нагретой до температуры, нужно еще затратить некоторое количество тепла r, которое называется скрытой теплотой испарения . В настоящее время эту затрату теплоты разделяют на 2 части: 1) теплоту Ψ, идущую на внешнюю работу увеличения объема при переходе воды в пар (внешнюю скрытую теплоту испарения), и 2) теплоту ϱ, идущую на внутреннюю работу разъединения молекул, происходящую при испарении воды (внутреннюю скрытую теплоту испарения). Внешняя скрытая теплота испарения

где А = 1/427 - тепловой эквивалент механической работы.

Таким образом

Для r дается следующая формула (основанная на опытах германского физико-технического института):

Полная теплота испарения λ, т. е. количество тепла, необходимое для обращения воды, взятой при 0°, в пар при температуре t, равна, очевидно, q+r. Реньо дал для λ следующую формулу:

эта формула дает результаты, близкие к новейшим опытным данным. Шюле дает:

Внутренняя энергия u воды при 0° принимается равной нулю. Для нахождения приращения ее при нагревании воды нужно выяснить характер изменения удельного объема воды при изменении давления и температуры, т. е. вид кривых а 2 аа 1 и b 2 bb 1 (фиг. 1). Простейшим предположением будет принятие этих линий за прямые, и притом совпадающие друг с другом, т. е. принятие удельного объема воды v" за постоянную величину, не зависящую ни от давления, ни от температуры (v" = 0,001 м 3 /кг). При этом предположении вся теплота, идущая на нагревание жидкости, т. е. q, идет на повышение внутренней энергии (так как внешней работы при этом нагревании не совершается). Это предположение годится, однако, только для сравнительно невысоких давлений (таблицы Цейнера даны до давлений в 20 кг/см 2). Современные таблицы (Молье и др.), доходящие до критического давления (225 кг/см 2) и температуры (374°) не могут, конечно, игнорировать изменения объема воды (удельный объем воды при критическом давлении и критической температуре равен 0,0031 м 2 /кг, т. е. в три с лишним раза больше, чем при 0°). Но Стодола и Кноблаух показали, что приведенная у нас выше формула Дитеричи для величины q дает именно величины изменения внутренней энергии (а не величины q); впрочем, разница между этими величинами до давления в 80 кг/см 2 незначительна. Поэтому полагаем для воды внутреннюю энергию равной теплоте жидкости: u" = q. За период испарения внутренняя энергия повышается на величину внутренней скрытой теплоты испарения ϱ, т. е. энергия сухого насыщенного пара будет: (фиг. 3).

Для смеси с пропорцией пара х получим следующее выражение:

Зависимость теплоты испарения и давления от температуры графически дана на фиг. 3.

Молье ввел в техническую термодинамику термодинамическую функцию i, определяемую уравнением и называемую теплосодержанием . Для смеси с пропорцией пара х это даст:

или, после приведения:

для воды (x = 0) получается:

для сухого насыщенного пара:

Величина произведения APv" очень мала по сравнению даже с величиной q (и тем более по сравнению с величиною q + r = λ); поэтому можно принять

В таблицах Молье даются поэтому не величины q и λ, а величины i" и i" в функции р или t°. Энтропия насыщенного пара находится по своему дифференциалу выражение dQ для всех тел имеет вид:

Для насыщенного водяного пара

Первый член представляет собой приращение энтропии воды при ее нагревании, второй член - приращение энтропии смеси во время испарения. Полагая

получим или, интегрируя:

Заметим, что при вычислении s" изменением удельного объема v" обыкновенно тоже пренебрегают и полагают Для решения всех вопросов, касающихся насыщенных паров, пользуются таблицами. В прежнее время в технике находили применение таблицы Цейнера, в настоящее время они являются устарелыми; можно пользоваться таблицами Шюле, Кноблауха или Молье. Во всех этих таблицах давления и температуры доведены до критического состояния. В таблицы включены следующие данные: температура и давление насыщенного пара, удельный объем воды и пара и удельный вес пара, энтропия жидкости и пара, теплосодержание воды и пара, полная скрытая теплота испарения, внутренняя энергия, внутренняя и внешняя скрытая теплота. Для некоторых вопросов (касающихся, например, конденсаторов) составляются специальные таблицы с малыми интервалами давлений или температуры.

Из всех изменений пара особенный интерес представляет адиабатическое изменение; оно м. б. изучено по точкам. Пусть дана (фиг. 4) начальная точка 1 адиабаты, определяемая давлением р 1 и пропорцией пара x 1 ; требуется определить состояние пара в точке 2, лежащей на адиабате, проходящей через точку 1 и определяемой давлением р 2 . Для нахождения х 2 выражают условие равенства энтропий в точках 1 и 2:

В этом уравнении величины s" 1 , r 1 /T 1 , s" 2 и r 2 /T 2 находятся по данным давлениям р 1 и р 2 , пропорция пара х 1 задана, и неизвестен только х 2 . Удельный объем v -2 в точке 2 определится по формуле:

Величины v"" 2 и v" 2 находятся из таблиц. Внешняя работа рассматриваемого адиабатического изменения находится по разности внутренних энергий вначале и конце изменения:

Для упрощения вычислений часто пользуются при изучении адиабатического изменения эмпирическим уравнением Цейнера, который выражает адиабату как политропу:

Показатель степени μ выражается через начальную пропорцию пара х 1 так:

Формула эта применима в пределах от x 1 = 0,7 до x 1 = 1. Адиабатическое расширение при начальной высокой пропорции пара, выше 0,5, сопровождается обращением части пара в воду (уменьшением x); при начальных пропорциях пара, меньших 0,5, адиабатическое расширение сопровождается, наоборот, испарением части воды. Формулы для остальных случаев изменения насыщенного пара находятся во всех учебниках технической термодинамики.

II. Перегретый пар . Внимание к перегретому пару привлечено было еще в 60-х годах прошлого столетия в результате опытов Гирна, показавших значительную выгоду при применении перегретого пара в паровых машинах. Но особенного распространения перегретый пар достиг после создания В. Шмитом особых конструкций перегревателей специально для получения пара высокого перегрева (300-350°). Эти перегреватели нашли широкое приложение сначала (1894-95 гг.) в стационарных паровых машинах, затем в паровозных машинах и в 20 веке - в паровых турбинах. В настоящее время почти ни одна установка не обходится без применения перегретого пара, причем перегрев доводится до 400-420°. Для возможности рационального применения столь высокого перегрева самые свойства перегретого пара были тщательно изучены. Первоначальная теория перегретого пара дана была Цейнером; она опиралась на немногочисленные опыты Реньо. Ее основные положения: 1) особый вид уравнения состояния, отличающегося от уравнения для идеальных газов добавочным членом, который является функцией только давления; 2) принятие для теплоемкости с р при постоянном давлении постоянного значения: с р = 0,48. Оба эти предположения не подтвердились в опытах над свойствами перегретого пара, произведенных в более широких пределах. Особое значение получили обширные опыты Мюнхенской лаборатории технической физики, начатые около 1900 г. и продолжающиеся и в настоящее время. Новая теория перегретого пара была дана в 1900-1903 гг. Каллендером в Англии и Молье в Германии, но и она не явилась окончательной, так как выражение для теплоемкости при постоянном давлении, получаемое из этой теории, не вполне согласуется с новейшими опытными данными. Поэтому появился целый ряд новых попыток построения уравнения состояния для перегретого пара, которое бы более согласовалось с результатами опытов. Из этих попыток известность получило уравнение Эйхельберга. Окончательное завершение эти попытки нашли в новой теории Молье (1925-1927 гг.), поведшей к составлению его последних таблиц. Молье принимает очень выдержанную систему обозначений, которой мы отчасти пользовались выше. Обозначения Молье: Р - давление в кг/м 2 абс., р - давление в кг/см 2 абс., v - удельный объем в м 3 /кг, γ = 1/v удельный вес в кг/м 3 , t - температура от 0°, Т = t° + 273° - абсолютная температура, А = 1/427 - тепловой эквивалент механической работы, R = 47,1 - газовая постоянная (для паров воды), s - энтропия, i - теплосодержание в Cal/кг, u = i–APv - внутренняя энергия в Cal/кг, ϕ = s – i/T, с р - теплоемкость при постоянном давлении, c ii p = 0,47 – предельная величина c p при p = 0.

Значки " и " относятся собственно к воде и к сухому насыщенному пару. Из уравнения Молье

при помощи формул, вытекающих из I и II закона термодинамики, получаются все важнейшие величины, характеризующие перегретый пар, т. е, s, i, u и с р. Молье вводит следующие вспомогательные функции температуры:

При помощи этих функций получаются следующие выражения:

Формулы для нахождения удельного объема и прочих величин для перегретого пара довольно сложны и неудобны для вычислений. Поэтому новейшие таблицы Молье заключают в себе вычисленные значения важнейших величин, характеризующих перегретый пар в функции от давления и температуры. При помощи таблиц Молье довольно просто и с достаточной точностью решаются все задачи, касающиеся перегретого пара. Надо еще заметить, что для адиабатического изменения перегретого пара в известных пределах (до 20-25 кг/см 3) сохраняет свое значение уравнение политропического вида: pv 1,3 = Const. Наконец, многие вопросы, касающиеся перегретого пара, м. б. решены при помощи графических приемов, особенно при помощи диаграммы IS Молье. На этой диаграмме помещены кривые постоянных давлений, постоянных температур и постоянных объемов. Т. о. можно прямо из диаграммы получать значения v, s, i в функции давления и температуры. Адиабаты изображаются на этой диаграмме прямыми линиями, параллельными оси ординат. Особенно просто находятся разности величин теплосодержания, соответствующие началу и концу адиабатического расширения; эти разности необходимы для нахождения скоростей истечения пара.