3. Водна пара и нейните свойства

3.1. Водна пара. Основни понятия и определения.

Една от най-разпространените работни течности в парни турбини, парни машини, атомни електроцентрали, охлаждаща течност в различни топлообменници е водна пара. Пара - газообразно тяло в състояние близко до кипяща течност. изпаряване Процесът на преминаване на вещество от течно състояние в състояние на пара. Изпарение - изпаряване, което винаги се случва при всяка температура от повърхността на течността. При определена температура, в зависимост от естеството на течността и налягането, под което се намира, започва изпаряване в цялата маса на течността. Този процес се нарича кипене . Обратният процес на изпаряване се нарича кондензация . Освен това работи при постоянна температура. Процесът, при който твърдото вещество се превръща директно в пара, се нарича сублимация . Обратният процес на преминаване на парите в твърдо състояние се нарича десублимация . Когато течността се изпарява в ограничено пространство (в парните котли), едновременно се получава обратното явление - кондензация на парата. Ако скоростта на кондензация стане равна на скоростта на изпарение, тогава се установява динамично равновесие. Парата в този случай има максимална плътност и се нарича наситена пара . Ако температурата на парата е по-висока от температурата на наситена пара със същото налягане, тогава се нарича такава пара прегрял . Разликата между температурата на прегрятата пара и температурата на наситената пара при същото налягане се нарича степен на прегряване . Тъй като специфичният обем на прегрятата пара е по-голям от специфичния обем на наситената пара, плътността на прегрятата пара е по-малка от плътността на наситената пара. Следователно, прегрятата пара е ненаситена пара . В момента на изпаряване на последната капка течност в ограничено пространство, без промяна на температурата и налягането, а суха наситена пара . Състоянието на такава пара се определя от един параметър - налягане. Механичната смес от сухи и малки капчици течност се нарича мокра пара . Масовата част на сухата пара в мократа пара се нарича степен на сухота –х.

х\u003d m cn / m ch,

m cn - масата на суха пара във влажна; m vp - маса на мокра пара. Масовата част на течността във влажна пара се нарича степен на влажност –при.

при= 1 – .

За кипяща течност при температура на насищане  = 0, за суха пара –  = 1.

3.2 Влажен въздух. Абсолютна и относителна влажност.

Атмосферният въздух се използва широко в техниката: като работен флуид (във въздушни хладилни агрегати, климатици, топлообменници и сушилни) и като съставна част за изгаряне на гориво (в двигатели с вътрешно горене, газотурбинни инсталации, парогенератори).

Сух въздух наричан въздух, който не съдържа водни пари. Атмосферният въздух винаги съдържа водни пари.

влажен въздух е смес от сух въздух и водна пара.

В топлотехниката някои газообразни тела се наричат ​​пара. Така например водата в газообразно състояние се нарича водна пара, амоняк - амонячна пара.

Нека разгледаме по-подробно термодинамичните свойства на водата и парата. (1-6).

Образуването на пара от едноименната течност става чрез изпаряване и кипене . Между тези процеси има фундаментална разлика. Изпарението на течността става само от откритата повърхност. Отделни молекули с висока скорост преодоляват привличането на съседни молекули и излитат в околното пространство. Скоростта на изпарение се увеличава с температурата на течността. Същността на кипенето е, че образуването на пара възниква главно в обема на самата течност поради нейното изпаряване вътре в мехурчетата пара. Съществуват следните състояния на водната пара:

мокра пара;

суха наситена пара;

прегрята пара.

Атмосферният въздух (влажният въздух) може да бъде:

пренаситен влажен въздух;

наситен влажен въздух;

ненаситен влажен въздух.

пренаситен Влажният въздух е смес от сух въздух и влажна водна пара. Природен феномен е мъглата. Наситен Влажният въздух е смес от сух въздух и суха наситена водна пара. ненаситени Влажният въздух е смес от сух въздух и прегрята водна пара.

Трябва да се отбележат фундаментално различни значения на термина „мокър“ по отношение на пара и въздух. Парата се нарича мокра, ако съдържа фино диспергирана течност. Влажният въздух във всички случаи, представляващи интерес за технологията, съдържа прегрята или суха наситена водна пара. В общия случай влажният въздух може да съдържа и влажна водна пара (например облаци), но този случай не представлява технически интерес и не се разглежда допълнително.

В атмосферния (влажен) въздух всеки компонент е под собствено парциално налягане, има температура, равна на температурата на влажния въздух и е равномерно разпределен в целия обем.

Термодинамичните свойства на влажния въздух като газова смес от сух въздух и водна пара се определят по законите, характерни за идеалните газове.

Изчисляването на процеси с влажен въздух обикновено се извършва при условие, че количеството сух въздух в сместа не се променя. Променливата е количеството водна пара, съдържащо се в сместа. Следователно специфичните стойности, характеризиращи влажния въздух, се отнасят за 1 kg сух въздух.

Налягането на влажния въздух се определя от закона на Далтон:

Р=Рв+Рп, (3.1)

Където Pv е парциалното налягане на сухия въздух, kPa; Pp е парциалното налягане на водните пари, kPa.

Нека напишем уравнението на Клапейрон - Менделеев

мокър въздух PV=MRT; (3.2)

суха въздух P B V=M B R B T; (3.3)

вода пара P P V=M P R P T, (3.4)

където V е обемът на влажния въздух, m 3; M, M V, M P - маса съответно на влажен, сух въздух и водна пара, kg; R, R V, R P – газова константа съответно на влажен, сух въздух и водна пара, kJ/(kgK); T е абсолютната температура на влажния въздух, K.

Абсолютна влажност на въздуха - количеството водна пара, съдържащо се в 1 m 3 влажен въздух. Обозначава се с  P и се измерва в kg / m 3 или g / m 3. С други думи, това представлява плътността на водната пара във въздуха:  P \u003d R P / (R P T). Очевидно е, че

 P \u003d M P / V, където V е обемът на влажния въздух с маса M.

Относителна влажност  е отношението на абсолютната влажност на въздуха в дадено състояние към абсолютната влажност на наситения въздух (H) при същата температура.

По отношение на стойността : могат да се отбележат две характерни състояния на въздуха<100 %, при этом Р П <Р Н и водяной пар перегретый, а влажный воздух ненасыщенный;=100 %, при этом Р П =Р Н и водяной пар сухой насыщенный, а влажный воздух насыщенный. Температура, до которой необходимо охлаждать ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал сухим насыщенным, называется температурой точки росы t Н.

3.3 азd - диаграма на влажен въздух

За първи път id - диаграма за влажен въздух е предложена от проф. ДОБРЕ. Рамзин. В момента се използва при изчисленията на климатични, сушилни, вентилационни и отоплителни системи. Vid - диаграмата по абсцисата показва съдържанието на влага d, g / kg сух въздух, а по ординатата - специфичната енталпия на влажен въздух i, kJ / kg сух въздух. За по-удобно подреждане на отделните линии, начертани на id - диаграмата, тя е изградена в наклонени координати, в които абсцисната ос е начертана под ъгъл 135 ° спрямо оста y.

При това разположение на координатните оси линиите i=const, които трябва да са успоредни на оста x, вървят под наклон. За удобство на изчисленията стойностите на d се свеждат до хоризонталната координатна ос.

Правите d=const са под формата на прави линии, успоредни на оста y, т.е. вертикално. В допълнение, изотермите t C =const, t M =const (пунктирани линии в диаграмата) са нанесени на id.-диаграмата в линията на постоянни стойности на относителна влажност (започвайки от .=5% до =100 %). Линиите на постоянни стойности на относителната влажност =const се изграждат само до изотермата 100 °, т.е. докато парциалното налягане на парите във въздуха P P е по-малко от атмосферното налягане P. В момента, когато P P стане равно на P, тези линии губят физически смисъл, което се вижда от уравнение (10), в което при P P = P съдържанието на влага е d=const.

Кривата на постоянна относителна влажност =100% разделя цялата диаграма на две части. Тази част от нея, която се намира над тази линия, е зона с ненаситен влажен въздух, в която парата е в прегрято състояние. Частта от диаграмата под линията =100% е площта на наситения влажен въздух.

Тъй като при =100% показанията на сухите и мокрите термометри са еднакви, t C =t M , то изотермите t C =t M =const се пресичат на правата =100%..

За да намерите точка на диаграмата, съответстваща на състоянието на даден влажен въздух, е достатъчно да знаете два от параметъра му от тези, показани на диаграмата. При провеждане на експеримент е препоръчително да се използват тези параметри, които се измерват по-лесно и по-точно в експеримента. В нашия случай тези параметри са температурата на сухите и мокрите крушки.

Познавайки тези температури, можете да намерите пресечната точка на съответните изотерми на диаграмата. Така намерената точка ще определи състоянието на влажния въздух, а от id - диаграмата можете да определите всички останали параметри на въздуха: съдържание на влага - d; относителна влажност -, енталпия на въздуха -i; парциално налягане на парите - R P, температура на точката на оросяване - t M.

ВОДНА ПАРА В АТМОСФЕРАТА

ВЛАЖНОСТ НА ВЪЗДУХА. ХАРАКТЕРИСТИКИ НА СЪДЪРЖАНИЕТО НА ВОДНА ПАРА В АТМОСФЕРАТА

Влажността е количеството водна пара в атмосферата. Водната пара е един от най-важните компоненти на земната атмосфера.

Водните пари непрекъснато навлизат в атмосферата поради изпаряването на водата от повърхността на резервоари, почва, сняг, лед и растителност, което изразходва средно 23% от слънчевата радиация, идваща на земната повърхност.

Атмосферата съдържа средно 1,29 1013 тона влага (водна пара и течна вода), което е еквивалентно на 25,5 mm воден слой.

Влажността на въздуха се характеризира със следните величини: абсолютна влажност, парциално налягане на водните пари, налягане на наситените пари, относителна влажност, дефицит на насищане на водни пари, температура на оросяване и специфична влажност.

Абсолютна влажност a (g / m3) - количеството водна пара, изразено в грамове, съдържащо се в 1 m3 въздух.

Парциално налягане (еластичност) на водната пара e - действителното налягане на водната пара във въздуха, измерено в милиметри живачен стълб (mm Hg), милибари (mb) и хектопаскали (hPa). Налягането на водната пара често се нарича абсолютна влажност. Тези различни понятия обаче не могат да бъдат объркани, тъй като отразяват различни физически количества атмосферен въздух.

Налягането на наситените водни пари или еластичността на насищане, E е максималната възможна стойност на парциалното налягане при дадена температура; измерено в същите единици като е. Еластичността на насищане нараства с повишаване на температурата. Това означава, че въздухът при по-висока температура може да задържи повече водна пара, отколкото при по-ниска температура.

Относителната влажност f е отношението на парциалното налягане на водните пари, съдържащи се във въздуха, към налягането на наситените водни пари при дадена температура. Обикновено се изразява като процент до най-близкото цяло число:

Относителната влажност на въздуха изразява степента на насищане на въздуха с водни пари.

Дефицит на насищане на водна пара (дефицит на насищане) d е разликата между еластичността на насищане и действителната еластичност на водната пара:

= д- д.

Дефицитът на насищане се изразява в същите единици и със същата точност като стойностите e и E. С увеличаването на относителната влажност дефицитът на насищане намалява и при / = 100% става равен на нула.

Тъй като E зависи от температурата на въздуха, а e - от съдържанието на водна пара в него, дефицитът на насищане е комплексна величина, която отразява съдържанието на топлина и влага във въздуха. Това дава възможност дефицитът на насищане да се използва по-широко в сравнение с други характеристики на влага за оценка на условията на отглеждане на селскостопански растения.

Точка на оросяване td (°C) - температурата, при която водните пари, съдържащи се във въздуха при дадено налягане, достигат състояние на насищане по отношение на химически чиста равна повърхност на водата. При /= 100% действителната температура на въздуха е равна на точката на оросяване. При температури под точката на оросяване започва кондензация на водни пари с образуване на мъгли, облаци и образуване на роса, скреж и скреж върху повърхността на земята и предметите.

Специфична влажност q (g / kg) - количеството водна пара в грамове, съдържащо се в 1 kg влажен въздух:

р= 622 e/R,

където e е еластичността на водната пара, hPa; P е атмосферно налягане, hPa.

Специфичната влажност се взема предвид при зоометеорологичните изчисления, например при определяне на изпарението от повърхността на дихателните органи на селскостопанските животни и при определяне на съответните енергийни разходи.

ПРОМЕНИ В ХАРАКТЕРИСТИКИТЕ НА ВЛАЖНОСТТА НА ВЪЗДУХА В АТМОСФЕРАТА С НАДМОРСКАТА ВИСОЧИНА

Най-голямото количество водна пара се съдържа в долните слоеве на въздуха, непосредствено до повърхността на изпарението. Водната пара прониква в горните слоеве в резултат на турбулентна дифузия.

Проникването на водна пара в горните слоеве се улеснява от факта, че тя е 1,6 пъти по-лека от въздуха (плътността на водната пара по отношение на сухия въздух при 0 "C е 0,622), следователно въздухът, обогатен с водна пара, като по-малко плътен, има тенденция да се издига нагоре.

Разпределението на еластичността на водната пара по вертикалата зависи от изменението на налягането и температурата с височина, от процесите на кондензация и образуване на облаци. Следователно е трудно теоретично да се установи точният модел на промените в еластичността на водната пара с височина.

Парциалното налягане на водните пари намалява с височина 4-5 пъти по-бързо от атмосферното налягане. Вече на надморска височина от 6 км парциалното налягане на водните пари е 9 пъти по-малко, отколкото на морското равнище. Това се обяснява с факта, че водната пара непрекъснато навлиза в повърхностния слой на атмосферата в резултат на изпарение от активната повърхност и нейната дифузия поради турбулентност. Освен това температурата на въздуха намалява с височината и възможното съдържание на водна пара е ограничено от температурата, тъй като понижаването й допринася за насищането на парата и нейната кондензация.

Намаляването на налягането на парите с височина може да се редува с неговото увеличаване. Например, в инверсионен слой налягането на парите обикновено се увеличава с височина.

Относителната влажност е неравномерно разпределена по вертикалата, но средно намалява с височината. В повърхностния слой на атмосферата през летните дни той донякъде се увеличава с височина поради бързото понижаване на температурата на въздуха, след това започва да намалява поради намаляване на подаването на водни пари и отново се увеличава до 100% в слоя за образуване на облаци . В инверсионните слоеве тя рязко намалява с височина в резултат на повишаване на температурата. Относителната влажност се променя особено неравномерно до височина 2...3 km.

ДНЕВНО И ГОДИШНО ИЗМЕНЕНИЕ НА ВЛАЖНОСТТА НА ВЪЗДУХА

В приземния слой на атмосферата се наблюдава добре изразена денонощна и годишна вариация на влагосъдържанието, свързана със съответните периодични промени на температурата.

Дневният ход на еластичността на водната пара и абсолютната влажност над океаните, моретата и крайбрежните райони на сушата е подобен на дневния ход на температурата на водата и въздуха: минимум преди изгрев слънце и максимум в 14...15 часа. се дължи на много слабото изпарение (или липсата му изобщо) по това време на деня. През деня, с повишаване на температурата и съответно изпарение, съдържанието на влага във въздуха се увеличава. Това е същият денонощен ход на еластичността на водната пара над континентите през зимата.

През топлия сезон, в дълбините на континентите, дневната вариация на съдържанието на влага има формата на двойна вълна (фиг. 5.1). Първият минимум настъпва рано сутрин заедно с температурния минимум. След изгрев слънце температурата на активната повърхност се повишава, скоростта на изпарение се увеличава и количеството водна пара в ниските слоеве на атмосферата бързо нараства. Такъв растеж продължава до 8-10 часа, докато изпарението преобладава над преноса на парите отдолу към по-високите слоеве. След 8-10 часа интензивността на турбулентното смесване се увеличава, във връзка с което водните пари бързо се прехвърлят нагоре. Това изтичане на водна пара вече няма време да бъде компенсирано чрез изпаряване, в резултат на което съдържанието на влага и следователно еластичността на водната пара в повърхностния слой намалява и достига втория минимум на 15–16 часа след началото на атмосфера чрез изпаряване все още продължава. Налягането на парите и абсолютната влажност на въздуха започват да се повишават и достигат втори максимум към 20-22 часа. През нощта изпарението почти спира, което води до намаляване на съдържанието на водни пари.

Годишният ход на еластичността на водната пара и абсолютната влажност съвпадат с годишния ход на температурата на въздуха както над океана, така и над сушата. В Северното полукълбо максималната влажност на въздуха се наблюдава през юли, минималната - през януари. Например в Санкт Петербург средното месечно налягане на парата през юли е 14,3 hPa, а през януари - 3,3 hPa.

Дневният ход на относителната влажност зависи от налягането на парите и еластичността на насищане. С повишаване на температурата на повърхността на изпаряване, скоростта на изпарение се увеличава и следователно се увеличава e. Но E расте много по-бързо от e, следователно, с повишаване на температурата на повърхността, а с нея и температурата на въздуха, относителната влажност намалява [вж. формула (5.1)]. В резултат на това неговият ход в близост до земната повърхност се оказва обратен на повърхностните и въздушните температури: максималната относителна влажност настъпва преди изгрев слънце, а минималната - в 15 часа (фиг. 5.2). Денонощното му намаляване е особено изразено над континентите през лятото, когато в резултат на турбулентна дифузия на парите нагоре e близо до повърхността намалява и поради повишаване на температурата на въздуха E се увеличава. Следователно амплитудата на дневните колебания на относителната влажност на континентите е много по-голяма, отколкото над водните повърхности.

В годишния ход относителната влажност на въздуха по правило също се променя в посока, обратна на температурата. Например в Санкт Петербург средната относителна влажност през май е 65%, а през декември - 88% (фиг. 5.3). В райони с мусонен климат минималната относителна влажност се наблюдава през зимата, а максималната през лятото поради летния пренос на маси от влажен морски въздух към сушата: например във Владивосток през лятото /= 89%, през зимата /= 68%.

Ходът на дефицита на насищане с водна пара е успореден на хода на температурата на въздуха. През деня дефицитът е най-голям към 14-15 часа, а най-малък – преди изгрев слънце. През годината дефицитът на насищане с водни пари има максимум в най-горещия месец и минимум в най-студения. В сухите степни райони на Русия през лятото в 13:00 часа се наблюдава дефицит на насищане над 40 hPa годишно. В Санкт Петербург дефицитът на насищане с водна пара през юни е средно 6,7 hPa, а през януари - само 0,5 hPa

ВЛАЖНОСТ НА ВЪЗДУХА В РАСТИТЕЛНАТА ПОКРИВКА

Голямо влияние върху влажността на въздуха оказва растителното покритие. Растенията изпаряват голямо количество вода и по този начин обогатяват повърхностния слой на атмосферата с водни пари, в него се наблюдава повишено съдържание на влага във въздуха в сравнение с голата повърхност. Това се улеснява и от намаляването на скоростта на вятъра от растителната покривка и следователно от турбулентната дифузия на парите. Това е особено изразено през деня. Налягането на парите вътре в короните на дърветата в ясни летни дни може да бъде с 2...4 hPa повече, отколкото на открито, в някои случаи дори 6...8 hPa. В агрофитоценозите е възможно да се увеличи еластичността на парата в сравнение с парното поле с 6...11 hPa. Вечер и през нощта влиянието на растителността върху съдържанието на влага е по-малко.

Растителността също оказва голямо влияние върху относителната влажност. И така, в ясни летни дни, вътре в културите от ръж и пшеница, относителната влажност е 15 ... над гола почва. При културите най-високата относителна влажност се наблюдава на повърхността на почвата, засенчена от растения, а най-ниската - в горния слой на листата (Таблица 5.1). Вертикално разпределение на относителната влажност и дефицит на насищане

Дефицитът на насищане с водни пари, съответно, в културите е много по-малък, отколкото при гола почва. Разпределението му се характеризира с намаляване от горния слой на листата към долния (виж таблица 5.1).

По-рано беше отбелязано, че растителната покривка значително влияе върху радиационния режим (виж гл. 2), температурата на почвата и въздуха (виж гл. 3 и 4), като значително ги променя в сравнение с открито пространство, т.е. в завод общност, собствен, специален метеорологичен режим - фитоклимат. Колко силно е изразено зависи от вида, хабитуса и възрастта на растенията, гъстотата на засаждане, начина на засяване (засаждане).

Влияят върху фитоклимата и метеорологичните условия - при облачно и ясно време фитоклиматичните особености са по-силно изразени.

СТОЙНОСТТА НА ВЛАЖНОСТТА НА ВЪЗДУХА ЗА СЕЛСКОСТОПАНСКАТА ПРОИЗВОДСТВО

Съдържащата се в атмосферата водна пара е, както беше отбелязано в глава 2, от голямо значение за поддържане на топлината на земната повърхност, тъй като тя абсорбира топлината, излъчвана от нея. Влажността е един от елементите на времето, който е от съществено значение за селскостопанското производство.

Влажността на въздуха има голямо влияние върху растението. Той до голяма степен определя интензивността на транспирацията. При висока температура и ниска влажност (/"< 30 %) транспирация резко увеличивается и у растений возникает большой недостаток воды, что отражается на их росте и развитии. Например, отмечается недоразвитие генеративных органов, задерживается цветение.

Ниската влажност по време на периода на цъфтеж предизвиква изсъхване на прашеца и съответно непълно оплождане, което при житните култури например предизвиква чрез зърното. По време на периода на напълване на зърното прекомерната сухота на въздуха води до факта, че зърното се оказва слабо, добивът намалява.

Ниското съдържание на влага във въздуха води до дребноплодни плодове, ягодоплодни култури, грозде, лошо полагане на пъпки за реколтата през следващата година и следователно намаляване на добива.

Влажността също влияе върху качеството на реколтата. Отбелязва се, че ниската влажност намалява качеството на ленените влакна, но подобрява качеството на печене на пшеницата, техническите свойства на лененото масло, съдържанието на захар в плодовете и др.

Особено неблагоприятно е намаляването на относителната влажност на въздуха при липса на почвена влага. Ако горещото и сухо време продължи дълго време, растенията могат да изсъхнат.

Продължителното повишаване на влажността (/> 80%) също оказва негативно влияние върху растежа и развитието на растенията. Прекомерно високата влажност на въздуха причинява едроклетъчна структура на растителната тъкан, което впоследствие води до полягане на зърнените култури. По време на периода на цъфтеж такава влажност на въздуха предотвратява нормалното опрашване на растенията и намалява добива, тъй като прашниците се отварят по-малко, полетът на насекомите намалява.

Повишената влажност на въздуха забавя настъпването на пълна зрялост на зърното, повишава съдържанието на влага в зърното и сламата, което, първо, влияе неблагоприятно върху работата на комбайните, и второ, изисква допълнителни разходи за сушене на зърното (Таблица 5.2).

Намаляването на дефицита на насищане до 3 hPa или повече води до почти спиране на прибирането на реколтата поради лоши условия.

През топлия сезон повишената влажност на въздуха допринася за развитието и разпространението на редица гъбични заболявания на селскостопанските култури (късна болест по картофи и домати, мана по грозде, бяло гниене по слънчоглед, различни видове ръжда на зърнени култури и др. ). Влиянието на този фактор особено се увеличава с повишаване на температурата (Таблица 5.3).

5.3. Броят на растенията от пролетна пшеница Цезий 111, засегнати от глави, в зависимост от влажността и температурата на въздуха

В топлинния баланс на селскостопанските животни и хората преносът на топлина е свързан с влажността на въздуха. При температури на въздуха под 10 ° C високата влажност засилва топлообмена на организмите, а при високи температури го забавя.

Свойства на водната пара

Като истински газ считаме водната пара, която се използва широко в много отрасли на техниката и най-вече в топлоенергетиката, където е основният работен флуид. Следователно изследването на термодинамичните свойства на водата и водните пари е от голямо практическо значение.

Във всички области на промишленото производство се използват широко парите на различни вещества: вода, амоняк, въглероден диоксид и др. От тях най-широко се използва водната пара, която е работна течност в парни турбини, парни машини, атомни централи, охлаждаща течност в различни топлообменници и др.

Процесът на преминаване на вещество от течно състояние в газообразно състояние се нарича изпаряване. чрез изпаряваненаречено изпаряване, което винаги се случва при всяка температура от свободната повърхност на течност или твърдо вещество. Процесът на изпаряване се състои в това, че отделните молекули преодоляват привличането на съседни молекули с висока скорост и излитат в околното пространство. Скоростта на изпарение се увеличава с температурата на течността.

Процесът на кипене се състои в това, че ако към течността се подаде топлина, тогава при определена температура, в зависимост от физичните свойства на работния флуид и налягането, процесът на изпаряване се извършва както на свободната повърхност на течността, така и вътре в нея .

Преминаването на веществото от газообразно състояние в течно или твърдо състояние се нарича кондензация.Процесът на кондензация, както и процесът на изпаряване, протичат при постоянна температура, ако налягането не се променя. Течността, получена в резултат на кондензация на пара, се нарича кондензат.

Процесът, при който твърдото вещество се превръща директно в пара, се нарича сублимация.Обратният процес на преминаване на парите в твърдо състояние се нарича десублимация.

Процесът на изпаряване. Основни понятия и определения.Помислете за процеса на получаване на пара. За да направите това, поставяме 1 kg вода с температура 0 ° C в цилиндър с подвижно бутало. Нека приложим някаква постоянна сила към буталото отвън Р.Тогава, с площта на буталото F, налягането ще бъде постоянно и равно на p = P/F.Нека изобразим процеса на изпаряване, т.е. превръщането на веществото от течно състояние в газообразно състояние, в p, vдиаграма (фиг. 14).

Ориз. 14. Процесът на изпаряване в pv-диаграма

Първоначално състояние на вода под налягане Р и с температура 0 ° C, е изобразен на диаграмата с точки a 1, a 2, a 3 . Когато водата се нагрява, нейната температура постепенно се повишава, докато достигне точката на кипене t s , съответстваща на това налягане. В този случай специфичният обем на течността първо намалява, достига минимална стойност при t = 4 ° C и след това започва да нараства. (Такава аномалия - увеличаване на плътността при нагряване в определен температурен диапазон - малко течности имат). За повечето течности специфичният обем се увеличава монотонно при нагряване.) Състоянието на течността, доведена до точката на кипене, е изобразено на диаграмата с точки b 1, b 2, b 3 .

При допълнително подаване на топлина водата започва да кипи със силно увеличаване на обема. Сега цилиндърът съдържа двуфазна среда - смес от вода и пара, наречена мокра наситена пара. Наситен наречена пара, която е в термично и динамично равновесие с течността, от която е образувана.Динамичното равновесие е, че броят на молекулите, излитащи от водата в парното пространство, е равен на броя на молекулите, кондензиращи на нейната повърхност. В парното пространство в това равновесно състояние има максималния възможен брой молекули при дадена температура. С повишаването на температурата броят на молекулите с енергия, достатъчна да излязат в парното пространство, се увеличава. Равновесието се възстановява поради увеличаване на налягането на парите, което води до увеличаване на тяхната плътност и следователно на броя на молекулите, кондензиращи на повърхността на водата за единица време. От това следва, че налягането на наситената пара е монотонно нарастваща функция на нейната температура или, което е същото, температурата на наситената пара е монотонно нарастваща функция на нейното налягане.

С увеличаване на обема над повърхността на течността, която има температура на насищане, определено количество течност преминава в пара, с намаляване на обема "излишната" пара отново преминава в течност, но и в двата случая налягането на парите остава постоянно .

Ако изпарението на течност се случи в неограничено пространство, тогава всичко може да се превърне в пара. Ако изпаряването на течността става в затворен съд, тогава молекулите, излизащи от течността, запълват свободното пространство над нея, докато някои от молекулите, движещи се в парното пространство над повърхността, се връщат обратно в течността. В някакъв момент между изпаряването и обратния преход на молекулите от пара към течност може да възникне равенство, при което броят на молекулите, напускащи течността, е равен на броя на молекулите, които се връщат обратно в течността. В този момент максималният възможен брой молекули ще бъде в пространството над течността. Парите в това състояние приемат максимална плътност при дадена температура и се наричат наситен.

Така парата в контакт с течност и в топлинно равновесие с нея се нарича наситена. При промяна на температурата на течността равновесието се нарушава, което води до съответно изменение на плътността и налягането на наситените пари.

Двуфазна смес, която представлява пара със суспендирани в нея капчици течност, се наричамокра наситена пара. По този начин влажната наситена водна пара може да се разглежда като смес от суха наситена пара с малки водни капчици, суспендирани в нейната маса.

Масовата част на сухата наситена пара в мократа пара се нарича степен на сухота на парата и се обозначава с буквата Х.Масова част от вряща вода във влажна пара, равна на 1- Х,наречена степен на влажност. За кипене на течност х= 0, а за суха наситена пара x= 1. Състоянието на мократа пара се характеризира с два параметъра: налягане (или температура на насищане t s , което определя това налягане) и степента на сухота на парата.

Тъй като се доставя топлина, количеството на течната фаза намалява, а парната фаза се увеличава. Температурата на сместа остава непроменена и равна на t s , тъй като цялата топлина се изразходва за изпаряване на течната фаза. Следователно процесът на изпаряване на този етап е изобарно-изотермичен. Накрая последната капка вода се превръща в пара и цилиндърът се пълни само с пара, която се нарича суха наситена.

Наситена пара, в която няма суспендирани частици от течната фаза, се наричасуха наситена пара. Неговият специфичен обем и температура са функции на налягането. Следователно състоянието на сухата пара може да се задава чрез всеки от параметрите - налягане, специфичен обем или температура.

Състоянието му се представя от точки c 1 , c 2 , c 3 .

Точките представляват прегрята пара. Когато се придаде топлина на суха пара при същото налягане, нейната температура ще се повиши, парата ще прегрее. Точка d (d 1 , d 2 , d 3) изобразява състоянието на прегрята пара и в зависимост от температурата парата може да лежи на различни разстояния от точка c.

По този начин, прегрял нарича се пара, чиято температура надвишава температурата на наситена пара със същото налягане.

Тъй като специфичният обем на прегрятата пара при същото налягане е по-голям от този на наситената пара, има по-малко молекули на единица обем прегрята пара, което означава, че тя има по-ниска плътност. Състоянието на прегрятата пара, както всеки газ, се определя от всеки два независими параметъра.

Процесът на получаване на суха наситена пара при постоянно налягане най-общо се изобразява с графиката abc, а прегрятата пара в общия случай - с графиката abcd, докато ab е процесът на нагряване на водата до точката на кипене, bc е процесът на изпаряване протичащи едновременно при постоянно налягане и при постоянна температура, т.е. процесът bc е изобарен и изотермичен едновременно, и накрая, cd е процес на прегряване на пара при постоянно налягане, но при нарастваща температура. Между точки b и c има мокра пара с различни междинни стойности на степента на сухота.

Крива I на студена вода е представена от линия, успоредна на оста y, като се приема, че водата е несвиваема и следователно специфичният обем вода е почти независим от налягането. Крива II се нарича крива на долната граница или крива на течността, а крива III се нарича крива на горната граница или крива на суха наситена пара. Крива II разделя областта на течността от областта на наситената пара в диаграмата, а крива III разделя областта на наситената пара от областта на прегрятата пара.

Точките a 1 , a 2 и a 3 , изобразяващи състоянието на 1 kg студена вода при температура 0 °C и различни налягания, са разположени почти на един и същ вертикал. Точките b 1 , b 2 и b 3 се изместват надясно с увеличаване на налягането, тъй като температурите на кипене t H и, следователно, специфичните обеми на кипяща вода също се увеличават съответно. Точките c 1 , c 2 и c 3 се изместват наляво, така че с увеличаване на налягането специфичният обем пара намалява въпреки повишаването на температурата.

От pv-диаграмата се вижда, че с увеличаване на налягането точките b 1, b 2 и b 3 и c 1 с 2 и с 3 се приближават, т.е. разликата в специфичните обеми суха наситена пара и вряща вода постепенно намалява (сегменти bc). Накрая при определено налягане тази разлика става равна на нула, т.е. точките b и c съвпадат, а линиите II и III се събират. Срещната точка на двете криви се нарича критична точка и се обозначава с буквата k. Състоянието, съответстващо на точката k, се нарича критично състояние.

Параметрите на водната пара в критично състояние са както следва: налягане p k = 225,65 ata; температура t \u003d 374,15 ° C, специфичен обем v K \u003d 0,00326 m 3 / kg.

В критичната точка врящата вода и парата имат еднакви параметри на състоянието и промяната в агрегатното състояние не е придружена от промяна в обема. С други думи, в критично състояние условната граница, разделяща тези две фази на материята, изчезва. При температури над критичната (t > t K) прегрятата пара (газ) не може да се превърне в течност чрез никакво повишаване на налягането.

Критичната температура е максималната възможна температура за съвместното съществуване на две фази: течност и наситена пара. При температури над критичната е възможна само една фаза. Името на тази фаза (течност или прегрята пара) е до известна степен произволно и обикновено се определя от нейната температура. Всички газове са силно прегрети над T cr двойки. Колкото по-висока е температурата на прегряване (при дадено налягане), толкова по-близки са свойствата на парата до идеален газ.

Вода, водна пара и техните свойства

вода- най-разпространеното вещество на Земята, е химическа комбинация от водород и кислород. Водата е отличен разтворител и следователно всички природни води са разтвори, съдържащи различни вещества - соли, газове и други примеси.
Водата и водните пари се използват най-широко в промишлеността като работен флуид и охладител. Това се дължи преди всичко на наличието, дължащо се на разпространението на водата в природата, както и на факта, че водата и водните пари имат относително добри термодинамични характеристики.
Така че специфичният топлинен капацитет на водата е по-висок в сравнение с много течности и твърди вещества (когато температурата се повиши до точката на кипене, т.е. в температурния диапазон 0 ... 100 ° C при атмосферно налягане c \u003d 4,19 kJDkg-K) ). За разлика от други течни и твърди тела, топлопроводимостта на водата се увеличава в зависимост от налягането с повишаване на температурата до 120 ... 140 ° C и намалява с по-нататъшно повишаване на температурата. Най-високата плътност на водата (1000 g/cm3) се достига при 4°C. Точка на топене (топене на лед) 0 °С.
Промяната на агрегатното състояние на водата от течно в газообразно се нарича изпарение, а от газообразно в течно - кондензация.
Превръщането на течна вода в пара - изпаряване - е възможно по време на изпаряване и когато водата кипи.
Изпаряване на вода - процесът на изпаряване чрез отделяне и изпаряване на водни молекули от откритата й повърхност, протичащ при температура под точката на кипене при дадено налягане. Когато се изпаряват от повърхността на течността, молекулите се откъсват и отлитат, като се увеличават спрямо равновесната стойност на скоростите на движение, в резултат на което средната скорост на молекулите в масата на течността намалява и като в резултат температурата на цялата маса вода намалява.
Когато се подава топлина към течната маса, т.е. когато водата се нагрява, нейната температура и скорост на изпарение се увеличават и идва момент, съответстващ на определени стойности на температурата и налягането, когато започва изпарението в обема на водата - водата кипи.
Кипенето на водата е процес на интензивно изпарение не само на нейната свободна повърхност, но и вътре в образувалите се парни мехурчета, при определена температура на нагряване на водата, наречена точка на кипене. При атмосферно налягане точката на кипене е приблизително 100°C; с увеличаване на налягането точката на кипене се повишава.
Количеството топлина, което трябва да се докладва на 1 kg вода за нейното превръщане от течно състояние в състояние на пара при точката на кипене, се нарича латентна топлина на изпаряване r. С увеличаване на налягането латентната топлина на изпаряване намалява (Таблица 1.1).

Кондензация- обратният процес на превръщане на парите в течност. Тази течност се нарича кондензат. Този процес е придружен от отделяне на топлина. Количеството топлина, отделено по време на кондензацията на 1 kg пара, се нарича топлина на кондензация на пара, числено е равно на латентната топлина на изпаряване.

водна пара- вода в газообразно агрегатно състояние. Водната пара с максимална плътност при дадено налягане се нарича наситена. Наситена е парата, която е в термодинамично равновесие с течната фаза, т.е. има същата температура и налягане като вряща вода. Наситената водна пара може да бъде мокра или суха. В обема на мократа наситена пара под формата на малки капчици има вода, която се образува при разрушаването на обвивките на парните мехурчета. Сухата наситена пара не съдържа водни капки, характеризира се с температура на насищане. Свойствата на наситената пара (плътност, специфичен топлинен капацитет и др.) се определят само от налягането. Парата, чиято температура за определено налягане надвишава температурата на наситената пара, се нарича прегрята. Температурната разлика между прегрята и суха наситена пара при едно и също налягане се нарича прегряване на парата.
Съотношението на масата на сухата наситена пара към масата на мократа наситена пара се нарича съдържание на пара или степента на сухота на парата x. Тази важна характеристика на мократа наситена водна пара определя съотношението на парата в сместа пара-вода, където y е пропорцията на течността:
X = 1 - y.
Отделянето на водни капки от пара се нарича сепарация, а устройствата, предназначени за тази цел, се наричат ​​сепаратори.
Енталпията на мократа наситена пара hx, kJ/kg, се изразява по отношение на степента на сухота, както следва:
hx= h" + rx,
където h "е енталпията на водата при точката на кипене, kJ / kg.
Таблица 1.1
Свойства на вода и суха наситена пара в зависимост от налягането

Енталпия на прегрята пара/gpp, kJ/kg: