3. Водяна пара та її властивості

3.1. Водяна пара. Основні поняття та визначення.

Одним з поширеним робочим тілом у парових турбінах, парових машинах, в атомних установках, теплоносієм у різних теплообмінниках є водяна пара. Пар - газоподібне тіло в стані, близьке до окропу. Пароутворення – процес перетворення речовини з рідкого стану на пароподібний. Випаровування - Пароутворення, що відбувається завжди при будь-якій температурі з поверхні рідини. При певної певної температури, що залежить від природи рідини і тиску, під яким вона знаходиться, починається пароутворення у всій масі рідини. Цей процес називається кипінням . Зворотний процес пароутворення називається конденсацією . Вона також протікає за постійної температури. Процес переходу твердої речовини безпосередньо в пар називається сублімацією . Зворотний процес переходу пари у твердий стан називається десублімацією . При випаровуванні рідини в обмеженому просторі (у парових казанах) одночасно відбувається зворотне явище – конденсація пари. Якщо швидкість конденсації стане рівною швидкості випаровування, настає динамічна рівновага. Пара в цьому випадку має максимальну щільність і називається насиченою парою . Якщо температура пари вище температури насиченої пари того ж тиску, то така пара називається перегрітим . Різниця між температурою перегрітої пари та температурою насиченої пари того ж тиску називається ступенем перегріву . Так як питомий об'єм перегрітої пари більший за питомий об'єм насиченої пари, то щільність перегрітої пари менша за щільність насиченої пари. Тому перегріта пара є ненасиченою парою . У момент випаровування останньої краплі рідини в обмеженому просторі без зміни температури та тиску утворюється суха насичена пара . Стан такої пари визначається одним параметром – тиском. Механічна суміш сухого та дрібних крапельок рідини називається вологою парою . Масова частка сухої пари у вологій парі називається ступенем сухості –х.

х= m сп/m вп,

m сп - маса сухої пари у вологому; m вп - маса вологої пари. Масова частка рідини у вологій парі називається ступенем вологості –у.

у= 1 – .

Для киплячої рідини при температурі насичення  = 0, для сухої пари –  = 1.

3.2 Вологе повітря. Абсолютна та відносна вологість.

Атмосферне повітря широко використовується в техніці: як робоче тіло (у повітряних холодильних установках, кондиціонерах, теплообмінниках та сушильних пристроях) та складової частини для горіння палива (у двигунах внутрішнього згоряння, газотурбінних установках, у парогенераторах).

Сухим повітрям називається повітря, що не містить водяної пари. В атмосферному повітрі завжди міститься кілька водяної пари.

Вологим повітрям називається суміш сухого повітря з водяною парою.

У теплотехніці деякі газоподібні тіла заведено називати парою. Так, наприклад, вода в газоподібному стані називається водяною парою, аміак – аміачною парою.

Розглянемо докладніше термодинамічні властивості води та водяної пари. (1-6).

Утворення пари з однойменної рідини відбувається за допомогою випаровування та кипіння . Між цими процесами існує важлива різниця. Випаровування рідини відбувається лише з відкритої поверхні. Окремі молекули, що мають велику швидкість, долають тяжіння сусідніх молекул і вилітають у навколишній простір. Інтенсивність випаровування зростає зі збільшенням температури рідини. Сутність кипіння полягає в тому, що генерація пари відбувається в основному в обсязі рідини за рахунок випаровування її всередину бульбашок пари. Розрізняють такі стани водяної пари:

волога пара;

суха насичена пара;

перегріта пара.

Атмосферне повітря (вологе повітря) може бути:

пересичене вологе повітря;

насичене вологе повітря;

ненасичене вологе повітря.

Пересичений вологе повітря – суміш сухого повітря та вологої водяної пари. Явище у природі – туман. Насичений вологе повітря – суміш сухого повітря та сухої насиченої водяної пари. Ненасичений вологе повітря – суміш сухого повітря та перегрітої водяної пари.

Слід зазначити принципово різні значення терміна “вологий” стосовно пари і до повітря. Пара називається вологою, якщо містить дрібнодисперсну рідину. Вологе повітря у всіх цікавих для техніки випадках містить перегріту або суху насичену водяну пару. У загальному випадку вологе повітря може містити і вологу водяну пару (наприклад, хмари), але цей випадок технічного інтересу не представляє і далі не розглядається.

В атмосферному (вологі) повітрі кожен компонент знаходиться під своїм парціальним тиском, має температуру, рівну температурі вологого повітря і рівномірно розподілений по всьому об'єму.

Термодинамічні властивості вологого повітря як газової суміші сухого повітря та водяної пари визначаються за закономірностями, характерними для ідеальних газів.

Розрахунок процесів з вологим повітрям зазвичай проводиться за умови, що кількість сухого повітря у суміші не змінюється. Змінною величиною є кількість водяної пари, що міститься в суміші. Тому питомі величини, що характеризують вологе повітря, належать до 1 кг сухого повітря.

Тиск вологого повітря визначається за законом Дальтона:

Р = Рв + Рп, (3.1)

Де Рв – парціальний тиск сухого повітря, кПа; Рп - парціальний тиск водяної пари, кПа.

Запишемо рівняння Клапейрона - Менделєєва

вологий повітря PV=MRT; (3.2)

сухий повітря P B V = M B R B T; (3.3)

водяний пар Р П V = M П R П Т, (3.4)

де V - обсяг вологого повітря, м3; М, М В, М П – маса відповідно вологого, сухого повітря та водяної пари, кг; R, R, R П – газова постійна відповідно вологого, сухого повітря і водяної пари, кДж/(кгК); Т – абсолютна температура вологого повітря, До.

Абсолютна вологість повітря - Кількість водяної пари, що міститься в 1 м 3 вологого повітря. Вона позначається через П і вимірюється в кг/м 3 або г/м 3 . Інакше кажучи, вона є щільністю водяної пари в повітрі: П = Р П / (R П Т). Очевидно, що

 П =М П /V, де V – об'єм вологого повітря масою М.

Відносною вологістю повітря  називається відношення абсолютної вологості повітря в даному стані до абсолютної вологості насиченого повітря (Н) за тієї ж температури.

Можна відзначити два характерні стани повітря за величиною :<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 id – діаграма вологого повітря

Вперше id – діаграма для вологого повітря була запропонована проф. Л.К. Рамзіним. В даний час вона застосовується в розрахунках систем кондиціювання, сушіння, вентиляції та опалення. Вid – діаграмі по осі абсцис відкладається вологовміст d, г/кг сухого повітря, а по осі ординат - питома ентальпія вологого повітряi, кДж/кг сухого повітря. Для зручнішого розташування окремих ліній, що наносяться на id - діаграму, вона будується в косокутних координатах, в яких вісь абсцис проводиться під кутом 135 ° до осі ординат.

При такому розташуванні осей координат лінії i=const, які мають бути паралельні осі абсцис, йдуть похило. Для зручності розрахунків значення d зносять на горизонтальну вісь координат.

Лінії d=const йдуть як прямих паралельних осі ординат, тобто. вертикально. Крім того, на id.-діаграмі наносять ізотерми t С = const, t M = const (штрихові лінії на діаграмі) в лінії постійних значень відносної вологості (починаючи від. = 5% до = 100%). Лінії постійних значень відносної вологості=const будують тільки до ізотерми 100° , тобто доти, поки парціальний тиск пари в повітрі Р П менший за атмосферний тиск Р. У той момент, коли Р П стане рівним Р, ці лінії втрачають фізичний сенс, що видно з рівняння (10), в якому при Р П = Р вміст вологи d = const.

Крива постійної відносної вологості =100% поділяє всю діаграму на дві частини. Та її частина, яка розташована вище за цю лінію – область ненасиченого вологого повітря, в якому пара перебувають у перегрітому стані. Частина діаграми нижче за лінії=100% - область насиченого вологого повітря.

Оскільки при =100% показання сухого та мокрого термометрів однакові, t C =t M , то ізотерми t C =t M =const перетинаються на лінії =100%.

Щоб знайти на діаграмі точку, що відповідає стану даного вологого повітря, достатньо знати два параметри з числа зображених на діаграмі. При проведенні експерименту доцільно використовувати параметри, які простіше і точніше вимірюються у досвіді. У нашому випадку такими параметрами є температура сухого та мокрого термометрів.

Знаючи ці температури, можна знайти на діаграмі точку перетину відповідних ізотерм. Знайдена таким чином точка визначить стан вологого повітря і по id - діаграмі можна визначити всі інші параметри повітря: вміст вологи - d; відносну вологість -, ентальпію повітря -i; парціальний тиск пари – Р П, температуру точки роси – t М.

ВОДЯНА ПАР В АТМОСФЕРІ

ВОЛОГІСТЬ ПОВІТРЯ. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗМІСТ ВОДЯНОЇ ПАРИ В АТМОСФЕРІ

Вологістю повітря називають вміст водяної пари в атмосфері. Водяна пара є однією з найважливіших складових частин земної атмосфери.

Водяна пара безперервно надходить в атмосферу внаслідок випаровування води з поверхні водойм, грунту, снігу, льоду та рослинного покриву, на що витрачається в середньому 23% сонячної радіації, що приходить на земну поверхню.

В атмосфері міститься в середньому 1,29 1013 т вологи (водяної пари та рідкої води), що еквівалентно шару води 25,5 мм.

Вологість повітря характеризується такими величинами: абсолютною вологістю, парціальним тиском водяної пари, тиском насиченої пари, відносною вологістю, дефіцитом насичення водяної пари, температурою точки роси та питомою вологістю.

Абсолютна вологість а (г/м3) – кількість водяної пари, виражена в грамах, що міститься в 1 м3 повітря.

Парціальний тиск (пружність) водяної пари е - фактичний тиск водяної пари, що перебуває у повітрі, вимірюють у міліметрах ртутного стовпа (мм рт. ст.), мілібарах (мб) та гектопаскалях (гПа). Пружність водяної пари часто називають абсолютною вологістю. Проте змішувати ці різні поняття не можна, оскільки вони відбивають різні фізичні величини атмосферного повітря.

Тиск насиченої водяної пари, або пружність насичення, Е - максимально можливе значення парціального тиску при даній температурі; вимірюють у тих самих одиницях, як і е. Пружність насичення зростає зі збільшенням температури. Це означає, що при вищій температурі повітря здатне утримувати більше водяної пари, ніж при нижчій температурі.

Відносна вологість f - це відношення парціального тиску водяної пари, що міститься в повітрі, до тиску насиченої водяної пари при цій температурі. Виражають її зазвичай у відсотках з точністю до цілих:

Відносна вологість виражає ступінь насичення повітря водяними парами.

Дефіцит насичення водяної пари (недолік насичення) d - різниця між пружністю насичення та фактичною пружністю водяної пари:

= E- e.

Дефіцит насичення виражають у тих самих одиницях і з тією ж точністю, що і величини е і Е. При збільшенні відносної вологості дефіцит насичення зменшується і при 100 % стає рівним нулю.

Так як Е залежить від температури повітря, а е - від вмісту в ньому водяної пари, то дефіцит насичення є комплексною величиною, що відображає тепло - і вміст вологи. Це дозволяє ширше, ніж інші характеристики вологості, використовувати дефіцит насичення з метою оцінки умов проростання сільськогосподарських рослин.

Точка роси td (°С) - температура, при якій водяна пара, що міститься в повітрі при даному тиску, досягає стану насичення щодо хімічно чистої плоскої поверхні води. При 100% фактична температура повітря збігається з точкою роси. При температурі нижче точки роси починається конденсація водяної пари з утворенням туманів, хмар, а на поверхні землі та предметів утворюються роса, іній, паморозь.

Питома вологість q (г/кг) - кількість водяної пари в грамах, що міститься в 1 кг вологого повітря:

q= 622 е/Р,

де е - пружність водяної пари, гПа; Р-атмосферний тиск, гПа.

Питому вологість враховують у зоометеорологічних розрахунках, наприклад, щодо випаровування з поверхні органів дихання у сільськогосподарських тварин і щодо відповідних витрат енергії.

ЗМІНА ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОГИ ПОВІТРЯ В АТМОСФЕРІ З ВИСОТОЮ

Найбільша кількість водяної пари міститься в нижніх шарах повітря, безпосередньо прилеглих до поверхні, що випаровує. У шари водяна пара проникає в результаті турбулентної дифузії.

Проникненню водяної пари у вищележачі шари сприяє та обставина, що він легший за повітря в 1,6 рази (щільність водяної пари по відношенню до сухого повітря при 0 "С дорівнює 0,622), тому повітря, збагачене водяною парою, як менш щільне прагне піднятися вгору.

Розподіл пружності водяної пари по вертикалі залежить від зміни тиску та температури з висотою, від процесів конденсації та хмароутворення. Тому важко теоретично встановити точну закономірність зміни пружності водяної пари з висотою.

Парціальний тиск водяної пари з висотою зменшується в 4...5 разів швидше, ніж атмосферний тиск. Вже на висоті 6 км парціальний тиск водяної пари в 9 разів менший, ніж на рівні моря. Це тим, що у приземний шар атмосфери водяна пара надходить безперервно внаслідок випаровування з діяльної поверхні та її дифузії з допомогою турбулентності. Крім того, температура повітря з висотою знижується, а можливий вміст водяної пари обмежується температурою, оскільки зниження її сприяє насичення пари та її конденсації.

Зменшення пружності пари з висотою може чергуватись з її зростанням. Наприклад, у шарі інверсії пружність пари зазвичай зростає з висотою.

Відносна вологість розподіляється по вертикалі нерівномірно, але з висотою загалом вона зменшується. У приземному шарі атмосфери влітку вона дещо зростає з висотою за рахунок швидкого зниження температури повітря, потім починає зменшуватися внаслідок зменшення надходження водяної пари і знову зростає до 100 % у шарі утворення хмар. У шарах інверсії вона різко зменшується з висотою внаслідок підвищення температури. Особливо нерівномірно змінюється відносна вологість до висоти 2...3 км.

ДОБОВИЙ І РІЧНИЙ ХІД ВОЛОГИ ПОВІТРЯ

У приземному шарі атмосфери спостерігається добре виражений добовий та річний хід вмісту вологи, пов'язаний з відповідними періодичними змінами температури.

Добовий хід пружності водяної пари та абсолютної вологості над океанами, морями та в прибережних районах суші аналогічний добовому ходу температури води та повітря: мінімум перед сходом Сонця та максимум о 14...15 год. Мінімум обумовлений дуже слабким випаром (або його відсутністю взагалі) у цей час доби. Вдень у міру збільшення температури і відповідно випаровування вміст вологи в повітрі зростає. Такий самий добовий хід пружності водяної пари та над материками взимку.

У теплу пору року в глибині материків добовий хід вологомісту має вигляд подвійної хвилі (рис. 5.1). Перший мінімум настає рано вранці разом із мінімумом температури. Після сходу Сонця температура діяльної поверхні підвищується, збільшується швидкість випаровування і кількість водяної пари в нижньому шарі атмосфери швидко зростає. Таке зростання триває до 8...10 год, поки випаровування переважає над перенесенням пари знизу у вищі шари. Після 8...10год зростає інтенсивність турбулентного перемішування, у зв'язку з чим водяна пара швидко переноситься вгору. Цей відтік водяної пари вже не встигає компенсуватися випаром, внаслідок чого вміст вологи і, отже, пружність водяної пари в приземному шарі зменшуються і досягають другого мінімуму в 15...16 год. У передвечірні години турбулентність слабшає, тоді як досить інтенсивне надходження водяної пари в атмосферу шляхом випаровування ще триває. Пружність пари і абсолютна вологість у повітрі починають збільшуватися і в 20...22ч досягають другого максимуму. У нічний час випаровування майже припиняється, внаслідок чого вміст водяної пари зменшується.

Річний хід пружності водяної пари та абсолютної вологості збігаються з річним ходом температури повітря як над океаном, так і над сушею. У Північній півкулі максимум волого вмісту повітря спостерігається в липні, мінімум - у січні. Наприклад, у Санкт-Петербурзі середня місячна пружність пари у липні становить 14,3 гПа, а січні - 3,3 гПа.

Добовий перебіг відносної вологості залежить від пружності пари та пружності насичення. З підвищенням температури поверхні, що випаровує, збільшується швидкість випаровування і, отже, збільшується е. Але Е росте значно швидше, ніж е, тому з підвищенням температури поверхні, а з нею і температури повітря відносна вологість зменшується [див. формулу (5.1)]. У результаті хід її поблизу земної поверхні виявляється зворотним ходу температури поверхні та повітря: максимум відносної вологості настає перед сходом Сонця, а мінімум – о 15 год (рис. 5.2). Денне її зниження особливо різко виражено над континентами влітку, коли в результаті турбулентної дифузії пара вгору е у поверхні зменшується, а внаслідок зростання температури повітря Е збільшується. Тому амплітуда добових коливань відносної вологості на материках значно більша, ніж над водними поверхнями.

У річному ході відносна вологість повітря, зазвичай, також змінюється назад ходу температури. Наприклад, у Санкт-Петербурзі відносна вологість у травні в середньому становить 65%, а у грудні – 88% (рис. 5.3). У районах з мусонним кліматом мінімум відносної вологості посідає зиму, а максимум - на літо внаслідок літнього перенесення на сушу мас вологого морського повітря: наприклад, у Владивостоці влітку /= 89%, взимку/= 68 %.

Хід дефіциту насичення водяної пари паралельний ходу температури повітря. Протягом доби дефіцит буває найбільшим о 14...15 год, а найменшим перед сходом Сонця. Протягом року дефіцит насичення водяної пари має максимум у найспекотніший місяць і мінімум у найхолодніший. У посушливих степових районах Росії влітку о 13 год щорічно відзначається дефіцит насичення, що перевищує 40 гПа. У Санкт-Петербурзі дефіцит насичення водяної пари в червні в середньому становить 6,7 гПа, а в січні - лише 0,5 гПа

ВОЛОГІСТЬ ПОВІТРЯ У РОСЛИННІЙ ПОКРОВІ

Рослинний покрив дуже впливає на вологість повітря. Рослини випаровують велику кількість води і тим самим збагачують водяною парою приземний шар атмосфери, в ньому спостерігається підвищений вміст вмісту повітря в порівнянні з оголеною поверхнею. Цьому сприяє ще й зменшення рослинного покриву швидкості вітру, а отже, і турбулентної дифузії пари. Особливо різко це виражено вдень. Пружність пари всередині крон дерев у ясні літні дні може бути на 2...4 гПа більше, ніж на відкритому місці, в окремих випадках навіть на 6...8 гПа. Усередині агрофітоценозів можливе підвищення пружності пари в порівнянні з паровим полем на 6...11 гПа. У вечірні та нічні години вплив рослинності на вміст вологи менший.

Великий вплив рослинний покрив надає і відносну вологість. Так, у ясні літні дні всередині посівів жита та пшениці відносна вологість на 15...30 % більша, ніж над відкритим місцем, а в посівах високостеблових культур (кукурудза, соняшник, коноплі) - на 20...30 % більше, ніж над оголеним ґрунтом. У посівах найбільша відносна вологість спостерігається біля поверхні ґрунту, затіненого рослинами, а найменша - у верхньому ярусі листя (табл. 5.1). Розподіл по вертикалі відносної вологості та дефіциту насичення

Дефіцит насичення водяної пари відповідно в посівах значно менше, ніж над оголеним ґрунтом. Його розподіл характеризується зниженням від верхнього ярусу листя до нижнього (див. табл. 5.1).

Раніше зазначалося, що рослинний покрив значно впливає на радіаційний режим (див. гл. 2), температуру ґрунту та повітря (див. гл. 3 і 4), істотно змінюючи їх у порівнянні з відкритим місцем, тобто у рослинному співтоваристві формується свій, особливий метеорологічний режим – фітоклімат. Наскільки сильно він виражений, залежить від виду, габітусу та віку рослин, густоти насадження, способу посіву (посадки).

Впливають на фітоклімат та погодні умови – у малохмарну та ясну погоду фітокліматичні особливості виявляються сильнішими.

ЗНАЧЕННЯ ВОЛОГИ ПОВІТРЯ ДЛЯ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА

Водяна пара, що міститься в атмосфері, має, як зазначалося в розділі 2, велике значення у збереженні тепла на земній поверхні, так як він поглинає тепло, що випромінюється нею. Вологість повітря належить до елементів погоди, мають істотне значення й у сільськогосподарського виробництва.

Вологість повітря дуже впливає на рослину. Вона значною мірою зумовлює інтенсивність транспірації. При високій температурі та зниженій вологості (/"< 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.

Низька вологість у період цвітіння зумовлює пересихання пилку і, отже, неповне запліднення, що з зернових, наприклад, викликає череззерницу. У період наливу зерна надмірна сухість повітря призводить до того, що зерно виходить щуплим, урожай знижується.

Мале вологовміст повітря призводить до дрібноплідності плодових, ягідних культур, винограду, слабкої закладки нирок під урожай наступного року і, отже, зниження врожаю.

Вологість повітря відбивається і якості врожаю. Відмічено, що низька вологість знижує якість льоноволокна, але підвищує хлібопекарські якості пшениці, технічні властивості лляної олії, вміст цукру в плодах тощо.

Особливо несприятливе зниження відносної вологості повітря при нестачі ґрунтової вологи. Якщо спекотна і суха погода триває тривалий час, рослини можуть засохнути.

Негативно позначається на зростанні та розвитку рослин і тривале підвищення вмісту вологи (80 %). Надмірно висока вологість повітря обумовлює великоклітинну будову тканин рослин, що призводить в подальшому до вилягання зернових культур. У період цвітіння така вологість повітря перешкоджає нормальному запиленню рослин і знижує врожай, оскільки менше розкриваються пильовики, зменшується літ комах.

Підвищена вологість повітря затримує настання повної стиглості зерна, збільшує вміст вологи в зерні та соломі, що, по-перше, несприятливо відбивається на роботі збиральних машин, а по-друге, вимагає додаткових витрат на просушування зерна (табл. 5.2).

Зниження дефіциту насичення до 3 гПа і більше призводить практично до припинення робіт з-за поганих умов.

У теплу пору року підвищена вологість повітря сприяє розвитку та поширенню низки грибних захворювань сільськогосподарських культур (фітофтороз картоплі та томатів, мілдью винограду, біла гниль соняшнику, різні види іржі зернових культур та ін.). Особливо посилюється вплив цього чинника із підвищенням температури (табл. 5.3).

5.3. Число рослин ярої пшениці Цезіум 111, уражених головнею в залежності від вологості та температури повітря (Від вологості повітря залежать і терміни проведення ряду сільськогосподарських робіт: боротьби з бур'янами, закладки кормів на силос, провітрювання складських приміщень, сушіння зерна та ДР-

У тепловому балансі сільськогосподарських тварин та людини з вологістю повітря пов'язаний теплообмін. При температурі повітря нижче 10°С підвищена вологість посилює тепловіддачу організмів, а при високій температурі – уповільнює.

Властивості водяної пари

Як реальний газ розглянемо водяну пару, яка широко використовується в багатьох галузях техніки, і, перш за все в теплоенергетиці, де вона є основним робочим тілом. Тому дослідження термодинамічних властивостей води та водяної пари має велике практичне значення.

У всіх галузях промислового виробництва набули великого застосування пари різних речовин: води, аміаку, вуглекислоти та ін. З них найбільшого поширення набула водяна пара, яка є робочим тілом у парових турбінах, парових машинах, в атомних установках, теплоносієм у різних теплообмінниках тощо. .

Процес перетворення речовини з рідкого стану на газоподібний називається пароутворенням. Випаровуваннямназивається пароутворення, яке відбувається завжди за будь-якої температури з вільної поверхні рідини або твердого тіла. Процес випаровування полягає в тому, що окремі молекули з великими швидкостями долають тяжіння сусідніх молекул і вилітають у навколишній простір. Інтенсивність випаровування зростає зі збільшенням температури рідини.

Процес кипіння полягає в тому, що якщо до рідини підводити теплоту, то при певній температурі, яка залежить від фізичних властивостей робочого тіла і тиску, настає процес пароутворення як на вільній поверхні рідини, так і в ній.

Перехід речовини з газоподібного стану в рідкий або твердий називається конденсацією.Процес конденсації, як і процес пароутворення, протікає при постійній температурі, якщо при цьому тиск не змінюється. Рідина, отриману при конденсації пари, називають конденсат.

Процес переходу твердої речовини безпосередньо в пар називається сублімацією.Зворотний процес переходу пари у твердий стан називається десублімацією.

Процес пароутворення. Основні поняття та визначення.Розглянемо процес отримання пари. Для цього 1 кг води при температурі °С помістимо в циліндр з рухомим поршнем. Прикладемо до поршня ззовні деяку постійну силу Р.Тоді при площі поршня F тиск буде постійним і рівним р = Р/F.Зобразимо процес пароутворення, тобто перетворення речовини з рідкого стану на газоподібний, р,vдіаграмі (рис.14).

Рис. 14. Процес пароутворення в pv-діаграмі

Початковий стан води під тиском р і має температуру 0 ° С, зобразиться на діаграмі точками a 1 , a 2 , a 3 . При підведенні теплоти до води її температура поступово підвищується доти, доки досягне температури кипіння t s , що відповідає даному тиску. При цьому питома кількість рідини спочатку зменшується, досягає мінімального значення при t = 4°С, а потім починає зростати. (Такою аномалією - збільшенням щільності при нагріванні в деякому діапазоні температур - мають небагато рідин). У більшості рідин питомий об'єм при нагріванні збільшується монотонно.) Стан рідини, доведеної до температури кипіння, зображується на діаграмі точками .

При подальшому підведенні теплоти починається кипіння води із сильним збільшенням об'єму. У циліндрі тепер знаходиться двофазна середовище - суміш води і пари, звана вологою насиченою парою. Насиченим називається пара, що знаходиться в термічному та динамічному рівновазі з рідиною, з якої він утворюється.Динамічне рівновагу полягає в тому, що кількість молекул, що вилітають з води в паровий простір, дорівнює кількості молекул, що конденсуються на її поверхні. У паровому просторі при цьому рівноважному стані знаходиться максимально можливе за даної температури число молекул. При збільшенні температури кількість молекул, що мають енергію, достатню для вильоту в паровий простір, збільшується. Рівновага відновлюється за рахунок зростання тиску пари, що веде до збільшення його щільності і, отже, кількості молекул, що в одиницю часу конденсуються на поверхні води. Звідси випливає, що тиск насиченої пари є монотонно зростаючою функцією її температури, або, що те саме, температура насиченої пари є монотонно зростаюча функція її тиску.

При збільшенні об'єму над поверхнею рідини, що має температуру насичення, деяка кількість рідини переходить у пару, при зменшенні об'єму «зайва» пара знову переходить у рідину, але в обох випадках тиск пари залишається постійним.

Якщо пароутворення рідини відбувається у необмеженому просторі, то вся вона може перетворитися на пару. Якщо ж пароутворення рідини відбувається в закритій посудині, то молекули, що вилітають з рідини, заповнюють вільний простір над нею, при цьому частина молекул, що рухаються в паровому просторі над поверхнею, повертається назад в рідину. У деякий момент між пароутворенням і зворотним переходом молекул з пари в рідину може наступити рівність, при якому число молекул, що вилітають з рідини, дорівнює кількості молекул, що повертаються назад в рідину. У цей момент у просторі над рідиною буде максимально можлива кількість молекул. Пара в цьому стані приймає максимальну щільність при даній температурі і називається насиченим.

Таким чином, пара, що стикається з рідиною і знаходиться в термічному з нею рівновазі, називається насиченою. Зі зміною температури рідини рівновага порушується, викликаючи відповідну зміну щільності та тиску насиченої пари.

Двофазна суміш, що є парою з виваженими в ньому крапельками рідини, називаєтьсявологою насиченою парою. Таким чином, вологу насичену водяну пару можна розглядати як суміш сухої насиченої пари з дрібними крапельками води, зваженими в його масі.

Масова частка сухої насиченої пари у вологому називається ступенем сухості пари і позначається буквою х.Масова частка киплячої води у вологій парі, що дорівнює 1- х,називається ступенем вологості. Для киплячої рідини x= 0, а для сухої насиченої пари х= 1. Стан вологої пари характеризується двома параметрами: тиском (або температурою насичення ts, що визначає цей тиск) і ступенем сухості пари.

У міру підведення теплоти кількість рідкої фази зменшується, а паровий – зростає. Температура суміші при цьому залишається незмінною і рівною t s, тому що вся теплота витрачається на випаровування рідкої фази. Отже, процес пароутворення на цій стадії є ізобарно-ізотермічним. Нарешті, остання крапля води перетворюється на пару, і циліндр виявляється заповненим тільки парою, яка називається сухою насиченою.

Насичена пара, в якій відсутні зважені частинки рідкої фази, називаєтьсясухою насиченою парою. Його питомий об'єм та температура є функціями тиску. Тому стан сухої пари можна задати будь-яким із параметрів – тиском, питомим об'ємом чи температурою.

Стан його зображується точками c 1 2 3 .

Точками зображається перегріта пара. При повідомленні сухій парі теплоти при тому ж тиску його температура збільшуватиметься, пара перегріватиметься. Точка d (d 1 , d 2 , d 3) зображує стан перегрітої пари та залежно від температури пари може лежати на різних відстанях від точки c.

Таким чином, перегрітим називається пара, температура якого перевищує температуру насиченої пари того ж тиску.

Так як питомий об'єм перегрітої пари при тому ж тиску більше, ніж насиченого, то в одиниці об'єму перегрітої пари міститься менша кількість молекул, значить, вона має меншу щільність. Стан перегрітої пари, як і будь-якого газу, визначається двома будь-якими незалежними параметрами.

Процес отримання сухої насиченої пари при постійному тиску зображується в загальному випадку графіком abc, а перегрітої пари в загальному випадку - графіком abсd, при цьому ab - процес підігріву води до температури кипіння, bс - процес пароутворення, що протікає одночасно при постійному тиску та при постійній температурі , Т. е. процес bс є ізобарним і одночасно ізотермічним і, нарешті, cd - процес перегріву пари при постійному тиску, але при зростаючій температурі. Між точками b і з знаходиться волога пара з різними проміжними значеннями ступеня сухості.

Крива I холодної води зображується лінією, паралельної осі ординат, якщо виходити з припущення, що вода стислива і, отже, питомий об'єм води майже залежить від тиску. Криву II називають нижньою прикордонною кривою, або кривою рідини, а криву III - верхньою прикордонною кривою, або кривою сухої насиченої пари. Крива II відокремлює на діаграмі область рідини від області насиченої пари, а крива III - область насичених від області перегрітої пари.

Точки а 1 , а 2 і а 3 зображують стан 1 кг холодної води при температурі 0°С і різних тисках, розташовуються практично на одній вертикалі. Точки b 1 , b 2 і b 3 зі збільшенням тиску зміщуються вправо, так як при цьому відповідно збільшуються температури кипіння t H і, отже, питомі обсяги киплячої води. Точки c 1 , 2 і 3 зміщуються вліво, так зі збільшенням тиску питомий об'єм пари зменшується незважаючи на зростання температури.

З pv -діаграми видно, що з підвищенням тиску точки b 1 , b 2 і b 3 і c 1 з 2 і з 3 зближуються, тобто поступово зменшується різниця питомих об'ємів насиченої сухої пари і киплячої води (відрізки bc). Нарешті, при деякому тиску ця різниця стає рівною нулю, тобто точки б і з збігаються, а лінії II і III сходяться. Точка зустрічі обох кривих називається критичною точкою та позначається буквою k. Стан, що відповідає точці k, називається критичним станом.

Параметри водяної пари критичного стану такі: тиск р к = 225,65 ата; температура t = 374,15 ° С, питомий об'єм v K = 0,00326 м 3 /кг.

У критичній точці кипляча вода та пара мають однакові параметри стану, а зміна агрегатного стану не супроводжується зміною обсягу. Іншими словами, у критичному стані зникає умовна межа, що поділяє ці дві фази речовини. При температурах вище критичної (t > t K) ніяким підвищенням тиску перегріта пара (газ) не може бути перетворена в рідину.

Критична температура - це максимально можлива температура співіснування двох фаз: рідини та насиченої пари. При температурах, більших за критичну, можливе існування лише однієї фази. Назва цієї фази (рідина або перегріта пара) певною мірою умовно і визначається зазвичай її температурою. Усі гази є сильно перегрітими понад T кр парами. Чим вище температура перегріву (при цьому тиску), тим ближча пара за своїми властивостями до ідеального газу.

Вода, водяна пара та їх властивості

Вода- Найпоширеніша Землі речовина, є хімічне з'єднання водню з киснем. Вода є прекрасним розчинником, і тому всі природні води – це розчини, що містять різноманітні речовини – солі, гази та інші домішки.
Вода і водяна пара отримали найбільше застосування в промисловості як робоче тіло і теплоносій. Це пояснюється, в першу чергу, доступністю завдяки поширенню води в природі, а також тим, що вода і водяна пара мають відносно хороші термодинамічні характеристики.
Так, питома теплоємність води вища порівняно з багатьма рідинами і твердими тілами (при підвищенні температури до температури кипіння, тобто в інтервалі температур 0 ... 100 ° С при атмосферному тиску = 4,19 кДжДкг-К)). На відміну від інших рідких і твердих тіл, теплопровідність води з підвищенням температури до 120...140 °С збільшується в залежності від тиску, а при подальшому підвищенні температури - зменшується. Найбільша густина води (1,000 г/см3) досягається при 4 °С. Температура плавлення (танення льоду) 0 °С.
Зміна агрегатного стану води з рідкого в газоподібне називається пароутворенням, а з газоподібного в рідке - конденсацією.
Перетворення рідкої води на пару - пароутворення - можливе при випаровуванні та при кипінні води.
Випаровування води - процес пароутворення шляхом відриву та випаровування молекул води з відкритої її поверхні, що відбувається при температурі нижче точки кипіння при даному тиску. При випаровуванні з поверхні рідини відриваються і відлітають молекули, що мають підвищені відносно рівноважного значення швидкості руху, внаслідок чого середня швидкість руху молекул в масі рідини знижується і, як наслідок, знижується температура всієї маси води.
При підведенні теплоти маси рідини, тобто. при нагріванні води, її температура та інтенсивність випаровування збільшуються, і настає момент, що відповідає певним значенням температури та тиску, коли випаровування починається в обсязі води – вода закипає.
Кипіння води - процес інтенсивного випаровування не тільки на її вільній поверхні, але і всередині бульбашок пари, що утворюються, при певній температурі нагріву води, званої температурою кипіння. При атмосферному тиску температура кипіння становить приблизно 100 ° С, підвищенням тиску температура кипіння зростає.
Кількість теплоти, яку необхідно повідомити 1 кг води для її перетворення з рідкого стану на пароподібний при температурі кипіння, називається прихованою теплотою пароутворення. З підвищенням тиску прихована теплота пароутворення зменшується (табл. 1.1).

Конденсація- Зворотний процес перетворення пари в рідину. Таку рідину називають конденсатом. Цей процес супроводжується виділенням теплоти. Кількість теплоти, що виділяється при конденсації 1 кг пари, називається теплотою конденсації пари, вона чисельно дорівнює прихованій теплоті пароутворення.

Водяна пара- вода у газоподібному агрегатному стані. Водяна пара, що має максимальну щільність при даному тиску, називається насиченою. Насиченим є пара, що у термодинамічному рівновазі з рідкої фазою, тобто. має однакову температуру і тиск з киплячою водою. Насичена водяна пара може бути вологою і сухою. В обсязі вологої насиченої пари у вигляді дрібних крапельок знаходиться вода, яка утворюється при розриві оболонок парових бульбашок. Сухий насичений пар не містить крапельок води, він характеризується температурою насичення. Властивості насиченої пари (щільність, питома теплоємність та ін) визначаються тільки тиском. Пара, температура якого для певного тиску перевищує температуру насиченої пари, називається перегрітою. Різниця температур між перегрітою і сухою насиченою парою при тому ж тиску називається перегріванням пари.
Відношення маси сухої насиченої пари до маси вологої насиченої пари називається парозмістом, або ступенем сухості пари х. Ця важлива характеристика вологої насиченої водяної пари визначає частку пари в пароводяній суміші, де у - частка рідини:
X = 1 – у.
Відділення крапель води від пари називається сепарацією, а пристрої, призначені для цієї мети, – сепараторами.
Ентальпія вологої насиченої пари hx, кДж/кг, виражається через ступінь сухості наступним чином:
hx = h" + rx,
де h" - ентальпія води при температурі кипіння, кДж/кг.
Таблиця 1.1
Властивості води та сухої насиченої пари в залежності від тиску

Ентальпія перегрітої пари/гпп, кДж/кг: