Водяной пар


Водяной пар.

 

 

Водяной пар – газообразное агрегатное состояние воды. Не имеет цвета, вкуса и запаха.

 

Водяной пар в воздухе, плотность водяного пара

Насыщенный и ненасыщенный водяной пар. Влажный и сухой пар. Пересыщенный и перегретый пар

Образование водяного пара. Конденсация водяного пара

Использование водяного пара

 




Водяной пар в воздухе, плотность водяного пара:

Водяной пар – газообразное агрегатное состояние воды.

Водяной пар не имеет цвета, вкуса и запаха.

Водяной пар, как и вода, – это бинарное неорганическое соединение с химической формулой H2O.

Молекула водяного пара, как и молекула воды, состоит из двух атомов водорода и одного – кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью.

Водяной пар содержится в воздухе – в атмосфере Земли (в основном в тропосфере). Концентрация водяного пара в воздухе (в атмосфере Земли) составляет в среднем 0,25  % по массе от массы всей атмосферы Земли. Концентрация водяного пара в воздухе (в атмосфере Земли) по объему (в пересчете на сухой воздух) значительно варьируется от примерно 0,0001 % по объему в самых холодных частях атмосферы до 5% по объему в горячих, влажных воздушных массах.

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

Плотность водяного пара (m/V) находится с использованием уравнения Клайперона – Менделеева (уравнения состояния идеального газа):

Водяной пар

где

p – давление газа,

V – объём газа,

R – универсальная газовая постоянная, R ≈ 8,314 Дж/(моль⋅К),

T – термодинамическая температура газа, К,

m – масса газа,

M – молярная масса газа,

m/V – плотность газа.

Водяной пар.

 


Насыщенный и ненасыщенный водяной пар. Влажный и сухой пар. Пересыщенный и перегретый пар:

Над поверхностью воды всегда есть водяные пары, которые образуются в результате ее испарения испарения. При этом из-за диффузии часть молекул пара возвращается обратно в жидкость.

Процесс испарения жидкости еще называется парообразованием. А обратный процесс превращения пара в жидкость – конденсацией. Эти два процесса иллюстрируют фазовый переход – процесс перехода веществ из одного агрегатного состояния в другое: из жидкого в газообразное и наоборот.

Если число молекул водяного пара, покидающих жидкость за единицу времени, больше числа молекул водяного пара, возвращающихся в жидкость обратно за тот же промежуток времени, то пар называется ненасыщенным.

Иными словами, ненасыщенный водяной пар – водяной пар, не достигший динамического равновесия (не термодинамического!) со своей жидкостью. При данной температуре давление ненасыщенного пара всегда меньше давления насыщенного пара. При наличии над поверхностью жидкости ненасыщенного пара процесс парообразования преобладает над процессом конденсации, и потому жидкости в сосуде с течением времени становится все меньше и меньше.

Если число молекул водяного пара, покидающих жидкость за единицу времени, равно числу молекул водяного пара, возвращающихся в жидкость за тот же промежуток времени, то пар называется насыщенным.

Иными словами, насыщенный водяной пар – водяной пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью: скорость испарения водяного пара равна скорости его конденсации. Такая ситуация возможна, если, например, ограничить объем над поверхностью воды.

Таким образом, в условиях динамического равновесия при определенной температуре в определенном объёме может находиться только определенное количество молекул пара. Во-вторых, в условиях динамического равновесия давление пара постоянно. Т.е. у насыщенного пара при одной и той же температуре большего давления и большей концентрации молекул пара достичь невозможно. Давление насыщенного пара имеет единственное значение, зависящее только от его температуры. Его значение при различных температурах можно найти в справочных таблицах.

Водяной пар обладает особенностью, заключающейся в том, что давление водяного пара не может превышать давление насыщенного водяного пара.

Для водяного пара вводится понятие относительной влажности φ, являющееся степенью его насыщенности. Чем ближе пар к насыщению, тем ближе к единице его относительная влажность. Для ненасыщенного пара φ < 1, для насыщенного φ = 1.

Насыщенный пар в свою очередь подразделяется на насыщенный сухой и насыщенный влажный пар. Насыщенный влажный пар состоит из виде взвешенных мелкодисперсных частиц воды, температура которых находится на уровне кипения, и соответственно самого пара, а насыщенный сухой пар не содержит капелек воды.

Существуют также перегретый пар и пересыщенный пар.

Пересыщенный пар (перенасыщенный пар, переохлажденный пар) – пар, давление которого превышает давление насыщенного пара при данной температуре. Пересыщенный пар может быть получен путём увеличения давления пара в объёме, свободном от центров конденсации (пылинок, ионов, капелек жидкости малых размеров и т. д.) либо путём охлаждения насыщенного пара при тех же условиях.

Состояние пересыщенного пара является метастабильным, то есть такое состояние пара способно существовать длительное время, однако оно является термодинамически неустойчивым. Так, при появлении каких-либо центров конденсации часть пара конденсируется, давление оставшегося пара падает, и он переходит в устойчивое состояние насыщенного пара над сконденсировшейся жидкостью. Устанавливается динамическое равновесие между жидкой и газообразной фазами.

Перегретый пар – пар, нагретый до температуры, превышающей температуру кипения при данном давлении.

Его получают путём нагрева насыщенного пара выше точки насыщения  (температуры кипения при данном давлении) в специальных устройствах – пароперегревателях.

Использование перегретого пара позволяет значительно поднять КПД паровой установки, в которой он используется.

Перегретый пар обладает следующими основными свойствами и преимуществами:

– при одинаковом давлении с насыщенным паром имеет значительно бо́льшую температуру и теплосодержание;

– имеет больший удельный объём в сравнении с насыщенным паром, то есть объём 1 кг перегретого пара при том же давлении больше объема 1 кг насыщенного пара. Поэтому в паровых машинах для получения необходимой мощности перегретого пара по массе потребуется меньше, что даёт экономию в расходе воды и топлива;

– перегретый пар при охлаждении не конденсируется; конденсация при охлаждении наступает лишь тогда, когда температура перегретого пара станет ниже температуры насыщенного пара при данном давлении.

 


Образование водяного пара. Конденсация водяного пара:

Водяной пар может быть получен в результате испарения или кипения жидкой воды, а также в результате сублимации льда. При испарении пар образуется только на поверхности вещества, при кипении же пар образуется по всему объему жидкости.

В обычных атмосферных условиях водяной пар непрерывно образуется в результате  испарения и конденсируется в жидкое состояние.

Кипение воды происходит при температурах, которые зависят от химического состава водного раствора и атмосферного давления.

При нормальном давлении окружающей среды 1 атм. (101,325 кПа) вода кипит при 100 °C. Температура кипения остается неизменной на протяжении всего процесса. Так, если в оставшуюся воду подается энергия (тепло), она испаряется без дальнейшего повышения температуры. Из 1 литра (соответственно 1 кг) воды образуется 1673 литра водяного пара (в нормальных условиях), для чего требуются затраты энергии 2257 кДж.

При поступлении водяного пара в воздух он, как и все другие газы, создаёт определённое давление, называемое парциальным. Парциальное давление (лат. partialis – «частичный» от pars – «часть») – давление отдельно взятого компонента газовой смеси. Общее давление газовой смеси является суммой парциальных давлений её компонентов.

Обратные образованию водяного пара процессы именуются конденсацией и десублимацией. Водяной пар будет конденсироваться на другую поверхность только тогда, когда эта поверхность будет более холодной, чем температура точки росы, или когда равновесие водяного пара в воздухе будет превышено.

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

 


Использование водяного пара:

Благодаря своим уникальным свойствам, водяной пар получил широкое распространение в разнообразной деятельности человека:

– в промышленности в качестве теплоносителя, рабочего тела в паровых машинах и турбинах,

– как очистительный агент при паровой очистке;

– в качестве огнетушащего вещества в системах паротушения;

– в кулинарии для приготовления блюд «на пару»;

– для стерилизации медицинских и микробиологических инструментов так называемым методом автоклавирования.

 

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

 





Найти что-нибудь еще?










Похожие записи:



карта сайта