Вода и водяной пар как рабочее тело и теплоноситель получили широкое использование в теплотехнике. Это объясняется тем, что вода и водяной пар имеют относительно хорошие термодинамические свойства и не влияют вредно на металл и живой организм. Пар образовывается из воды испарением и кипением.
Испарением называется парообразование, которое происходит только на поверхности жидкости. Этот процесс происходит при любой температуре. При испарении из жидкости вылетают молекулы, которые имеют относительно большие скорости, вследствие чего уменьшается средняя скорость движения молекул, которые остались, и уменьшается температура жидкости.
Кипением называется бурное парообразование по всей массе жидкости, происходящее при передаче жидкости через стенки сосуда определённого количества тепла.
Температура кипения воды зависит от давления, под которым находится вода, чем большее давление, тем выше температура, при которой начинается кипение воды.
Например, атмосферному давлению 760 мм. рт. ст. соответствует t = 100 0 С,чем больше давление, тем выше температура кипения, чем меньше давление, тем меньше температура кипения воды.
Если кипение жидкости происходит в закрытом сосуде, то над жидкостью образовывается пар, который имеет капельки влаги. Такой пар называется влажным насыщенным. При этом температура влажного пара и кипящей воды одинаковая и равна температуре кипения.
Если постоянно беспрерывно подавать тепло, то вся вода, включая мельчайшие капли, превратится в пар. Такой пар называется сухим насыщенным.
Количество тепла, необходимого для преобразования в пар 1 кг жидкости, нагретой до температуры кипения t к, называется скрытой теплотой парообразования (ккал/кг).
Скрытая теплота парообразования зависит от давления, при котором происходит процесс парообразования. Так, при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. скрытая теплота парообразования r = 540ккал/кг. Более высокому значению давления насыщенного пара соответствует меньшая скрытая теплота парообразования, а более низкому – большая скрытая теплота парообразования.
Пар бывает насыщенный и перегретый. Величина, определяющая количество сухого насыщенного пара в 1 кг влажного пара в процентах называется степенью сухости пара и обозначается буквой Х (икс). Для сухого насыщенного пара Х = 1.
Влажность насыщенного пара в паровых котлах должна быть в пределах 1-3%, то есть степень её сухости Х = 100 - (1-3) = 99 - 97%.
Отделение частичек воды от пара называется сепарацией, а устройство, предназначенное для этого - сепаратором.
Переход воды из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, а с газообразного в жидкое - конденсацией. Пар, температура которого для определённого давления превышает температуру насыщенного пара, называется перегретым. Разность температур между перегретым и сухим насыщенным паром при этом же давлении называется перегревом пара.
Какие еще вещества, кроме газов, входят в состав воздуха?
1. Распространение водяного пара в воздухе.
После дождя вы все наблюдали, как крыши домов, стволы деревьев и листья намокают, везде образуются лужи. После рассеивания туч появляется Солнце, и все вокруг высыхает. Куда исчезает бесследно дождевая вода? Она превращается в водяной пар. Так как он бесцветен, как воздух, то мы его не видим.
В любом воздухе содержится определенное количество воды в виде водяного пара. Частицы воды в виде пара содержатся также в составе воздуха комнаты. Заметить это нетрудно. Зимой обратите внимание на металлические предметы (замок портфеля, коньки и др.), занесенные домой с улицы. Через некоторое время они начинают «потеть». Это значит, что теплый воздух в комнате, соприкасаясь с холодным предметом, выделяет капельки воды.
Влага земной поверхности испаряется из почвы, болот, рек, озер, морей и океанов в виде водяного пара в атмосферу. Большое количество воды (86%) испаряется из океанов и морей.
В природе водяной пар находится в непрерывном круговороте. Водяной пар, поднимаясь над океанами и поверхностью суши, попадает в атмосферу. Воздушные течения уносят его с собой в другие места. Водяной пар, в свою очередь, охлаждаясь, превращается в облака, и в виде осадков он снова возвращается на поверхность Земли.
2. Зависимость водяного пара в воздухе от температуры. Содержание водяного пара в воздухе зависит от состояния испаряемой поверхности и температуры. Над океаном в воздухе водяного пара много, а над сушей - мало. Кроме того, чем выше температура, тем больше содержание водяного пара в воздухе.
Как видно из таблицы, воздух может содержать водяной пар соответственно при определенной температуре. Если воздух содержит такое количество водяного пара, какое он при данной температуре может содержать, то его называют насыщенным. Например, для насыщения 1м3 воздуха водяным паром при температуре +30°С необходимо 30 г водяного пара. Если количество водяного пара составляет всего 25 г, то воздух будет ненасыщенным, сухим.
При повышении температуры насыщенный воздух становится ненасыщенным. Например, для насыщения 1м3 воздуха при температуре 0°С необходимо 5 г водяного пара. Если температура воздуха поднимается до +10°С, то для насыщения воздуха не будет хватать 4 г водяного пара.
3.Абсолютная и относительная влажность.
Содержание водяного пара в воздухе определяется абсолютной и относительной влажностью.
Абсолютная влажность - количество водяного пара в граммах в 1 м3 воздуха (г/м3).
Относительная влажность - отношение количества влаги, имеющейся в 1 м3 воздуха, к тому количеству водяного пара, который насыщает воздух при данной температуре. Относительная влажность выражается в процентах.
Относительная влажность показывает степень насыщения воздуха водяным паром. Например, 1 м3 воздуха может содержать 1 г водяного пара при температуре -20°С. В воздухе содержится 0,5 г влаги. Тогда относительная влажность равна 50%. При насыщении воздуха водяным паром относительная влажность достигает 100%.
4.Конденсация водяного пара.
После насыщения воздуха водяным паром, остальное количество пара превращается в капельки воды. Если в 1 м3 воздуха при температуре -10°С вместо 2 г водяного пара собралось 3 г, то лишний 1 г пара превращается в капельки воды. Когда понижается температура насыщенного воздуха, он не может удержать такое количество водяного пара. Например, для насыщения 1 м3 воздуха при +10°С нужно 9 г водяного пара. Если температура понизится до 0°, то воздух вмещает только 5 г водяного пара, лшшние 4 г превращаются в капельки воды.
При определенных условиях переход водяного пара в жидкое состояние (капельки воды) называют конденсацией (По-латыни конденсацио
- сгущение). При температуре 0°С водяной пар переходит в твердое состояние, т.е. превращается в кристаллики льда.
5. Измерение влажности воздуха. Относительная влажность измеряется с помощью прибора - волосяного гигрометра (по-гречески гигрос - влажный, метр - мера). В этом приборе используется свойство волоса человека, удлиняющегося при повышении влажности. Когда влажность уменьшается, волос укорачивается. Волос крепится на стрелку циферблата, при удлинении или укорачивании волоса стрелка, двигаясь вдоль циферблата, показывает относительную влажность в процентах (рис. 54).
Рис. 54. Волосяной гигрометр.
Гигрометр так же, как термометр, помещается в метеорологическую будку.
На метеостанциях влажность воздуха определяется на более точных приборах и с помощью специальных таблиц.
1. Почему над экватором содержание водяного пара в воздухе больше, чем в умеренном поясе?
2. Что происходит с водяным паром в воздухе с изменением высоты?
3. Температура воздуха +10°С. Абсолютная влажность 6 г/м3. При каких условиях произойдет насыщение воздуха водяным паром? (Решите 2 способами.)
4. Ознакомьтесь со строением гигрометра и измерьте относительную влажность.
5*. Температура воздуха равна +30°С, а абсолютная влажность - 20 г/м3. Вычислите относительную влажность.
Промежуточное состояние вещества между состоянием реального газа и жидкостью принято называть парообразным или просто паром. Превращение жидкости в пар представляет собой фазовый переход из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе наблюдается скачкообразное изменение физических свойств вещества.
Примерами таких фазовых переходов является процесс кипения жидкости с появлением влажного насыщенного пара и последующим переходом его в лишенный влаги сухой насыщенный пар или обратный кипению процесс конденсации насыщенного пара.
Одно из основных свойств сухого насыщенного пара заключается в том, что дальнейший подвод теплоты к нему приводит к возрастанию температуры пара, т. е. перехода его в состояние перегретого пара, а отвод теплоты — к переходу в состояние влажного насыщенного пара. В
Фазовые состояния воды
Рисунок 1. Фазовая диаграмма для водяного пара в T, s координатах.
Область I – газообразное состояние (перегретый пар, обладающий свойствами реального газа);
Область II – равновесное состояние воды и насыщенного водяного пара (двухфазное состояние). Область II также называют областью парообразования;
Область III – жидкое состояние (вода). Область III ограничена изотермой ЕК;
Область IV – равновесное состояние твердой и жидкой фаз;
Область V – твердое состояние;
Области III, II и I разделены пограничными линиями AK (левая линия) и KD (правая линия). Общая точка K для пограничных линий AK и KD обладает особыми свойствами и называется критической точкой . Эта точка имеет параметры p кр , v кр и Т кр , при которых кипящая вода переходит в перегретый пар, минуя двухфазную область. Следовательно, вода не может существовать при температурах выше Т кр.
Критическая точка К имеет параметры:
p кр = 22,136 МПа; v кр = 0,00326 м 3 /кг; t кр = 374,15 °С.
Значения p, t, v и s для обеих пограничных линий приводятся в специальных таблицах термодинамических свойств водяного пара.
Процесс получения водяного пара из воды
На рисунках 2 и 3 изображены процессы нагрева воды до кипения, парообразования и перегрева пара в p, v — и T, s -диаграммах.
Начальное состояние жидкой воды, находящейся под давлением p 0 и имеющей температуру 0 °С, изображается на диаграммах p, v и T, s точкой а . При подводе теплоты при p = const температура ее увеличивается и растет удельный объем. В некоторый момент температура воды достигает температуры кипения. При этом ее состояние обозначается точкой b. При дальнейшем подводе теплоты начинается парообразование с сильным увеличением объема. При этом образуется двухфазная среда — смесь воды и пара, называемая влажным насыщенным паром . Температура смеси не меняется, так как тепло расходуется на испарение жидкой фазы. Процесс парообразования на этой стадии является изобарно-изотермическим и обозначается на диаграмме как участок bc . Затем в некоторый момент времени вся вода превращается в пар, называемый сухим насыщенным . Это состояние обозначается на диаграмме точкой c .
Рисунок 2. Диаграмма p, v для воды и водяного пара.
Рисунок 3. Диаграмма T, s для воды и водяного пара.
При дальнейшем подводе теплоты температура пара будет увеличиваться и будет протекать процесс перегрева пара c — d . Точкой d обозначается состояние перегретого пара. Расстояние точки d от точки с зависит от температуры перегретого пара.
Индексация для обозначения величин, относящихся к различным состояниям воды и пара:
- величина с индексом «0» относится к начальному состоянию воды;
- величина с индексом «′» относится к воде, нагретой до температуры кипения (насыщения);
- величина с индексом «″» относится к сухому насыщенному пару;
- величина с индексом «x » относится к влажному насыщенному пару;
- величина без индекса относится к перегретому пару.
Процесс парообразования при более высоком давлении p 1 > p 0 можно отметить, что точка a, изображающая начальное состояние воды при температуре 0 °С и новом давлении, остается практически на той же вертикали, так как удельный объем воды почти не зависит от давления.
Точка b′ (состояние воды при температуре насыщения) смещается вправо на p, v -диаграмме и поднимается вверх на T,s -диаграмме. Это потому, что с увеличением давления увеличивается температура насыщения и, следовательно, удельный объем воды.
Точка c′ (состояние сухого насыщенного пара) смещается влево, т. к. с увеличением давления удельный объем пара уменьшается, несмотря на увеличение температуры.
Соединение множества точек b и c при различных давлениях дает нижнюю и верхнюю пограничные кривые ak и kc. Из p, v -диаграммы видно, что по мере увеличения давления разность удельных объемов v″ и v′ уменьшается и при некотором давлении становится равной нулю. В этой точке, называемой критической, сходятся пограничные кривые ak и kc. Состояние, соответствующее точке k , называется критическим. Оно характеризуется тем, что при нем пар и вода имеют одинаковые удельные объемы и не отличаются по свойствам друг от друга. Область, лежащая в криволинейном треугольнике bkc (в p, v -диаграмме), соответствует влажному насыщенному пару.
Состояние перегретого пара изображается точками, лежащими над верхней пограничной кривой kc .
На T, s -диаграмме площадь 0abs′ соответствует количеству теплоты, необходимого для нагрева жидкой воды до температуры насыщения.
Количество подведенной теплоты, Дж/кг, равное теплоте парообразования r, выражается площадью s′bcs, и для нее имеет место соотношение:
r = T (s″ — s′ ).
Количество подведенной теплоты в процессе перегрева водяного пара изображается площадью s″cds .
На T, s -диаграмме видно, что по мере увеличения давления теплота парообразования уменьшается и в критической точке становиться равной нулю.
Обычно T, s -диаграмма применяется при теоретических исследованиях, так как практическое использование ее сильно затрудняется тем, что количества теплоты выражаются площадями криволинейных фигур.
По материалам моего конспекта лекций по термодинамике и учебника «Основы энергетики». Автор Г. Ф. Быстрицкий. 2-е изд., испр. и доп. — М. :КНОРУС, 2011. — 352 с.
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.
Вопрос 1. В каких агрегатных состояниях может находиться вода?
1) Твёрдое – лед, 2) Жидкое – вода, 3) Газообразное – пар.
Вопрос 2. Чем отличаются агрегатные состояния друг от друга?
Агрегатное состояние вещества определяется расположением, характером движения и взаимодействия молекул.
Вопрос 3. Могут ли выпадать осадки не из облаков?
Нет, так как осадки – это вода в жидком или твёрдом состоянии, выпадающая из облаков или осаждающаяся из воздуха на земную поверхность и какие-либо предметы.
Вопрос 4. Почему туман возникает чаще либо рано утром, либо вечером?
Он связан с холодным потоком воздуха, который опускается на теплые поверхности суши или воды.
Вопрос 5. Что такое водяной пар?
Водяной пар - это молекулы воды. То есть водяной пар - это газ.
Вопрос 6. Что такое облако?
Облако - это скопление мелких капель воды или кристалликов льда в атмосфере.
Вопрос 7. Какие существуют виды облаков?
Основными видами облаков являются: слоистые, кучевые, перистые.
Вопрос 8. Перечислите виды атмосферных осадков.
Дождь, ливень, морось, снег, туман, град, роса, иней.
Вопрос 9. Всегда ли осадки выпадают из облаков?
Осадки могут выпадать из воздуха в виде инея, росы при соприкосновении теплого воздуха с холодной поверхностью.
Вопрос 10. Что такое влажность воздуха?
Влажность воздуха - это величина, характеризующая содержание водяных паров в атмосфере Земли.
Вопрос 11. Как образуется водяной пар?
Водяной пар образуется молекулами воды при её испарении.
Вопрос 12. В чём заключается главная закономерность распределения влаги на поверхности Земли?
Поскольку влажность воздуха зависит от температуры воздуха, то воздух над экватором и над океанами всегда более влажный, чем воздух над полюсами и материками.
Вопрос 13. Почему при прочих равных условиях тёплый воздух содержит больше водяного пара, чем холодный?
Потому что при повышении температуры, процесс испарение ускоряется.
Вопрос 14. В чём заключается суть процесса возникновения тумана?
Туман образуется при конденсации. Под утро поверхность Земли сильно охлаждается. Остывает и воздух над ней. При остывании воздух, как и другие вещества, сжимается. Молекулам водяного пара становится тесно, они сближаются всё сильнее и сильнее. Наконец они начинают сталкиваться друг с другом и образуют мельчайшие капельки. Они так малы, что каждую в отдельности мы не можем видеть, но вместе они образуют туман.
Вопрос 15. При каких условиях в природе происходит конденсация водяного пара?
Конденсация - это превращение водяного пара в капельное (жидкое) состояние. Конденсация происходит при охлаждении воздуха.
Вопрос 16. Чем отличается облако от тучи?
Количество воды в тучах превосходит количество воды в облаках, вследствие чего избыток влаги выпадает в виде различных осадков: дождя, снега или града.
Вопрос 17. Составьте схему классификации осадков на основе текста параграфа.
Вопрос 18. Используя данные, приведённые в таблице, рассчитайте годовое количество осадков.
Количество осадков за год: 10+15+ 20+25+15+10+5+5+15+20+25 +20=185 мм.