Водяной пар

Среди реальных газов особое место занимает водяной пар. Он получил весьма широкое распространение во многих областях техники и используется в качестве теплоносителя в энергетических установках. Водяной пар обычно используется при таких давлениях и температурах, когда его необходимо рассматривать как реальный газ. Получить водяной пар можно двумя способами: при испарении и кипении воды.

Испарением называется процесс образования пара из воды, происходящий только со свободной поверхности. Этот процесс протекает при любой температуре. При испарении с поверхности воды отрываются молекулы, имеющие наибольшую кинетическую энергию, и вылетают в окружающее пространство. В результате над жидкостью образуется водяной пар. Интенсивность процесса испарения возрастает при повышении температуры.

Кипение – это процесс образования водяного пара во всем объеме жидкости. При нагревании до определенной температуры внутри жидкости образуются пузырьки пара, которые, соединяясь между собой, вылетают в окружающее пространство. Для того, чтобы пузырек пара мог образоваться и затем расти, необходимо, чтобы процесс парообразования происходил внутри пузырьков, а это возможно только, если кинетическая энергия молекул воды имеет достаточную для этого величину. Так как кинетическая энергия молекул определяется температурой жидкости, следовательно, кипение при данном внешнем давлении может начаться только при вполне определенной температуре. Такая температура называется температурой кипения или температурой насыщения и обозначается t н. Температура кипения при данном давлении остается постоянной, пока вся жидкость не превратиться в пар.

Пар, образующийся над поверхностью кипящей жидкости, называется насыщенным паром. Насыщенный пар может быть сухим или влажным. Сухим насыщенным паром называется такой пар, который, находясь над поверхностью кипящей жидкости, не содержит взвешенных капелек жидкости. Влажным насыщенным паром, или просто влажным паром, называется механическая смесь сухого насыщенного пара и кипящей жидкости. Характеристикой влажного пара является его степень сухости х. Степенью сухости называется доля сухого насыщенного пара во влажном паре, т.е. отношение массы сухого насыщенного пара во влажном паре к массе влажного пара. Величина 1–х называется степенью влажности или влажностью влажного насыщенного пара, т.е. массовая доля кипящей жидкости во влажном воздухе. Параметрами, полностью определяющими состояние сухого насыщенного пара или кипящей жидкости, являются температура или давление и степень сухости.

Если к сухому насыщенному пару при отсутствии кипящей жидкости подводить тепло при том же давлении, что и давление сухого насыщенного пара, то он будет переходить в перегретый пар. Температура его начнет повышаться. Перегретым паром называется пар, имеющий более высокую температуру при данном давлении, чем сухой насыщенный пар. Температура перегретого пара обозначается буквой t, а разность температур t–t н называют степенью перегрева, или перегревом пара. С ростом перегрева пара его объем будет увеличиваться, будет расти расстояние между молекулами и, следовательно, уменьшаться силы взаимного притяжения, т.е. перегретый пар при высоких степенях перегрева будет приближаться по своим свойствам к идеальному газу. Параметрами, определяющими состояние перегретого пара, будут давление и температура (или удельный объем).

Процесс, обратный парообразованию, т.е. процесс перехода пара в жидкость, называется процессом конденсации.

Испарение — это испарившееся и поступившее в воздух количество водяного пара. Скорость испарения зависит от многих причин, но главным образом от температуры воздуха и ветра. Понятно, что чем выше температура, тем больше испарение. Но , постоянно перемещая насыщенный водяными парами воздух, приносит в данное место новые и новые объемы сухого воздуха. Даже слабый ветер скоростью 2-3 м/с увеличивает испарение в три раза. На испарение влияют также характер , растительный покров и т.д.

Однако из-за недостатка влаги в данной местности испарение бывает значительно меньше, чем могло бы быть при данных условиях. Количество воды, которое могло бы испариться при данных условиях, называется испаряемостью. Иначе говоря, испаряемость — это потенциально возможное испарение в данной местности, которое чаще всего определяется с помощью испарителя или по показателям испарения с открытой водной поверхности крупного естественного (пресноводного) водоема или с избыточно увлажненной почвы.

Испаряемость, как и испарение, выражается в миллиметрах слоя испарившейся воды (мм); за конкретный период — мм/год и т.д.

На земной поверхности постоянно происходят два противоположно направленных процесса: местности осадками и осушение ее испарением. Но степень увлажнения территории обусловливается соотношением осадков и испарения. Увлажнение территории характеризуется коэффициентом увлажнения (К), под которым понимается отношение суммы осадков (Q) к испаряемости (И): К = (если К выражается в долях единицы — дробью) и К = 100% (если в процентах). Например, в европейской осадков выпадает 300 мм, а испаряемость только 200 мм, т.е. осадки превосходят испаряемость в 1,5 раза; коэффициент увлажнения равен 1,5, или 150%.

Увлажнение бывает избыточным, когда К > 1, или > 100%; нормальным, когда К = 1, или 100%; недостаточным, когда К < 1, или < 100%. По степени увлажнения выделяют влажные (гумидные) и сухие (аридные) территории. Коэффициент увлажнения характеризует условия , развитие и другое. он равен примерно 1,0-1,5, в 0,6-1,0, в 0,3-0,6, 0,1-0,3, пустынях менее 0,1.

Абсолютной влажностью (а) называется фактическое количество водяных паров в воздухе в данный момент, измеряемое в г/м 3 . Отношение абсолютной влажности к максимальной, выраженное в процентах, называется относительной влажностью (f), т.е. f =100%. Воздух, имеющий максимальную влажность, называется насыщенным. В отличие от него ненасыщенный воздух еще обладает способностью поглощать водяные пары. Однако при нагревании насыщенный воздух становится ненасыщенным, а в случае охлаждения — перенасыщенным. В последнем случае начинается . Конденсация — это сгущение избыточных водяных паров и переход их в жидкое состояние, образование мельчайших капелек воды. Как насыщенный, так и ненасыщенный воздух может стать перенасыщенным во время поднятия , так как при этом она сильно охлаждается. Охлаждение возможно также при выхолаживании почвы в данном месте и при проникновении теплого воздуха в холодную местность.

Конденсация может происходить не только в воздухе, но и на земной поверхности, на ралличных предметах. В этом случае в зависимости от условий образуются роса, иней, туман, гололед. Роса и иней образуются при ясной и тихой ночью, преимущественно в предутренние часы, когда поверхность Земли и ее объекты выхолаживаются. Тогда на их поверхности конденсируется влага из воздуха. При этом при отрицательных температурах образуется иней, при положительных — роса. В случае, если на теплую поверхность приходит холодный воздух или теплый воздух резко охлаждается, может образоваться туман. Он состоит из мельчайших капелек, или кристалликов, как бы взвешенных в воздухе. В сильно загрязненном воздухе образуется туман или дымка с примесью дыма — смог. При выпадении переохлажденных капелек дождя или на охлажденную ниже 0°С поверхность и при от 0 до -3°С образуется слой плотного льда, нарастающего на поверхности земли и на предметах, преимущественно с наветренной стороны, — гололед. Это происходит от намерзания переохлажденных капель дождя, тумана, или мороси. Корка льда может достичь толщины нескольких сантиметров и превратиться в настоящее бедствие: она становится опасной для пешеходов, транспортных средств, обламывает сучья деревьев, обрывает провода и т.д.

Иные причины обусловливают явление, которое называется . Гололедица возникает как правило, после оттепели или дождя в результате наступления похолодания, когда температура резко опускается ниже 0°С. Происходит замерзание мокрого снега, дождя или мороси. Гололедица образуется и тогда, когда эти жидкие осадки выпадают на сильно переохлажденную поверхность земли, что также обусловливает их замерзание. Таким образом гололедица — это лед на земной поверхности, образовавшийся в результате замерзания мокрого снега или жидких осадков.

Образуются при конденсации водяного пара в поднимающемся воздухе вследствие его охлаждения. Высота их образования зависит от температуры и относительной влажности воздуха. При достижении им высоты, на которой насыщение станет полным, — уровня конденсации — начинается конденсация и облакообразование. Облака находятся в постоянном движении и могут состоять из мелких капелек или кристалликов, но чаще они смешанные. По форме различают три основных вида облаков: перистые, слоистые и кучевые. Перистые — облака верхнего яруса (выше 6000 м), полупрозрачные и состоят из мелких ледяных кристалликов. Осадки из них не выпадают. Слоистые — облака среднего (от 2000 до 6000 м) и нижнего (ниже 2000 м) ярусов. В основном они и дают осадки, обычно длительные, обложные. Кучевые облака могут образовываться в нижнем ярусе и достигать очень большой высоты. Часто они имеют вид башен и состоят внизу из капелек, а вверху — из кристалликов. С ними связаны ливни, град,

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.

При слове "пар", я вспоминаю времена, когда ещё учился в начальных классах. Тогда, приходя из школы домой, родители начинали готовить обед, и ставили кастрюлю с водой на газовую плиту. И уже через десять минут, в кастрюльке начинали появляться первые пузырьки. Этот процесс всегда меня завораживал, мне казалось, что я могу смотреть на это вечно. А потом, через некоторое время после появления пузырьков, начинал идти сам пар. Однажды, я спросил маму: "А откуда идут эти белые тучки?" (Так раньше я их называл). На что она мне отвечала: "Это всё происходит из-за нагрева воды". Хотя ответ и не давал полного представления о процессе возникновения пара, на уроках школьной физики я узнал о паре всё, что хотел. Итак...

Что же есть водяной пар

С научной точки зрения, водяной пар - просто одно из трёх физических состояний самой воды . Он, как известно, возникает при нагревании воды. Как и она сама, пар не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Но не все знают, что клубы пара обладают своим давлением, которое зависит от его объёма. А выражается оно в паскалях (в честь небезызвестного учёного).

Водяной пар окружает нас не только, когда мы варим что-нибудь на кухне. Он постоянно содержится в уличном воздухе и атмосфере. И его процент содержания называется "абсолютной влажностью".

Факты о водяном паре и его особенности

Итак, несколько интересных моментов:

• чем выше температура , которая действует на воду, тем быстрее идёт процесс испарения;
• помимо этого, скорость испарения увеличивается с размерами площади поверхности, на которой эта вода находится. Другими словами, если мы начнём нагревать небольшой водный слой на широкой металлической чашке, то испарение пройдет весьма быстро;
• для жизни растений нужна не только жидкая вода, но и газообразная . Объяснить этот факт можно тем, что с листьев любого растения постоянно идут испарения, охлаждающие его. Попробуйте в знойный день потрогать лист дерева – и вы заметите, что он прохладный;
• то же самое касается человека, с нами работает та же система, что и с растениями выше. Испарения охлаждают нашу кожу в жаркий день . Удивительно, но даже при небольших нагрузках, наш организм покидает около двух литров жидкости в час. Что уж тут говорить про усиленные нагрузки и знойные летние деньки?

Вот таким образом можно описать сущность пара и его роль в нашем мире. Надеюсь, вы открыли для себя много интересного!

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

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

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

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

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

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

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

Ввиду громоздкости эти уравнения рассматриваться не будут.

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

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

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

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

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

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

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

Рассмотрим процесс парообразования более подробно.

Переход жидкости в пар имеет три стадии:

1. Нагревание жидкости до температуры кипения.

2. Парообразование.

3. Перегрев пара.

Остановимся на каждой стадии более подробно.

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 29. pv – диаграмма состояния водяного пара.

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

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

Определим основные параметры водяного пара

1. Подогрев жидкости

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

Величина её определяется:

q = с р (t s -t 0) ,

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

т.е. q = с р t s

Удельная теплота измеряется в Дж/кг

Величина q выражается как

где i¢ - энтальпия воды при температуре кипения;

i - энтальпия воды при 0 °С.

Согласно первому закону термодинамики

i = u 0 + P s v 0 ,

где u 0 – внутренняя энергия при 0 °С.

i¢ = q + u 0 + P s v 0

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

i¢ = q + P s v 0

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

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

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

u¢ = i¢ + P s v¢

Изменение энтропии в процессе подогрева жидкости

Допуская, что энтропия воды при 0

Эта формула позволяет вычислить энтальпию жидкости при температуре кипения.

2. Парообразование

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

Теплота парообразования определяется:

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

r = (u¢¢-u¢)+P s (v¢¢-v¢),

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

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

Внутренняя энергия сухого насыщенного пара u¢¢ равна

u¢¢=i¢¢-P s v¢¢

Изменение энтропии пара в процессе парообразования определяется выражением

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

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

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

v x = v¢¢x + v¢(1-x)

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

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

3. Процесс перегрева пара

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

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

Для величины q п можно записать

q п = i – i¢ ,

где I – энтальпия перегретого пара.