Насыщенный пар — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: насыщенные и ненасыщенные пары, влажность воздуха.

Если открытый стакан с водой оставить на долгое время, то в конце концов вода полностью улетучится. Точнее — испарится. Что такое испарение и почему оно происходит?

Испарение и конденсация

При данной температуре молекулы жидкости обладают разными скоростями. Скорости большинства молекул находятся вблизи некоторого среднего значения (характерного для этой температуры). Но попадаются молекулы, скорости которых значительно отличаются от средней как в меньшую, так и большую сторону.

На рис. 1 изображён примерный график распределения молекул жидкости по скоростям. Голубым фоном показано то самое большинство молекул, скорости которых группируются около среднего значения. Красный «хвост» графика — это небольшое число «быстрых» молекул, скорости которых существенно превышают среднюю скорость основной массы молекул жидкости.

Рис. 1. Распределение молекул по скоростям

Когда такая весьма быстрая молекула окажется на свободной поверхности жидкости (т.е. на границе раздела жидкости и воздуха), кинетической энергии этой молекулы может хватить на то, чтобы преодолеть силы притяжения остальных молекул и вылететь из жидкости. Данный процесс и есть испарение, а молекулы, покинувшие жидкость, образуют пар.

Итак, испарение — это процесс превращения жидкости в пар, происходящий на свободной поверхности жидкости (при особых условиях превращение жидкости в пар может происходить по всему объёму жидкости. Данный процесс вам хорошо известен — это кипение).

Может случиться, что через некоторое время молекула пара вернётся обратно в жидкость.

Процесс перехода молекул пара в жидкость называется конденсацией. Конденсация пара — процесс, обратный испарению жидкости.

Динамическое равновесие

А что будет, если сосуд с жидкостью герметично закрыть? Плотность пара над поверхностью жидкости начнёт увеличиваться; частицы пара будут всё сильнее мешать другим молекулам жидкости вылетать наружу, и скорость испарения станет уменьшаться. Одновременно начнёт увеличиваться скорость конденсации, так как с возрастанием концентрации пара число молекул, возвращающихся в жидкость, будет становиться всё больше.

Наконец, в какой-то момент скорость конденсации окажется равна скорости испарения. Наступит динамическое равновесие между жидкостью и паром: за единицу времени из жидкости будет вылетать столько же молекул, сколько возвращается в неё из пара. Начиная с этого момента количество жидкости перестанет убывать, а количество пара — увеличиваться; пар достигнет «насыщения».

Насыщенный пар — это пар, который находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью. Пар, не достигший состояния динамического равновесия с жидкостью, называется ненасыщенным.

Давление и плотность насыщенного пара обозначаются и . Очевидно, и — это максимальные давление и плотность, которые может иметь пар при данной температуре. Иными словами, давление и плотность насыщенного пара всегда превышают давление и плотность ненасыщенного пара.

Свойства насыщенного пара

Оказывается, что состояние насыщенного пара (а ненасыщенного — тем более) можно приближённо описывать уравнением состояния идеального газа (уравнением Менделеева — Клапейрона). В частности, имеем приближённое соотношение между давлением насыщенного пара и его плотностью:

(1)

Это весьма удивительный факт, подтверждаемый экспериментом. Ведь по своим свойствам насыщенный пар существенно отличается от идеального газа. Перечислим важнейшие из этих отличий.

1. При неизменной температуре плотность насыщенного пара не зависит от его объёма.

Если, например, насыщенный пар изотермически сжимать, то его плотность в первый момент возрастёт, скорость конденсации превысит скорость испарения, и часть пара конденсируется в жидкость — до тех пор, пока вновь не наступит динамическое равновесие, в котором плотность пара вернётся к своему прежнему значению.

Аналогично, при изотермическом расширении насыщенного пара его плотность в первый момент уменьшится (пар станет ненасыщенным), скорость испарения превысит скорость конденсации, и жидкость будет дополнительно испаряться до тех пор, пока опять не установится динамическое равновесие — т.е. пока пар снова не станет насыщенным с прежним значением плотности.

2. Давление насыщенного пара не зависит от его объёма.

Это следует из того, что плотность насыщенного пара не зависит от объёма, а давление однозначно связано с плотностью уравнением (1).

Как видим, закон Бойля — Мариотта, справедливый для идеальных газов, для насыщенного пара не выполняется. Это и не удивительно — ведь он получен из уравнения Менделеева — Клапейрона в предположении, что масса газа остаётся постоянной.

3. При неизменном объёме плотность насыщенного пара растёт с повышением температуры и уменьшается с понижением температуры.

Действительно, при увеличении температуры возрастает скорость испарения жидкости.

Динамическое равновесие в первый момент нарушается, и происходит дополнительное испарение некоторой части жидкости. Пара будет прибавляться до тех пор, пока динамическое равновесие вновь не восстановится.

Точно так же при понижении температуры скорость испарения жидкости становится меньше, и часть пара конденсируется до тех пор, пока не восстановится динамическое равновесие — но уже с меньшим количеством пара.

Таким образом, при изохорном нагревании или охлаждении насыщенного пара его масса меняется, поэтому закон Шарля в данном случае не работает. Зависимость давления насыщенного пара от температуры уже не будет линейной функцией.

4. Давление насыщенного пара растёт с температурой быстрее, чем по линейному закону.

В самом деле, с увеличением температуры возрастает плотность насыщенного пара, а согласно уравнению (1) давление пропорционально произведению плотности на температуру.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры является экспоненциальной (рис. 2). Она представлена участком 1–2 графика. Эту зависимость нельзя вывести из законов идеального газа.

Рис. 2. Зависимость давления пара от температуры

В точке 2 вся жидкость испаряется; при дальнейшем повышении температуры пар становится ненасыщенным, и его давление растёт линейно по закону Шарля (участок 2–3).

Вспомним, что линейный рост давления идеального газа вызван увеличением интенсивности ударов молекул о стенки сосуда. В случае нагревания насыщенного пара молекулы начинают бить не только сильнее, но и чаще — ведь пара становится больше. Одновременным действием этих двух факторов и вызван экспоненциальный рост давления насыщенного пара.

Влажность воздуха

Воздух, содержащий водяной пар, называется влажным.Чем больше пара находится в воздухе, тем выше влажность воздуха.

Абсолютная влажность — это парциальное давление водяного пара, находящегося в воздухе (т. е. давление, которое водяной пар оказывал бы сам по себе, в отсутствие других газов). Иногда абсолютной влажностью называют также плотность водяного пара в воздухе.

Относительная влажность воздуха — это отношение парциального давления водяного пара в нём к давлению насыщенного водяного пара при той же температуре. Как правило, это отношение выражают в процентах:

Из уравнения Менделеева-Клапейрона (1) следует, что отношение давлений пара равно отношению плотностей. Так как само уравнение (1), напомним, описывает насыщенный пар лишь приближённо, мы имеем приближённое соотношение:

Одним из приборов, измеряющих влажность воздуха, является психрометр. Он включает в себя два термометра, резервуар одного из которых завёрнут в мокрую ткань. Чем ниже влажность, тем интенсивнее идёт испарение воды из ткани, тем сильнее охлаждается резервуар «мокрого» термометра, и тем больше разность его показаний и показаний сухого термометра. По этой разности с помощью специальной психрометрической таблицы определяют влажность воздуха.

Насыщенный пар | Физика

1. Испарение и конденсация

Как вы знаете, жидкости испаряются, то есть превращаются в пар. Например, лужи после дождя высыхают. Испарение жидкости обусловлено тем, что некоторые ее молекулы благодаря толчкам своих «соседей» приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы вырваться из жидкости.
В результате испарения над поверхностью жидкости всегда находится пар, Это газообразное состояние вещества. Водяной пар невидим, как и воздух. То, что часто называют паром, представляет собой скопление крошечных водяных капелек, образовавшихся вследствие конденсации пара.

Конденсация – это превращение пара в жидкость, то есть процесс, противоположный испарению. Вследствие конденсации содержащегося в воздухе водяного пара образуются облака (рис. 44.1) и туман (рис. 44.2). Холодное стекло запотевает, соприкасаясь с теплым воздухом (рис. 44.3). Это тоже результат конденсации водяного пара.

Динамическое равновесие

Если банку с водой плотно закрыть, уровень воды в ней остается неизменным в течение многих месяцев.

Означает ли это, что в закрытом сосуде жидкость не испаряется?

Нет, конечно: в ней всегда есть достаточно быстрые молекулы, которые непрестанно вылетают из жидкости. Однако одновременно с испарением идет конденсация: молекулы из пара влетают обратно в жидкость.

Если уровень жидкости со временем не изменяется, это означает, что процессы испарения и конденсации идут с одинаковой интенсивностью. В таком случае говорят, что жидкость и пар находятся в динамическом равновесии.

2. Насыщенный и ненасыщенный пар

Насыщенный пар

На рисунке 44. 4 схематически изображены процессы испарения и конденсации в плотно закрытом сосуде, когда жидкость и пар находятся в динамическом равновесии.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Ненасыщенный пар

Если сосуд с жидкостью открыть, пар начнет выходить из сосуда наружу. Вследствие этого концентрация пара в сосуде уменьшится, и молекулы пара будут реже сталкиваться с поверхностью жидкости и влетать в нее. Поэтому интенсивность конденсации уменьшится.

А интенсивность испарения остается прежней. Поэтому уровень жидкости в сосуде начнет понижаться. Если процесс испарения идет быстрее, чем процесс конденсации, говорят, что над жидкостью находится ненасыщенный пар (рис. 44.5).

В воздухе всегда есть водяной пар, но обычно он является ненасыщенным, поэтому испарение преобладает над конденсацией. Поэтому лужи и высыхают.

Над поверхностью морей и океанов пар также ненасыщенный, поэтому они постепенно испаряются. Почему же уровень воды при этом не понижается?

Дело в том, что поднимающийся вверх пар охлаждается и конденсируется, образуя облака и тучи. Они превращаются в дождевые тучи и проливаются дождями. А реки несут воду обратно в моря и океаны.

3. Зависимость давления насыщенного пара от температуры

Главное свойство насыщенного пара состоит в том, что
давление насыщенного пара не зависит от объема, а зависит только от температуры.

Это свойство насыщенного пара не так легко понять, потому что оно кажется противоречащим уравнению состояния идеального газа

pV = (m/M)RT,     (1)

из которого следует, что для донной массы газа при постоянной температуре давление обратно пропорционально объему. Может быть, для насыщенного пара это уравнение неприменимо?

Ответ таков: уравнение состояния идеального газа хорошо описывает пар – как насыщенный, так и ненасыщенный. Но стоящая в правой части уравнения (1) масса насыщенного пара m при изотермическом расширении или сжатии изменяется – причем так, что давление насыщенного пара остается неизменным. Почему так происходит?

Дело в том, что при изменении объема сосуда пар может оставаться насыщенным только при условии, что в этом же сосуде находится «его» жидкость. Увеличивая изотермически объем сосуда, мы как бы «вытягиваем» из жидкости молекулы, которые становятся молекулами пара (рис. 44.6, а).

Происходит это вот почему. При увеличении объема пара его концентрация вначале уменьшается – но на очень короткий промежуток времени. Как только пар становится ненасыщенным, испарение находящейся в этом же сосуде жидкости начинает «опережать» конденсацию. В результате масса пара быстро возрастает, пока он снова не станет насыщенным. Давление пара при этом снова станет прежним.

? 1. Используя рисунок 44.6, б, объясните, почему при уменьшении объема насыщенного пара его масса уменьшается.

Итак, при расширении или сжатии насыщенного пара его масса изменяется за счет изменения массы содержащейся в этом же сосуде жидкости.

Зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры измерена на опыте. График этой зависимости приведен на рисунке 44.7. Мы видим, что давление насыщенного пара очень быстро увеличивается с ростом температуры.

Главная причина увеличения давления насыщенного пара с ростом температуры – увеличение массы пара. Как вы сами убедитесь, выполняя следующее задание, при увеличении температуры от 0 ºС до 100 ºС масса насыщенного пара в одном и том же объеме увеличивается более чем в 100 раз!

В таблице приведены значения давления насыщенного водяного пара при некоторых значениях температуры.

Эта таблица поможет вам при выполнении следующего задания. Воспользуйтесь также формулой (1).

? 2. В герметически закрытом сосуде объемом 10 л находятся вода и насыщенный пар. Температуру содержимого сосуда повышают от 0 ºС до 100 ºС. Считайте, что объемом воды по сравнению с объемом пара можно пренебречь.
а) Во сколько раз увеличилась абсолютная температура?
б) Во сколько раз увеличилось бы давление пара, если бы он остался насыщенным?
в) Во сколько раз увеличилась бы масса пара, если бы он остался насыщенным?
г) Какой стала бы масса пара в конечном состоянии, если бы он остался насыщенным?
д) При какой минимальной массе воды в начальном состоянии пар останется насыщенным?
е) Каким будет давление пара в конечном состоянии, если начальная масса воды будет в 2 раза меньше найденной в предыдущем пункте?

? 3. Что увеличивается с ростом температуры быстрее – давление насыщенного пара или его плотность?
Подсказка. Формулу (1) можно записать в виде

p = (ρ/M)RT.

? 4. Пустой герметически закрытый сосуд объемом 20 л заполнили насыщенным водяным паром при температуре 100 ºС.
а) Чему равно давление пара?
б) Чему равна масса пара?
в) Чему равна концентрация пара?
г) Каким станет давление пара, когда он остынет до 20 ºС?
д) Чему равны массы пара и воды при 20 ºС?
Подсказка. Воспользуйтесь приведенной выше таблицей и формулой (1).

4. Кипение

По приведенным выше графику (рис. 44 7) и таблице вы, наверное, заметили, что при температуре кипения воды (100 ºС) давление насыщенного водяного пара как раз равно атмосферному (пунктир на графике 44.7). Случайно ли это совпадение?

Нет, не случайно. Рассмотрим процесс кипения.

Поставим опыт
Будем нагревать воду в открытом прозрачном сосуде. Скоро на стенках сосуда появятся пузырьки. Это выделяется растворенный в воде воздух.

Внутрь этих пузырьков начинает испаряться вода, и пузырьки заполняются насыщенным паром. Но расти эти пузырьки не могут, пока давление насыщенного пара меньше давления в жидкости. В открытом неглубоком сосуде давление в жидкости практически равно атмосферному давлению.

Продолжим нагревать воду. Давление насыщенного пара в пузырьках с ростом температуры быстро увеличивается. И как только оно станет равным атмосферному давлению, начнется интенсивное испарение жидкости внутрь пузырьков.

Они будут быстро расти, подниматься вверх и лопаться на поверхности жидкости (рис. 44.8). Это и есть кипение.

В неглубоком сосуде давление в жидкости практически равно внешнему давлению. Поэтому мы можем сказать, что
кипение жидкости происходит при температуре, при которой давление p_н насыщенного пара равно внешнему давлению p_внеш:

p_н = p_внеш.     (2)

Отсюда следует, что температура кипения зависит от давления. Поэтому ее можно изменять, изменяя давление жидкости. С увеличением давления температура кипения жидкости повышается. Это используют, например, для стерилизации медицинских инструментов: воду кипятят в специальных приборах – автоклавах, где давление в 1,5–2 раза выше нормального атмосферного.

Высоко в горах, где атмосферное давление существенно меньше нормального атмосферного, сварить мясо непросто: например, на высоте 5 км вода закипает уже при температуре 83 ºС.

? 5. Используя формулу (2) и приведенную выше таблицу, определите температуру кипения воды:
а) при давлении, равном одной пятой нормального атмосферного давления;
б) при давлении, в 2 раза большем атмосферного давления.

Кипение воды при пониженном давлении можно наблюдать в следующем опыте.

Поставим опыт
Доведем воду в колбе до кипения и плотно закроем колбу. Когда вода немного остынет, перевернем колбу и будем поливать ее дно холодной водой. Вода закипит, хотя ее температура существенно ниже 100 ºС (рис. 44.9).

? 6. Объясните этот опыт.

? 7. На какую высоту можно было бы поднять поршнем кипящую воду, если бы она при этом не остывала?

Дополнительные вопросы и задания

8. В цилиндрическом сосуде под поршнем длительное время находятся вода и водяной пар. Масса воды в 2 раза больше массы пара. Медленно перемещая поршень, объем под поршнем увеличивают от 1 л до 6 л. Температура содержимого сосуда остается все время равной 20 ºС. Считайте, что объемом воды можно пренебречь по сравнению с объемом пара.
а) Какой пар находится под поршнем вначале?
б) Объясните, почему давление в сосуде не будет изменяться до тех пор, пока объем под поршнем не станет равным З л.
в) Чему равно давление в сосуде, когда объем под поршнем равен 3 л?
г) Чему равна масса пара в сосуде, когда объем под поршнем равен 3 л?
Подсказка. При этом весь объем сосуда заполнен насыщенным паром.
д) Во сколько раз увеличилась масса пара, когда объем под поршнем увеличился от 1 л до 3 л?
е) Чему равна масса воды в начальном состоянии?
Подсказка. Воспользуйтесь тем, что в начальном состоянии масса воды в 2 раза больше массы пара.
ж) Как будет изменяться давление в сосуде при изменении объема под поршнем от 3 л до 6 л?
Подсказка. Для ненасыщенного пара справедливо уравнение состояния идеального газа с постоянной массой.
з) Чему равно давление в сосуде, когда объем под поршнем равен 6 л?
и) Начертите примерный график зависимости давления пара под поршнем от объема.

9. Две запаянные U-образные трубки наклонили, как показано на рисунке 44.10. В какой трубке над водой находится только насыщенный пар, а в какой воздух с паром? Обоснуйте свой ответ.

Урок 18. Лекция 18. Свойства паров

Насыщенные и ненасыщенные пары.

Рассмотрим процессы, происходящие в закрытом сосуде:

1. процесс испарения, скорость которого постепенно уменьшается
2. конденсации, скорость которого постепенно возрастает

С течением времени в сосуде закрытом крышкой между жидкостью и её паром устанавливается состояние динамического (подвижного) равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара, то есть когда скорости процессов испарения и конденсации одинаковы. Такую систему называютдвухфазной.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называютнасыщенным.

Название «насыщенный» подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.

Ненасыщенный пар – это пар, не достигший динамического равновесия 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.

Рассмотрим некоторые свойства насыщенного пара:

1. Концентрация молекул насыщенного пара не зависит от его объёма при постоянной температуре. Если уменьшить объем насыщенного пара, то сначала концентрация его молекул увеличится и из газа в жидкость начнет переходить больше молекул до тех пор, пока опять на установится динамическое равновесие.

2. Давление насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объёма.

p = n*k*T, т.к. n не зависит от V , то и р не зависит от V.

Независимое от объёма давление пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называется давлением насыщенного пара. Это наибольшее давление, которое может иметь пар при данной температуре.

3. Давление насыщенного пара зависит от температуры. Чем выше будет температура жидкости, тем больше молекул будет испаряться, динамическое равновесие нарушится, но концентрация молекул пара будет расти до тех пор, пока равновесие не установится опять, а значит, больше станет и давление насыщенного пара. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает.

В атмосферном воздухе всегда присутствуют пары воды, которая испаряется с поверхности морей, рек, океанов и т.п.

Воздух, содержащий водяной пар, называют влажным.

Влажность воздуха оказывает огромное влияние на многие процессы на Земле: на развитие флоры и фауны, на урожай сельхоз. культур, на продуктивность животноводства и т.д. Влажность воздуха имеет большое значение для здоровья людей, т.к. от неё зависит теплообмен организма человека с окружающей средой. При низкой влажности происходит быстрое испарение с поверхности и высыхание слизистой оболочки носа, гортани, что приводит к ухудшению состояния.

Значит, влажность воздуха надо уметь измерять. Для количественной оценки влажности воздуха используют понятия абсолютной и относительной влажности.

Абсолютная влажность – величина, показывающая, какая масса паров воды находится в 1 м³ воздуха. Она равна парциальному давлению пара при данной температуре.

Парциальное давление пара – это давление, которое оказывал бы водяной пар, находящийся в воздух , если бы все остальные газы отсутствовали.

Относительная влажность воздуха – это величина, показывающая, как далек пар от насыщения. Это отношение парциального давления p водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного   пара p₀ при той же температуре, выраженное в процентах:

Если воздух не содержит паров воды, то его абсолютная и относительная влажность равны 0.

Если влажный воздух охлаждать, то находящийся в нем пар можно довести до насыщения, и далее он будет конденсироваться.

Примеры:

выпадение росы под утро,

запотевание холодного стекла, если на него подышать,

образование капли воды на холодной водопроводной трубе,

сырость в подвалах домов.

Точка росы – это температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным.

   Точка росы также характеризует влажность воздуха.

Для измерения влажности воздуха используют приборы гигрометры и психрометры.

1. Конденсационный гигрометр.

Состоит из укрепленной на подставке металлической круглой коробочки с отполированной плоской поверхностью. В коробочке сверху имеются два отверстия. Через одно из них в коробочку наливают эфир и вставляют термометр, а другое соединяют с резиновой грушей. Действие конденсационного гигрометра основано на определении точки росы.

Продувают воздух через эфир (с помощью резиновой груши), при этом эфир быстро испаряется и охлаждает коробочку. При определенной температуре на отполированной поверхности коробочки появляются капельки воды (роса). По термометру определяют эту температуру, это и будет точка росы. В специальной таблице по точке росы находят абсолютную влажность.

Чтобы найти относительную влажность, надо давление насыщенного пара при температуре точки росы разделить на давление насыщенного пара при температуре окружающего воздуха и умножить на 100%.

2. Волосной гигрометр.

Его работа основана на том, что обезжиренный человеческий волос при увеличении влажности воздуха удлиняется, а при уменьшении влажности укорачивается. Волос оборачивают вокруг легкого блока, прикрепив один конец к раме, а к другому подвешивают груз. При изменении длины волоса указатель (стрелка), прикрепленный к блоку, будет двигаться, перемещаясь по шкале. Шкалу градуируют по эталонному прибору.

3. Психрометр. (от греч «психриа» — холод).

Состоит из двух одинаковых термометров. Резервуар одного из них обернут марлей, опущенной в сосуд с водой. Вода смачивает резервуар термометра и при её испарении он охлаждается. По разности температур сухого и влажного термометров по психрометрической таблице определяют влажность воздуха.

Насыщенный пар. Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Кипение. Испарение жидкостей. Физика. 10 класс. — Объяснение нового материала

Комментарии преподавателя

Жидкость не только испаряется. При некоторой температуре она кипит.

   Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Состояние насыщенного пара, как показывает опыт (мы говорили об этом в предыдущем параграфе), приближенно описывается уравнением состояния идеального газа (10.4), а его давление определяется формулой

   С ростом температуры давление растет. Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры.

   Однако зависимость рн.п. от Т, найденная экспериментально, не является прямо пропорциональной, как у идеального газа при постоянном объеме. С увеличением температуры давление реального насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального газа (рис.11.1, участок кривой АВ). Это становится очевидным, если провести изохоры идеального газа через точки А и В (штриховые прямые). Почему это происходит?

   При нагревании жидкости в закрытом сосуде часть жидкости превращается в пар. В результате согласно формуле (11.1) давление насыщенного пара растет не только вследствие повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. В основном увеличение давления при повышении температуры определяется именно увеличением концентрации. Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара состоит в том, что при изменении температуры пара в закрытом сосуде (или при изменении объема при постоянной температуре) меняется масса пара. Жидкость частично превращается в пар, или, напротив, пар частично конденсируется. С идеальным газом ничего подобного не происходит.

   Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагревании перестанет быть насыщенным и его давление при постоянном объеме будет возрастать прямо пропорционально абсолютной температуре (см. рис.11.1, участок кривой ВС).

   Кипение. По мере увеличения температуры жидкости интенсивность испарения увеличивается. Наконец, жидкость начинает кипеть. При кипении по всему объему жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые всплывают на поверхность. Температура кипения жидкости остается постоянной. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия расходуется на превращение ее в пар. При каких условиях начинается кипение?

   В жидкости всегда присутствуют растворенные газы, выделяющиеся на дне и стенках сосуда, а также на взвешенных в жидкости пылинках, которые являются центрами парообразования. Пары жидкости, находящиеся внутри пузырьков, являются насыщенными. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает и пузырьки увеличиваются в размерах. Под действием выталкивающей силы они всплывают вверх. Если верхние слои жидкости имеют более низкую температуру, то в этих слоях происходит конденсация пара в пузырьках. Давление стремительно падает, и пузырьки захлопываются. Захлопывание происходит настолько быстро, что стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва. Множество таких микровзрывов создает характерный шум. Когда жидкость достаточно прогреется, пузырьки перестанут захлопываться и всплывут на поверхность. Жидкость закипит. Понаблюдайте внимательно за чайником на плите. Вы обнаружите, что перед закипанием он почти перестает шуметь.

   Зависимость давления насыщенного пара от температуры объясняет, почему температура кипения жидкости зависит от давления на ее поверхность. Пузырек пара может расти, когда давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из давления воздуха на поверхность жидкости (внешнее давление) и гидростатического давления столба жидкости.

   Обратим внимание на то, что испарение жидкости происходит при температурах, меньших температуры кипения, и только с поверхности жидкости, при кипении образование пара происходит по всему объему жидкости.

   Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости.

   Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. Так, в паровом котле при давлении, достигающем 1,6•106 Па, вода не кипит и при температуре 200°С. В медицинских учреждениях в герметически закрытых сосудах — автоклавах (рис.11.2) кипение воды также происходит при повышенном давлении. Поэтому температура кипения жидкости значительно выше 100°С. Автоклавы применяют для стерилизации хирургических инструментов и др.

   И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Откачивая насосом воздух и пары воды из колбы, можно заставить воду кипеть при комнатной температуре (рис.11.3). При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому уменьшается температура кипения. На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире) давление приближенно равно 4•104 Па (300 мм рт. ст.). Вода кипит там примерно при 70°С. Сварить мясо в этих условиях невозможно.

У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления ее насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения жидкости, так как при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному. Например, при температуре кипения 100°С давление насыщенных паров воды равно 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а паров ртути — всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипит ртуть при температуре 357°С при нормальном давлении.

   Жидкость закипает, когда давление ее насыщенного пара становится равно давлению внутри жидкости.

К занятию прикреплен файл  «Это интересно!». Вы можете скачать файл  в любое удобное для вас время.

Использованные источники:

• http://www.umnik-umnica.com/ru/school/physics/10-klass/
• http://school.xvatit.com/
• http://www.youtube.com/watch?v=j6l1NMlWZD0
• http://www.youtube.com/watch?v=SWWeV1iolIE
• http://www.youtube.com/watch?v=CYRz8_YRjVM

Урок физики «Насыщенный и ненасыщенный пар. Влажность воздуха». 10-й класс

Цель урока: сформировать у учащихся
научное, на основе молекулярно-кинетической
теории, представление о влажности воздуха.

Задачи урока:

• образовательные: дать понятие насыщенного
  и ненасыщенного пара, кипения, влажности воздуха,
  точки росы; опытным путем определить зависимость
  давления насыщенного пара от температуры;
  формировать навыки техники экспериментального
  определения влажности воздуха с помощью
  психрометра; ознакомить учащихся с принципом
  действия приборов для определения влажности
  воздуха;
• развивающие: развивать творческие
  способности, логическое мышление, внимание,
  память;
• воспитательные: воспитание
  самостоятельности, умения сотрудничать при
  работе в группах.

Тип урока: урок моделирования учений и
навыков.

Оборудование урока: таблицы,
психрометр, гигрометры, компьютер, листы А4,
фломастеры, видеоматериал.

ХОД УРОКА

І. Организационный момент

Учитель. Ребята, природа, которая нас
окружает, очень разнообразна. И сегодня снежинки
на уроке окрасились в разные цвета. Выберите себе
понравившуюся снежинку.

(Учащиеся выбирают снежинки разных цветов –
этот цвет определяет группу, в какой ребенок
будет работать).

ІІ. Определение цели и задач урока

Учитель. Снежинки не зря к нам сегодня
прилетели. Они предлагают каждой группе
ассоциации к таким словам: группа синих снежинок
– слово вода, группа сиреневых снежинок – слово
воздух, группа фиолетовых снежинок – слово
дождь, группа зеленых снежинок – слово снег,
група коричневых снежинок – слово чайник. (Учащиеся
систавляют ассоциативные кусты и записывают их
на листах бамаги. После этого обсуждаются
возникшые ассоциации и определяются цель, задачи
урока (слайды 1, 2).

ІІІ. Актуализация опорних знаний

Учитель. Ребята, мы уже определились
чем будем заниматься на уроке. А может нам нет
необходимости изучать новую тему? Давайте
попробуем ответить на вопросы. Вы можете
обсудить ответы в грппах и записать их на листах
бумаги. (Вопросы высвечиваються на экране.
Учащиеся отвечают на листах).

Вопросы:

– Почему в нашем городе так тяжело переносятся
холод и жара?

– Почему в нашем городе так трудно переносится
жара даже 25^oС, хотя в других местах и
большая температура переносится легче?

– Почему зимой на окнах появляются узоры?

– Почему если на горячий чай дуть, то он остывает
быстрее?

– Почему больные люди так внимательно относятся
к прогнозу погоды, когда передают влажность
воздуха?

Учитель. Вы видите, что не смогли сразу
дать ответы. Мы сейчас все ответы проверять не
будем, проверим их в конце урока.

ІV. Изучение нового материала

1. Определение насыщенного и ненасыщенного
пара. Учитель проводит мультимедийные
демонстрации: особенности насыщенных паров,
переход ненасыщенного пара в состояние
насыщения при уменьшении объёма. На основании
этого делаются выводы (слайды 3-4). (Учащиеся
самостоятельно формулируют и записывают выводы
в тетради).

Выводы учащихся и записи в тетрадях:

• Пар, находящийся в термодинамическом
  равновесии со своей жидкостью, называется
  насыщенным.
• Давление пара, при котором жидкость находится в
  равновесии со своим паром, называется давлением
  насыщенного пара.
• Давление насыщенного пара зависит только от его
  химического состава и температуры и не зависит
  от величины объёма, который он занимает.
• При увеличении температуры, увеличивается не
  только скорость молекул, но и их концентрация.

2. Изотермы реальных газов (слайд 5). Учитель
рассматривает отдельные предельные случаи и
вместе с учениками делаются выводы.

Выводы учащихся и записи в тетрадях:

• Если температура газа више критической, тогда
  газ не перейдет в жидкое состояние ни при каком
  давлении;
• Если температура газа равна критической, тога
  газ перейдет в жидкое состояние и без перехода в
  состояние насыщения;
• Если температура газа меньше критической, тогда
  изотермическое сжатие приведет газ в начале в
  состояние насыщения, а затем в жидкое состояние.

3. Кипение. Демонстрации: процесс кипения,
кипение при пониженном давлении (слайд 6).

Выводы учащихся и записи в тетрадях:

• Кипение начинается при температуре, при которой
  давление насыщенного пара в пузырьках
  сравнивается с давлением в жидкости;
• Чем больше внешнее давление, тем выше
  температура кипения;
• Температуру кипения можно понизить, если
  уменьшать внешнее давление.

4. Влажность воздуха, точка росы (слайды 7).

Учитель. В воздухе всегда содержится
некоторое количество водяного пара. Если
водяного пара много, мы говорим, что воздух
влажный, если мало – сухой. Но как определить это
«много» или «мало»? Давайте решим две задачи и
сравним полученные результаты.

Условия задач. Какое наибольшее количество
водяного пара может содержаться в 1 м³
воздуха при температуре 20^oС? 5^oС? При
сравнении результатов выводятся понятия
абсолютной и относительной влажностей, точки
росы.

Выводы учащихся и записи в тетрадях:

• Давление, которое производил бы водяной пар,
  если бы все остальные газы отсутствовали,
  называется парциальным давлением водяного пара;
• Содержание водяного пара в 1 м³ воздуха
  называется абсолютной влажностью;
• Относительной влажностью воздуха называется
  отношение парциального давления водяного пара,
  содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного
  водяного пара при той же температуре;
• Температура, при которой водяной пар становится
  насыщенным, называется точкой росы.

5. Приборы для определения относительной
влажности воздуха (слайд 8)

V. Отработка практических навыков и
умений

1. Учащиеся выполняют лабораторную работу
«Определение относительной влажности воздуха» и
определяют «зону комфорта» для кабинета физики
(слайд 9).

2. Каждая группа учеников за 5 минут составляет
обобщенную характеристику различным природным
явлениям: туман, тучи, роса, иней, паргелий. Ответы
учащихся сравниваются с ответами на слайдах. (Задание
подготовить характеристику различных явлений
природы было домашним).

3. Решение задач.

Первую задачу учитель решает на доске, вторую –
учащиеся решают самостоятельно в тетрадях и т.д.

Задача 1. Найдите относительную
влажность водуха, если парциальное давление
водяного пара в воздухе при 19^oС было 1,1 кПа.

Задача 2. Найдите относительную
влажность воздуха в комнате при температуре 18^oС,
если при температуре 10^oС появилась роса.

Задача 3. В 10 л воздуха при температуре
30^oС содержится 0,2 г водяного пара. Какое
количество пара сконденсируется, если при
постоянной температуре уменьшить объём воздуха
вдвое?

Задача 4. Найдите массу 1 м³
влажного воздуха при температуре 36^oС и
давлении 1013 гПа, если относительная влажность
его 80%, а давление насыщенного пара при этой
температуре 5,945 кПа.

VІ. Закрепление изученного материала

Учитель. Я предлагаю вам вернуться в начало
нашего урока и еще раз ответить на
задачи-вопросы. Давайте сравним ответы и
определим, что мы узнали сегодня, какие выводы
можно сделать.

(Каждая группа отвечает на один вопрос, ответ
обсуждается и делаются выводы).

VІІ. Рефлексия

Учитель. Мы подошли к концу урока.
Возьмите каждый свою снежинку и запишите на
обратной стороне три слова, которые вам
запомнились за урок больше всего.

VІІІ. Домашние задание

Выучить §35-36. Составить три качественные задачи
на тему «Влажность воздуха». Практическое
задание: определить влажность воздуха в квартире
в помощью термометра.

Богданов К.Ю. — учебник по физике для 10 класса

§ 27.  ЗАВИСИМОСТЬ ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕННОГО ПАРА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ.
КИПЕНИЕ.

Кипение – это интенсивный процесс испарения,
происходящий по всему объёму жидкости и на её поверхности. Жидкость начинает
кипеть, когда давление её насыщенного пара приближается к давлению внутри жидкости.

Пар – это газ,
образованный испарившимися молекулами жидкости, и поэтому для него справедливо уравнение
(23.7), связывающее давление пара, p, концентрацию молекул в нём, n и абсолютную температуру, T:

p = nkT.                             (27.1)

Из (27.1) следует, что
давление насыщенного пара должно увеличиваться линейно с ростом температуры,
как это имеет место у идеальных газов при изохорных процессах (см. §25).
Однако, как показали измерения, давление насыщенного пара растёт с температурой
гораздо быстрее, чем давление идеального газа (см. рис.27а). Происходит
это из-за того, что с ростом температуры, а значит, и средней кинетической
энергии, всё больше и больше  молекул
жидкости покидают её, увеличивая концентрацию, n пара над ней. А т.к. согласно (27.1) давление
пропорционально n, то это увеличение концентрации пара и объясняет более
быстрый рост давления насыщенного пара с температурой, по сравнению с идеальным
газом. Рост давления насыщенных паров с температурой объясняет известный всем
факт – при нагревании жидкости испаряются быстрее. Отметим, что, как только
рост температуры приведёт к полному испарению жидкости, пар станет ненасыщенным,
а зависимость его давления от температуры превратится в прямую, пересекающую
ось абсцисс при T = 0 ^оС. (см. рис.27б).

Кипением называют образование большого числа
пузырьков пара, всплывающих и лопающихся на
поверхности жидкости при её нагревании. На самом деле, эти пузырьки присутствуют
в жидкости всегда, но их размеры растут, и они становятся заметны только при
кипении. Одна из причин того, что в жидкости всегда есть микропузырьки, следующая.
Жидкость, когда её наливают в сосуд, вытесняет оттуда воздух, но полностью
этого сделать не может, и маленькие его пузырьки остаются в микротрещинах и
неровностях внутренней поверхности сосуда. Кроме того, в жидкостях обычно
содержатся микропузырьки пара и воздуха, прилипшие к
мельчайшим частицам пыли.

При нагревании жидкости в
каждом из пузырьков процесс испарения ускоряется, а давление насыщенного пара
растёт. Пузырьки расширяются и под действием выталкивающей силы Архимеда
отрываются от дна, всплывают и лопаются на поверхности.
При этом пар, наполнявший пузырьки, уносится в атмосферу. Поэтому кипение и
называют испарением, происходящим во всём объёме жидкости. Кипение начинается при
той температуре, когда пузырьки газа имеют возможность расширяться, а это
происходит, если давление насыщенного пара превышает атмосферное давление. Таким
образом, температура кипения – это температура, при которой давление
насыщенного пара данной жидкости равно атмосферному давлению. Пока жидкость
кипит её температура остаётся постоянной.

Чем меньше атмосферное
давление, тем при более низкой температуре кипит данная жидкость (см. рис.27в).
Так, на вершине горы Эльбрус, где давление воздуха в два раза меньше нормального,
обычная вода кипит не при 100 ^оС, а при 82 ^оС. Наоборот,
если необходимо повысить температуру кипения жидкости, то её нагревают при
повышенном давлении. На этом, например, основана работа скороварок, где еда,
содержащая воду, может вариться при температуре более 100 ^оС, не закипая.

Даже при нормальном
атмосферном давлении разные жидкости кипят при разных температурах, например,
ацетон – при 56 ^оС, а этиловый спирт при 78 ^оС.
Температура кипения железа – 2800 ^оС, а вольфрама – 6000 ^оС.
То, что жидкости кипят при разных температурах, используется в получении
различных нефтепродуктов из нефти путём её нагревания, т.к. весь бензин,
например, испаряется из нефти раньше, чем масла и мазут.

 Процесс кипения невозможен без участия
архимедовой выталкивающей силы. Поэтому на космических станциях в условиях
невесомости кипения нет, а нагрев воды приводит только к увеличению размеров
пузырьков пара и их объединению в один большой паровой пузырь внутри сосуда с
водой.          

Вопросы для повторения:

·       
Как давление насыщенных и ненасыщенных паров зависит от
температуры?

·       
Что такое кипение, и при какой температуре оно происходит?

·       
Как зависит температура кипения от атмосферного давления?

Рис. 27.
(а)- зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры; (б)
– зависимость давления водяного пара от температуры до (слева от синего пунктира)
и после того, как вся вода испарилась; (в) – жидкость, кипящая на
горелке (слева), остывшая (середина) и закипающая вновь при уменьшении давления
воздуха в колбе (справа).

Какой пар называется насыщенным. Насыщенный пар
ненасыщенный пар

Пар называется насыщенным
, если количество молекул вещества, переходящих в газообразное состояние, равно количеству молекул, возвращающихся в жидкую или твердую фазу. Это состояние динамического равновесия.
Если количество испаряющихся молекул больше, чем конденсирующихся, то пар ненасыщенный
. Процесс испарения продолжается до тех пор, пока будет достигнуто состояние динамического равновесия, или пока все вещество не испарится.

Давление пара – что это?

Насыщенный и ненасыщенный пар прежде всего ассоциируется с водяным паром. Содержание пара в воздухе – важная характеристика климата, погодных условий, санитарно-гигиенических условий помещения. В то же время давление пара – это техническая характеристика состояния термодинамической системы.
При испарении в герметично закрытом сосуде пар оказывает давление на поверхность жидкости. Чем выше температура, тем выше давление пара. Оно может и железный котел разорвать, если слишком сильно повышать температуру.
В замкнутом сосуде между водой и паром быстро достигается динамическое равновесие, и пар становится насыщенным. На открытом воздухе чаще наблюдается ненасыщенный пар. Важная характеристика погодных условий – относительная влажность воздуха, которая вычисляется как отношение давления имеющегося в воздухе пара к давлению насыщенного пара при данной температуре
.

Водяной пар: чем холоднее погода, тем суше воздух

Абсолютная влажность – это количество водяных паров, содержащихся в единице объема воздуха. При низких температурах в воздухе мало водяного пара, в абсолютном исчислении, но при этом пар может быть насыщенным или имеет относительную влажность более 90 %. При нагревании воздуха до 20° С абсолютное содержание остается прежним, но относительная влажность резко снижается, воздух становится сухим, абсолютная влажность может составлять 15-20 %.
Поэтому зимой в отапливаемом помещении чересчур сухой воздух, и это не связано с видом обогревателя, а связано лишь с разницей температур на улице и в помещении.

Насыщенный пар в термодинамике

Давление насыщенного пара при повышении температуры растет значительно быстрее, чем давление идеального газа при повышении температуры в замкнутом объеме. Именно поэтому для первых тепловых двигателей использовался водяной пар, а точнее система вода-пар. При нагревании такой системы увеличивается не только давление пара, но и количество молекул пара, их концентрация.

После закипания температура воды перестает расти и остается неизменной до полного испарения. Парообразование — это процесс перехода из жидкого состояния в пар, который имеет тот же температурный показатель, что и кипящая жидкость. Это испарение получило название насыщенный пар. Когда вся вода испаряется, любое последующее добавление тепла повышает температуру. Нагретый пар за уровнем насыщенного называется перегретым. В промышленности обычно используется насыщенный пар для отопления, приготовления пищи, сушки или других процедур. Перегретый используется исключительно для турбин. Различные типы пара имеют разные энергии обменного потенциала и это оправдывает их применение в совершенно различных целях.

Пар как одно из трех физических состояний

Лучше понять свойства пара может помочь понимание общего молекулярного и атомарного строения вещества, а также применение этого знания касательно льда, воды и пара. Молекула — это наименьшая единица любого элемента или соединения. Она, в свою очередь, состоит из еще более мелких частиц, называемых атомами, которые определяют базовые элементы, такие как водород и кислород. Конкретные комбинации этих атомарных элементов обеспечивают соединение веществ. Одно из таких соединений представлено химической формулой Н 2 О, молекулы которого состоят из 2 атомов водорода и 1 атома кислорода. Углерода имеется также в изобилии, это ключевой компонент всех органических веществ. Большинство минеральных веществ могут существовать в трех физических состояниях (твердое тело, жидкость и пар), которые называются фазами.

Процесс образования пара

Когда температура воды приближается к точке кипения, некоторые молекулы получают достаточное количество кинетической энергии для достижения скоростей, которые позволяют им на мгновение отделиться от жидкости в пространстве над поверхностью, прежде чем вернуться. Дальнейшее нагревание вызывает большее возбуждение и число молекул, желающих покинуть жидкость, увеличивается. При атмосферном давлении температура насыщения составляет 100 °С. Пар с температурой кипения при таком давлении носит название сухой насыщенный пар. Как фазовый переход от льда к воде, процесс испарения является также обратимым (конденсация). Критическая точка — это наибольшая температура, при которой вода может находиться в жидком состоянии. Выше этой точки пар может рассматриваться как газ. Газообразное состояние является подобием диффузного, в котором молекулы имеют почти неограниченную возможность движения.

Взаимосвязь переменных

При заданной температуре существует определенное давление пара, которое существует в равновесии с жидкой водой. Если этот показатель растет, пар перегревается и называется сухим. Существует взаимосвязь между давлением и температурой: зная одно значение, можно определить другое. Состояние пара определяется тремя переменными: давлением, температурой и объемом. Сухой насыщенный пар — это состояние, когда пар и вода могут присутствовать одновременно. Иными словами, это происходит тогда, когда скорость парообразования равна скорости конденсации.

Насыщенный пар и его свойства

При обсуждении свойств насыщенного пара его часто сравнивают с иде-аль-ным газом. Есть ли у них что-то общее или это простое заблуждение? Во-первых, при неизменном уровне тем-пе-ра-ту-ры плот-ность не находится в за-ви-симости от объ-е-ма. Визуально это можно себе представить следующим образом: нужно визуально уменьшить объем емкости с паром, не изменяя при этом температурные показатели. Число конденсируемых мо-ле-кул будет пре-восходить число испаряющихся, а пар будет возвращаться в со-сто-я-ние баланса. В результате плот-ность будет неизменным параметром. Во-вторых, такие характеристики, как дав-ле-ние и объ-е-м, не зависят друг от друга. В-третьих, учитывая неизменность объ-е-мных характеристик, плот-ность молекул возрастает, когда растет тем-пе-ра-ту-ра, и становится меньше, когда она понижается. На самом деле, при нагревании вода начинает испаряться быстрее. Баланс в этом случае будет нарушен и не будет восстановлен до тех пор, пока плот-ность пара не вернется на прежние позиции. При конденсации, наоборот, плотность насыщенного пара будет уменьшаться. В отличие от идеального газа, насыщенный пар нельзя назвать замкнутой системой, так как он постоянно контактирует с водой.

Преимущества в сфере отопления

Насыщенным называется чистый пар в непосредственном контакте с жидкой водой. Он обладает многими характеристиками, которые делают его отличным источником тепловой энергии, особенно это касается высоких температур (выше 100 °C). Некоторые из них:

Различные виды пара

Пар — это газообразная фаза воды. Он использует тепло во время своего образования и выделяет большое количество тепла после этого. Следовательно, он
может быть использован в качестве рабочего вещества для тепловых двигателей. Известны следующие состояния: влажный насыщенный, сухой насыщенный и перегретый. Насыщенный пар предпочтительнее перегретого пара в качестве теплоносителя в теплообменниках. Когда он выбрасывается в атмосферу из труб, часть его конденсируется, образуются облака белого влажного испарения, содержащего мельчайшие капельки воды. Перегретый пар не будет подвержен конденсации, даже при вступлении в непосредственный контакт с атмосферой. В перегретом состоянии он будет иметь большую теплоотдачу за счет ускорения движения молекул и меньшей плотности. Наличие влаги вызывает осаждение, коррозию и снижению продолжительности службы котлов или другого теплообменного оборудования. Следовательно, сухой пар является предпочтительным, поскольку он вырабатывает больше энергии и не вызывает коррозии.

Сухой и насыщенный: в чем противоречие

Многие путаются с терминами «сухой» и «насыщенный». Как может быть нечто одновременно и тем и другим? Ответ кроется в терминологии, которую мы используем. Термин «сухой» связывают с отсутствием влаги, то есть «не мокрый». «Насыщенный» означает «замоченный», «промокший», «затопленный», «заваленный» и так далее. Все это, казалось бы, подтверждает противоречие. Однако в паровой инженерии термин «насыщенный» имеет другое значение и в данном контексте означает состояние, при котором происходит кипение. Таким образом, температура, при которой происходит кипение, известна технически как температуры насыщения. Сухой пар в данном контексте не имеет в себе влаги. Если понаблюдать за кипящим чайником, то можно увидеть выходящее из носика чайника белое испарение. На самом деле, это смесь сухого бесцветного пара и влажного пара, содержащего в себе капельки воды, которые отражают свет и окрашиваются в белый цвет. Поэтому термин «сухой насыщенный пар» означает, что пар обезвожен и не перегрет. Свободное от частиц жидкости, это вещество в газообразном состоянии, которое не следуют общим газовым законам.

Прежде, чем отвечать на вопрос, поставленный в названии статьи, разберемся, что такое пар. Образы, возникающие у большинства людей при этом слове: кипящий чайник или кастрюля, парилка, горячий напиток и еще множество подобных картинок. Так или иначе, в наших представлениях присутствует жидкость и газообразная субстанция, поднимающаяся над ее поверхностью. Если вас попросят привести пример пара, вы сразу вспомните водяной пар, пары спирта, эфира, бензина, ацетона.

Существует еще одно слово для обозначения газообразных состояний – газ
. Здесь мы обычно вспоминаем кислород, водород, азот и другие газы, не ассоциируя их с соответствующими жидкостями. При этом хорошо известно, что они существуют и в жидком состоянии. На первый взгляд различия заключаются в том, что пар соответствует естественным жидкостям, а газы надо сжижать специально. Однако это не совсем верно. Более того, образы, возникающие при слове пар – паром не являются. Чтобы дать более точный ответ, разберемся, как возникает пар.

Чем отличается пар от газа?

Агрегатное состояние вещества задается температурой, точнее соотношением между энергией, с которой взаимодействуют его молекулы и энергией их теплового хаотического движения. Приближенно, можно считать, что если энергия взаимодействия значительно больше – твердое состояние, если значительно больше энергия теплового движения — газообразное, если энергии сравнимы – жидкое.

Получается, чтобы молекула могла оторваться от жидкости и участвовать в образовании пара, величина тепловой энергии должна быть больше энергии взаимодействия. Как это может произойти? Средняя скорость теплового движения молекул равна определенному значению, зависящему от температуры. Однако индивидуальные скорости молекул различны: большая их часть обладает скоростями близкими к среднему значению, но некоторая часть имеет скорости больше средней, некоторая — меньше.

Более быстрые молекулы могут иметь тепловую энергию большую, чем энергия взаимодействия, а значит, попав на поверхность жидкости, способны оторваться от нее, образуя пар. Такой способ парообразования называется испарением
. Из-за того же распределения скоростей существует и противоположный процесс — конденсация: молекулы из пара переходят в жидкость. Кстати образы, которые обычно возникают при слове пар, это не пар, а результат противоположного процесса — конденсации. Пар увидеть нельзя.

Пар при определенных условиях может стать жидкостью, но для этого его температура не должна превышать определенного значения. Это значение называется критической температурой. Пар и газ — газообразные состояния, отличающиеся температурой, при которой они существуют. Если температура не превышает критической — пар, если превышает – газ. Если поддерживать температуру постоянной и уменьшать объем, пар — сжижается, газ – не сжижается.

Что такое пар насыщенный и ненасыщенный

Само слово «насыщенный» несет определенную информацию, трудно насытить большую область пространства. Значит, чтобы получить насыщенный пар, надо ограничить пространство, в котором находится жидкость
. Температура при этом должна быть меньше критической для данного вещества. Теперь испарившиеся молекулы остаются в пространстве, где находится жидкость. Сначала большинство переходов молекул будет происходить из жидкости, при этом плотность пара будет повышаться. Это в свою очередь вызовет большее число обратных переходов молекул в жидкость, что увеличит скорость процесса конденсации.

Наконец, устанавливается состояние, для которого среднее число молекул, переходящих из одной фазы в другую будет равным. Такое состояние называется динамическое равновесие
. Для этого состояния характерно одинаковое изменение величины и направления скоростей испарения и конденсации. Это состояние соответствует насыщенному пару. Если состояние динамического равновесия не достигнуто, это соответствует ненасыщенному пару.

Начинают изучение какого-то объекта, всегда с самой простой его модели. В молекулярно-кинетической теории это — идеальный газ. Основные упрощения здесь — пренебрежение собственным объемом молекул и энергией их взаимодействия. Оказывается, подобная модель вполне удовлетворительно описывает ненасыщенный пар. Причем чем менее он насыщен, тем правомернее ее применение. Идеальный газ — это газ, он не может стать ни паром, ни жидкостью. Следовательно, для насыщенного пара подобная модель не является адекватной.

Основные отличия насыщенного пара от ненасыщенного

1. Насыщенный означает, что данный объект имеет самое большое из возможных значений некоторых параметров. Для пара — это плотность и давление
   . Эти параметры для ненасыщенного пара имеют меньшие значения. Чем дальше пар от насыщения, тем меньше эти величины. Одно уточнение: температура сравнения должна быть постоянной.
2. Для ненасыщенного пара выполняется закон Бойля-Мариотта
   : если температура и масса газа постоянны, увеличение или уменьшение объема, вызывает уменьшение или увеличение давления во столько же раз, давление и объем — связаны обратно пропорциональной зависимостью. Из максимальности плотности и давления при постоянной температуре вытекает их независимость от объема насыщенного пара, получается, что для насыщенного пара давление и объем — не зависят друг от друга.
3. Для ненасыщенного пара плотность не зависит от температуры
   , и если объем сохраняется, не меняется и значение плотности. Для насыщенного пара при сохранении объема плотность изменяется, если изменяется температура. Зависимость в данном случае прямая. Если увеличивается температура, увеличивается и плотность, если температура уменьшается, так же изменяется плотность.
4. Если объем постоянен, ненасыщенный пар ведет себя в соответствии с законом Шарля: при увеличении температуры во столько же раз увеличивается и давление. Такая зависимость называется линейной. У насыщенного пара при увеличении температуры давление возрастает быстрее, чем у ненасыщенного пара. Зависимость имеет экспоненциальный характер.

Подводя итог, можно отметить значительные различия свойств сравниваемых объектов. Основное отличие в том, что пар, в состоянии насыщения, нельзя рассматривать в отрыве от его жидкости. Это двухкомпонентная система, к которой нельзя применять большинство газовых законов.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Испарение
— это процесс превращения жидкости в пар.

В жидкости (или твердом теле) при любой температуре существует некоторое количество «быстрых» молекул, кинетическая энергия которых больше потенциальной энергии их взаимодействия с остальными частицами вещества. Если такие молекулы оказываются вблизи поверхности, то они могут преодолеть притяжение остальных молекул и вылететь за пределы жидкости, образуя над ней пар. Испарение твердых тел также часто называют возгонкой или сублимацией
.

Испарение происходит при любой температуре, при которых данное вещество может находиться в жидком или твердом состояниях. Однако интенсивность испарения зависит от температуры. При повышении температуры количество «быстрых» молекул увеличивается, и, следовательно, интенсивность испарения возрастает. Скорость испарения также зависит от площади свободной поверхности жидкости от вида вещества. Так, например, вода, налитая в блюдце, испарится быстрее воды, налитой в стакан. Спирт испаряется быстрее воды и т.д.

Конденсация

Количество жидкости в открытом сосуде вследствие испарения непрерывно уменьшается. Но в плотно закрытом сосуде этого не происходит. Объясняется это тем, что одновременно с испарением в жидкости (или твердом теле) происходит обратный процесс. Молекулы пара движутся над жидкостью хаотически, поэтому часть из них под действием притяжения молекул свободной поверхности попадает обратно в жидкость. Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией. Процесс превращения пара в твердое тело обычно называют кристаллизацией из пара.

После того, как мы нальем жидкость в сосуд и плотно его закроем, жидкость начнет испаряться, и плотность пара над свободной поверхностью жидкости будет увеличиваться. Однако, одновременно с этим будет расти число молекул, возвращающихся обратно в жидкость. В открытом сосуде ситуация иная: покинувшие жидкость молекулы могут не возвращаться в жидкость. В закрытом сосуде с течением времени устанавливается равновесное состояние: число молекул, покидающих поверхность жидкости, становится равным числу молекул пара, возвращающихся в жидкость. Такое состояние называется состоянием динамического равновесия
(рис.1). В состоянии динамического равновесия между жидкостью и паром одновременно происходит и испарение и конденсация, и оба процесса компенсируют друг друга.

Рис.1. Жидкость в состоянии динамического равновесия

Насыщенный и ненасыщенный пар

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Насыщенный пар
— это пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью.

Название «насыщенный» подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара. Насыщенный пар имеет максимальную плотность при данной температуре, а, следовательно, оказывает максимальное давление на стенки сосуда.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ненасыщенный пар
— пар, не достигший состояния динамического равновесия.

У разных жидкостей насыщение пара происходит при различных плотностях, что обусловлено различием в молекулярной структуре, т.е. различием сил межмолекулярного взаимодействия. В жидкостях, у которых силы взаимодействия молекул велики (например, в ртути), состояние динамического равновесия достигается при небольших плотностях пара, так как количество молекул, способных покинуть поверхность жидкости, невелико. Наоборот, у летучих жидкостей с малыми силами притяжения молекул, при тех же температурах из жидкости вылетает значительное количество молекул и насыщение пара достигается при большой плотности. Примерами таких жидкостей являются этанол, эфир и др.

Так как интенсивность процесса конденсации пара пропорциональна концентрации молекул пара, а интенсивность процесса испарения зависит только от температуры и резко возрастает с ее ростом, то концентрация молекул в насыщенном паре зависит только от температуры жидкости. Поэтому давление насыщенного пара зависит только от температуры и не зависит от объема.
Причем с ростом температуры величина концентрации молекул насыщенного пара и, следовательно, плотность и давление насыщенного пара быстро растут. Конкретные зависимости давления и плотности насыщенного пара от температуры различны для разных веществ и могут быть найдены из справочных таблиц. При этом оказывается, что насыщенный пар, как правило, хорошо описывается уравнением Клайперона-Менделеева. Однако, при сжатии или нагревании масса насыщенного пара изменяется.

Ненасыщенный пар с достаточной степенью точности подчиняется законам идеального газа.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

При испарении одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших ее, снова возвращается в жидкость.

Давление насыщенного пара.

При сжатии насыщенного пара, температура которого под-держивается постоянной, равновесие сначала начнет нарушаться: плотность пара возрастет, и вследствие этого из газа в жидкость будет переходить больше молекул, чем из жидкости в газ; продолжаться это будет до тех пор, пока концентрация пара в новом объеме не станет прежней, соответствующей концентрации насыщенного пара при данной температуре (и равновесие восста-новится). Объясняется это тем, что число молекул, покидающих жидкость за единицу времени, зависит только от температуры.

Итак, концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объема.

Поскольку давление газа пропорционально концентрации его молекул, то и давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема. Давление р 0
, при котором жидкость находит-ся в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара
.

При сжатии насыщенного пара большая его часть переходит в жидкое состояние. Жидкость занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем пара при неизменной его плотности уменьшается.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры.

Для идеального газа справедлива линейная зависимость давления от температуры при постоянном объеме. Применительно к насыщенному пару с давлением р 0
эта зависимость выражается равенством:

p 0 =nkT.

Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следова-тельно, оно зависит только от температуры.

Экспериментально определенная зависимость p 0 (T)
отличается от зави-симости (p 0 =nkT
) для идеального газа.

С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального га-за (участок кривой АВ
на рисунке). Это становится особенно очевидным, если провести изохору через точку A
(пунктирная прямая). Происходит это потому, что при нагревании жидкости часть ее превращается в пар, и плотность пара растет. Поэтому, согласно формуле (p 0 =nkT
), давление насы-щенного пара растет не только в результате повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара заключается в из-менении массы пара при изменении температуры при неизменном объеме (в закрытом сосуде) или при изменении объема при постоянной температуре. С идеальным газом ничего подобного происходить не может (молекулярно-кинетическая теория идеального газа не предусматривает фазового перехода газа в жидкость).

После испарения всей жидкости поведение пара будет соответствовать поведению идеального газа (участок ВС
кривой на рисунке выше).

Ненасыщенный пар.

Если в пространстве, содержащем пары какой-либо жидкости, может происходить дальнейшее испарение этой жидкости, то пар, находящийся в этом пространстве, является ненасыщенным.

Пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.

Ненасыщенный пар можно простым сжатием превратить в жидкость. Как только это превращение началось, пар, находящийся в равновесии с жидкостью, становится насыщенным.

Насыщенный пар и перегретый пар

Для неподготовленного взгляда пар бывает одной формы. Это то, что вы видите после

летний дождь или надоедливый газ, превращающийся в газ, запотевающий зеркало. Но есть

больше, чтобы париться, и знание различий между типами является ключом к полной

преимущество их свойств.

Сегодня мы рассмотрим сходства и различия между насыщенными и

перегретый пар, включая то, как и почему они используются в приложениях.

Поднимите огонь

Основы пара просты: когда вода нагревается, она превращается в пар.

готовить на пару. Во время этого процесса парообразования пар переходит из жидкой фазы в газовую фазу, которую можно использовать и контролировать во многих промышленных процессах.

Но именно при повышении температуры (с помощью независимого «пароперегревателя») насыщенный пар становится перегретым паром. Короче говоря, перегретый пар называется

именно то, что это такое: насыщенный пар, температура которого значительно повысилась.Однако важно отметить, что момент, когда насыщенный пар становится

перегретый пар зависит от давления и температуры пара. Это означает, что после того, как пар нагреется выше точки кипения для этого конкретного давления, он станет

перегретый пар.

Место на каждого

Учитывая универсальность пара, неудивительно, что насыщенный пар имеет множество применений.

случаи. Прежде всего, большим преимуществом насыщенного пара является его способность адаптироваться к температуре.

изменяется из-за давления.Температура насыщенного пара напрямую связана

к его давлению, а это означает, что управлять им так же просто, как увеличивать или уменьшать давление. Напротив, температура перегретого пара не связана с его давлением.

Кроме того, способность насыщенного пара к равномерному нагреву во всем

полезный и практичный продукт. Пример использования насыщенного пара

можно найти здесь:

Электронный контроль температуры насыщенного пара

Перегретый пар не так распространен, но все же имеет важное применение: турбины.Поскольку перегретый пар не образует капель при высокой температуре, он может сохранять

его оборудование высыхает, спасая их от повреждения водой. Это невероятно

важно, так как любое повреждение турбин может иметь катастрофические последствия как для технологического процесса, так и для

стоимость машины.

Для других применений перегретый пар не имеет значения из-за его высоких затрат на

производство, требующее дорогостоящих машин для создания нужной температуры. Кроме того, его

поддерживать температуру с помощью давления не так просто, как насыщенного пара, что создает трудности

вызов своим пользователям.

Burling Valve может работать с насыщенным паром в различных областях применения.

и давления, в том числе до 425ºF и 400 фунтов на квадратный дюйм.

Свойства насыщенного пара — Давление в барах

Для полного стола — поверните экран!

101

614,46

,4 2397,85

6

960065

107,13

111,37

111,37

2698,97

7

2,1981

6

6

900,99

0,25

2

8

,5 2,9036

900

1

60

60

60 900,00 900,00

¹⁾ 1 бар абс. = 0 бар ман. = 100 кПа абс. = Атмосферное давление

• Вакуумный пар является общим термином. насыщенный пар при температуре ниже 100 ° C .

Пример — Кипящая вода при

100 ^o C , 0 бар (100 кПа) Атмосферное давление

При атмосферном давлении (0 бар изб., Абсолютное давление 1 бар) вода кипит при 100 ^o C и 417,51 кДж энергии требуется для нагрева 1 кг воды от 0 ^o C до температуры кипения 100 ^o C .

Следовательно, удельная энтальпия воды при 0 бар г (абсолютная 1 бар ) и 100 ^o C равна 417.51 кДж / кг .

Еще 2257,92 кДж энергии требуется для испарения 1 кг воды при 100 ^o C в 1 кг пара при 100 ^o C . Следовательно, при 0 бар г ( абс. 1 бар ) удельная энтальпия испарения составляет 2257,19 кДж / к г.

Полная удельная энтальпия пара при 0 бар манометра составляет:

ч _с = (417.51 кДж / кг) + (2257,92 кДж / кг)

= 2675,43 кДж / кг

Пример — Кипящая вода при

170 ^o C и 7 бар (700 кПа) Атмосферное давление

Пар при атмосферное давление имеет ограниченное практическое применение, поскольку оно не может быть передано собственным давлением по паропроводу к точкам использования. В парораспределительной системе давление всегда превышает 0 бар ман.

При 7 бар изб. ( абсолютных 8 бар ) температура насыщения воды составляет 170.42 ^o С . Для повышения температуры до точки насыщения 7 бар изб. требуется больше тепловой энергии, чем требуется, когда вода находится под атмосферным давлением. Согласно таблице 720,94 кДж требуется для подъема 1 кг воды с 0 ^o C до температуры насыщения 170 ^o C .

Тепловая энергия (энтальпия испарения), необходимая при 7 бар изб. для превращения воды в пар, на самом деле меньше, чем требуется при атмосферном давлении.Удельная энтальпия парообразования уменьшается с увеличением давления пара. Теплота испарения составляет 2046,53 кДж / кг при 7 бар изб. .

• Примечание! Удельный объем пара уменьшается с увеличением давления — и количество тепловой энергии, распределяемой таким же объемом, увеличивается. Чем выше давление, тем больше энергии можно передать в парораспределительной системе.

Перегретый пар | Спиракс Сарко

Пример 2.3,2

Насколько больше тепла имеет перегретый пар с температурой 400 ° C и давлением 1,013 бар абс. (0 бар изб.), Чем насыщенный пар при том же давлении?

Это может показаться полезным увеличением энергии, но на самом деле это усложнит жизнь инженеру, который хочет использовать пар для обогрева.

По показанной энергии перегрева можно определить удельную теплоемкость, разделив это значение на разницу температур между температурой насыщения (100 ° C) и температурой перегретого пара (400 ° C):

Однако, в отличие от удельной теплоемкости воды, удельная теплоемкость перегретого пара значительно зависит от давления и температуры и не может считаться постоянной.

Таким образом, приведенное выше значение 2,0 кДж / кг ° C является лишь средней удельной теплоемкостью в указанном диапазоне температур для данного давления.

Нет прямой зависимости между температурой, давлением и удельной теплоемкостью перегретого пара. Однако существует общая тенденция к увеличению удельной теплоемкости с увеличением давления при низких степенях перегрева, но это не всегда так.

Можно ли использовать перегретый пар в технологических теплообменниках и других процессах нагрева?

Хотя перегретый пар и не является идеальной средой для передачи тепла, перегретый пар иногда используется для технологического нагрева на многих паровых установках по всему миру, особенно на предприятиях по переработке углеводородов (HPI), которые производят масла и нефтехимические продукты.Скорее всего, это связано с тем, что перегретый пар уже доступен на месте для выработки электроэнергии и является предпочтительным источником энергии для турбин, а не потому, что он имеет какое-либо преимущество перед насыщенным паром для целей отопления. Чтобы прояснить этот момент, в большинстве случаев для процессов теплопередачи следует использовать насыщенный пар, даже если для этого требуется охлаждение пара. HPI часто перегревают пар с точностью до десяти градусов перегрева. Этот небольшой перегрев легко устраняется в первой части поверхности нагрева.С большим перегревом труднее справиться, и его часто нерентабельно, и (в целях обогрева) его лучше избегать.

Существует несколько причин, по которым перегретый пар не так подходит для технологического нагрева, как насыщенный пар:

Перегретый пар должен остыть до температуры насыщения, прежде чем он сможет сконденсироваться, чтобы высвободить скрытое тепло (энтальпию испарения). Количество тепла, отдаваемого перегретым паром при его охлаждении до температуры насыщения, относительно мало по сравнению с его энтальпией испарения.

Если пар имеет всего несколько градусов перегрева, это небольшое количество тепла быстро отдается, прежде чем он конденсируется. Однако, если пар имеет большую степень перегрева, для его охлаждения может потребоваться относительно много времени, в течение которого пар выделяет очень мало энергии.

В отличие от насыщенного пара, перегретый пар имеет неодинаковую температуру. Перегретый пар должен остыть, чтобы отдать тепло, в то время как насыщенный пар меняет фазу. Это означает, что температурные градиенты на поверхности теплопередачи могут возникать с перегретым паром.

В теплообменнике использование перегретого пара может привести к образованию зоны кипения с сухой стенкой рядом с трубной решеткой. Эта область сухой стенки может быстро покрыться окалиной или загрязниться, и, как следствие, высокая температура стенки трубы может вызвать ее выход из строя.

Это ясно показывает, что в системах теплопередачи пар с большой степенью перегрева малопригоден, потому что он:

• Отдает немного тепла, пока не остынет до температуры насыщения.
• Создает температурные градиенты по теплопередающей поверхности по мере ее охлаждения до температуры насыщения.
• Обеспечивает более низкий уровень теплопередачи при перегреве пара.
• Требуется большая площадь теплообмена.

Итак, перегретый пар не так эффективен, как насыщенный пар, для теплопередачи. Это может показаться странным, учитывая, что скорость теплопередачи через поверхность нагрева прямо пропорциональна разнице температур на ней. Если перегретый пар имеет более высокую температуру, чем насыщенный пар при том же давлении, наверняка перегретый пар должен отдавать больше тепла? Ответ на это «нет».Теперь это будет рассмотрено более подробно.

Верно, что разница температур будет влиять на скорость теплопередачи через поверхность теплопередачи, как ясно показано в уравнении 2.5.3.

Уравнение 2.5.3 также показывает, что теплопередача будет зависеть от общего коэффициента теплопередачи «U» и площади теплопередачи «A».

Для любого отдельного применения площадь теплопередачи может быть фиксированной. Однако этого нельзя сказать о значении «U»; и это главное различие между насыщенным и перегретым паром.

Общее значение «U» для перегретого пара будет меняться в течение всего процесса, но всегда будет намного ниже, чем для насыщенного пара. Трудно предсказать значения «U» для перегретого пара, поскольку они будут зависеть от многих факторов, но, как правило, чем выше степень перегрева, тем ниже значение «U».

Как правило, для горизонтального парового змеевика, окруженного водой, значения «U» могут составлять от 50 до 100 Вт / м² ° C для перегретого пара, но 1 200 Вт / м² ° C для насыщенного пара, как показано на рисунке 2.3.4.

Для применений пар-масло значение «U» может быть значительно меньше, возможно, всего лишь 20 Вт / м² ° C для перегретого пара и 150 Вт / м² ° C для насыщенного пара.

В кожухотрубном теплообменнике можно ожидать 100 Вт / м² ° C для перегретого пара и 500 Вт / м² ° C для насыщенного пара. Эти цифры типичны; фактические цифры могут отличаться из-за других конструктивных и эксплуатационных соображений.

Хотя температура перегретого пара всегда выше, чем у насыщенного пара при том же давлении, его способность передавать тепло намного ниже.Общий эффект заключается в том, что перегретый пар гораздо менее эффективен при передаче тепла, чем насыщенный пар при том же давлении. В следующем разделе «Обрастание» приводится более подробная информация.

Перегретый пар не только менее эффективен при передаче тепла, его очень трудно количественно определить с помощью уравнения 2.5.3, Q̇ = U A ΔT, так как температура пара будет падать, поскольку он отдает свое тепло при прохождении по поверхности нагрева.

Прогнозировать размер поверхностей теплопередачи, использующих перегретый пар, сложно и сложно.На практике основные данные, необходимые для выполнения таких расчетов, либо неизвестны, либо получены эмпирическим путем, что ставит под сомнение их надежность и точность.

Очевидно, что поскольку перегретый пар менее эффективен при передаче тепла, чем насыщенный пар, то любая зона нагрева, использующая перегретый пар, должна быть больше, чем змеевик насыщенного пара, работающий при том же давлении, для обеспечения того же теплового потока.

Если нет другого выбора, кроме как использовать перегретый пар, невозможно поддерживать пар в его перегретом состоянии по всему нагревательному змеевику или теплообменнику, поскольку, поскольку он передает часть своего теплосодержания вторичной жидкости, он охлаждается до насыщения. температура.Количество тепла выше насыщения довольно мало по сравнению с большим количеством, доступным при конденсации.

При этом пар должен относительно быстро достичь насыщения; это позволяет пару конденсироваться, чтобы обеспечить более высокую скорость теплопередачи и привести к более высокому общему значению «U» для всего змеевика, см. рисунок 2.3.5.

Чтобы сделать это возможным, перегретый пар, используемый для теплопередачи, не должен выдерживать перегрева более 10 ° C.

Если это так, относительно легко и практично спроектировать теплообменник или змеевик с площадью поверхности нагрева на основе насыщенного пара при том же давлении, добавив определенную площадь поверхности, чтобы учесть перегрев.Согласно этому руководству первая часть змеевика будет использоваться исключительно для понижения температуры перегретого пара до точки его насыщения. Остальная часть змеевика сможет использовать более высокую теплопередающую способность насыщенного пара. В результате общее значение «U» может быть не намного меньше, чем если бы насыщенный пар подавался в змеевик.

Из практического опыта, если дополнительная площадь нагрева, необходимая для перегретого пара, составляет 1% на 2 ° C перегрева, змеевик (или теплообменник) будет достаточно большим.Кажется, это работает до 10 ° C перегрева. Не рекомендуется использовать перегретый пар выше 10 ° C перегрева для целей нагрева из-за вероятного непропорционального и неэкономичного размера нагревательной поверхности, склонности к загрязнению и возможности порчи продукта из-за сильного и неравномерного перегрева. температуры.

Что такое перегретый пар и для чего он нужен?

Перегретый пар звучит круто (хорошо), но что это такое? Для чего его на самом деле можно использовать?

Здесь мы исследуем, что подразумевается под термином перегретый пар, и раскрываем некоторые из его интересных применений и преимуществ.

СВЯЗАННЫЕ: 9 ВЕЩЕЙ, КОТОРЫЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНО НЕ ДОЛЖНЫ МИКРОВОЛНОВАТЬ

Что такое перегретый пар?

Перегретый пар — это форма пара с температурой выше точки кипения исходной жидкости, также известной как точка испарения, при заданном давлении.

Это относительное состояние того, что называется насыщенным или влажным паром. Этот тип пара — это пар, температура которого чуть превышает точку кипения источника при заданном давлении.

Источник: Toniu / Flickr

Насыщенный пар образуется, когда и исходная жидкость, и пар имеют одинаковую температуру и скорости испарения / конденсации находятся в равновесии.Другими словами, пар и жидкость могут сосуществовать в одном пространстве.

Если к пару применяется какое-либо дополнительное количество тепла и температуры выше этой точки, то это считается x-величиной «перегретых градусов». В этот момент большая часть, если не все, следы влаги стираются, образуя «сухой», а затем перегретый пар.

Перегретый пар «поэтому может охлаждаться (терять внутреннюю энергию) на определенную величину, что приводит к снижению его температуры без изменения состояния (т.е.е., конденсация) из газа в смесь насыщенного пара и жидкости »- Википедия.

Фактически, в перегретом водяном паре хранится столько энергии, что его можно использовать для разжигания пожаров!

«Если ненасыщенный пар (смесь, которая содержит как водяной пар, так и жидкие водяные капли) нагревается при постоянном давлении, его температура также останется постоянной, поскольку качество пара (например, сухость или процент насыщенного пара) увеличивается до 100%. , и становится сухим (т.е., без насыщенной жидкости) насыщенный пар. Непрерывное поступление тепла затем «перегреет» сухой насыщенный пар ». — Википедия.

Перегретый пар можно получить, например, за счет пара, отбираемого из котла. Затем он пропускается через отдельное нагревательное устройство, называемое перегревателем. для передачи дополнительной энергии пару посредством прямого контакта или излучения

Этот тип пара имеет намного больше энергии, чем насыщенный или влажный пар, и может работать с большей нагрузкой, чем насыщенный пар.Однако содержание энергии перегретого пара гораздо менее полезно для определенных применений.

«Это связано с тем, что перегретый пар имеет такой же коэффициент теплопередачи воздуха, что делает его изолятором и плохим проводником тепла.

Насыщенный пар предпочтителен для обогрева, в то время как перегретый пар используется в основном в производстве электроэнергии и турбинах. пар необходим как для выработки электроэнергии, так и для нагрева, пар может быть перегрет, а затем охлажден до состояния насыщения.»- nationalwideboiler.com.

Для чего используется перегретый пар?

Вот несколько типичных применений перегретого пара.

1. Дезинфекция / стерилизация

Хотя перегретый пар имеет некоторые применения в дезинфекции, он есть не обязательно лучший вариант. Перегретый пар, в конце концов, эффективно сушит.

Это связано с тем, что перегретый пар имеет некоторые недостатки по сравнению с насыщенным или влажным паром. Последний на самом деле лучше передает свое тепло, чем перегретый пар, что делает его более подходящим для дезинфекции.

Перегретый пар должен достигать гораздо более высоких температур, чем влажный пар, поэтому продукты должны подвергаться воздействию в течение более длительного периода времени. По той же причине перегретый пар непригоден для обогрева.

Однако слегка перегретый пар можно использовать для антимикробной дезинфекции таких вещей, как биопленки и твердые поверхности.

2. Производство электроэнергии

Перегретый пар отлично подходит для таких вещей, как производство электроэнергии. Его огромная внутренняя энергия может быть использована для кинетических реакций за счет механического расширения лопаток турбины и возвратно-поступательных поршней.

Источник: Antti T. Nissinen / Flickr

Перегретый пар предпочтительнее насыщенного пара, поскольку он может выделять значительную часть своей внутренней энергии для работы и оставаться выше точки водяного пара жидкости (при заданном давлении внутри турбины / поршневого двигателя ).

При более высоких давлениях влажный пар содержит капли жидкости, которые, как правило, довольно трудно сжать. Такие капли также могут вызывать ударные повреждения механических элементов турбин и двигателей.

Насыщенный пар также может конденсироваться при понижении температуры и давления.Образующиеся капли жидкости могут вызвать точечную коррозию лопаток турбины.

При наличии достаточной силы они могут даже согнуть, расколоть или сломать жизненно важные компоненты турбины / двигателя. Очевидно, это нежелательно, особенно для более крупных и дорогих турбин.

Перегретый пар также допускает более высокие скорости пара через трубы (обычно 100 м / с ). Это означает, что для его передачи могут использоваться трубы меньшего размера (при условии, что перепад давления не является чрезмерным).

Также широко используется на атомных электростанциях.

3. Паровые двигатели

Перегретый пар широко использовался в паровозах и других паровых двигателях. Он оказался экономичнее и эффективнее насыщенного пара для движения локомотива.

Поскольку он фактически сухой, вероятность конденсации пара внутри цилиндров локомотива снижалась, что уменьшало необходимость их периодического слива.

4. Обработка

Перегретый пар также используется для различных технологических процессов, таких как: —

— Сушка

— Очистка

— Окисление паром

— Наслоение

— Реакционная техника

— Сушка эпоксидной смолы

— Отверждение

— Обработка химических реакций

— Катализ

— Энергетические системы

— Нанотехнологии

И это лишь некоторые из них.

Его также можно эффективно использовать в пищевой промышленности. Поскольку перегретый пар в определенных условиях может быстро передавать тепло, его можно использовать для быстрого нагрева чего-либо.

«Основными преимуществами использования перегретого пара для пищевой промышленности являются лучшее качество продукта (цвет, усадка и характеристики регидратации), снижение потерь при окислении и более высокая энергоэффективность» — Alfy A. et al .

5. Борьба с вредителями

Перегретый пар также может использоваться для некоторых форм борьбы с вредителями.Его можно, например, использовать для пропаривания почвы.

Здесь пар проникает в почву, что приводит к разложению почти всего органического материала. Обработка почвы паром — эффективная альтернатива использованию химикатов в сельском хозяйстве.

Какова температура перегретого пара?

Это будет полностью зависеть от рассматриваемой исходной жидкости. Чтобы пар перегрелся, он должен превысить температуру кипения этой жидкости до такой степени, чтобы он терял большую часть, если не все, жидкие компоненты.

Перегретый пар — обзор

8.2 Обсуждение

Контроль температуры перегретого пара является важным фактором для эффективной работы парогенератора по сравнению с турбогенератором. Температура пара должна быть стабильной для достижения максимальной эффективности турбины. Это также снизило бы усталость металла турбины, как обсуждается в разделе 6 главы 9.

Поскольку температура пара регулируется путем распыления воды с относительно более низкой температурой в камеру распыления пара, постоянное регулирование температуры является немного проблематичным, поскольку Само по себе измерение температуры — это вялое явление, и временная задержка возникает из-за самого процесса.Распылительные камеры обычно расположены намного раньше пароперегревателя, температура на выходе которого должна измеряться и контролироваться. Изменяющаяся динамика процесса, включая выигрыш системы, постоянные времени и задержки, также вызывает беспокойство, которое изменяется при изменении нагрузки турбины. Принимая во внимание все аспекты, очевидно, что регулирование температуры перегретого пара всегда было критически важным вопросом для эффективной и наиболее благоприятной работы электростанции. Стратегия управления, в обычной практике, использует каскадное управление с контроллерами, имеющими алгоритмы ПИД на разных уровнях для регулирования температуры перегрева.Современные технологии позволили создать современные контроллеры с алгоритмами самонастройки, что позволяет блоку контроллера настраивать параметры контроллера, такие как диапазон пропорциональности, интегральная постоянная времени и скорость действия производной. Тем не менее, некоторые производственные предприятия и исследователи считают, что самонастраивающиеся контроллеры могут быть не в состоянии справиться с ситуацией в одиночку, несмотря на тенденцию изменения коэффициентов усиления и постоянных времени управляемой системы во время возмущенного состояния.

Теперь предлагаются новые стратегии адаптивного управления для улучшения контроля температуры перегретого пара. Алгоритм этих контроллеров основан на системе каскадного управления, имеющей функции ПИД, но параметры самонастройки запрограммированы так, чтобы регулировать себя в соответствии с методом рекурсивных наименьших квадратов (RLS). Как утверждают изобретатели, интеллектуальная адаптивная система может справляться с неблагоприятными помехами намного лучше, чем традиционный алгоритм функции управления, с более быстрым и точным ответом, а также с большей эффективностью.

Другой тип алгоритма управления, широко известный как прогнозирующий адаптивный контроллер , также полезен для поддержания температуры перегретого пара на крупных тепловых электростанциях. Адаптивные методы в сочетании с элементом прогнозирования позволяют контроллеру включать непрерывные корректировки настройки параметров путем отслеживания динамических изменений объекта.

Усовершенствованный и новый прогнозирующий адаптивный алгоритм контроллера использует метод аппроксимации функциональных рядов, называемый технологией динамического моделирования (DMT), который, как заявлено, специально разработан, чтобы заботиться о системе, находящейся под управлением, с большой временной задержкой и большими постоянными времени.Утверждается, что конструкция включает уникальную возможность автоматического построения моделей при работе в конфигурации с замкнутым контуром, а также управления переходными характеристиками, которые имеют место во время изменения нагрузки котла. Модель, или, другими словами, математическое представление реакции процесса, которое обычно требует комплексного опыта и подробных знаний, не обязательно здесь для построения, поскольку метод моделирования DMT делает то же самое за счет использования продвинутых математических функций. .Подробности можно найти в соответствующих учебниках.

Поскольку регулирование температуры перегретого пара является критическим контуром управления, был также применен другой подход для решения проблемы с помощью системы, известной как управления переменной состояния . Это уникальный набор переменных, который описывает состояние динамической системы в любой момент времени. Другими словами, будущее поведение конкретной системы может быть предсказано автоматически в непосредственной близости, если данные, требуемые методом переменных состояния, предоставлены разумно.Чтобы быть более точным, переменные состояния сами по себе представляют состояние любого типа системы в целом. В термодинамической системе входными данными переменных состояния являются давление, температура, теплосодержание и связанные параметры системы, такие как энтальпия, энтропия и внутренняя энергия. Это практически особый метод подготовки модели рассматриваемой системы с использованием техники временной области. Здесь реальная физическая система, то есть термодинамическое представление котла и турбины, описывается обыкновенным дифференциальным уравнением порядка n _-й .С помощью переменной состояния вычисляется и группируется набор дифференциальных уравнений первого порядка с использованием компактной матричной записи, которая изображается как модель и широко известна как модель переменной состояния. В любой момент уравнения состояния принимают текущие входные данные вместе с прошлыми состояниями и выявляют связь с текущим состоянием и выходом системы, чтобы позволить системе управления генерировать соответствующий выходной сигнал.

Kadant Inc. — Насыщенный, влажный и перегретый пар при сушке бумаги

Насыщенный, влажный и перегретый пар широко используются в паровых системах бумажных фабрик.Обеспечение правильного состояния пара при его поступлении на сушильный вал напрямую влияет на теплопередачу и срок службы оборудования. Чтобы оптимизировать теплопередачу и срок службы оборудования, Кадант Джонсон рекомендует пар поступать в сушилку при температуре насыщения. Однако в большинстве случаев пар, перегретый не более чем на 30 ° F (17 ° C) выше его температуры насыщения, является приемлемым. Это руководство основано на обширных исследованиях глобального центра исследований и разработок Каданта Джонсона по теплопередаче и влиянию перегретого пара на характеристики уплотнения парового стыка.

Насыщенный пар сосуществует с водой при том же давлении и температуре. При атмосферном давлении эта температура составляет 212 ° F (100 ° C). Насыщенный пар содержит большое количество скрытого тепла, которое передается поверхности сушильного вала, когда пар конденсируется в воду. Он идеально подходит для передачи тепла, но насыщенный пар, выходящий из котла, может терять тепло в паропроводах и попадать в сушилку в виде очень влажного пара.

Влажный пар возникает, когда молекулы насыщенного пара и конденсированной воды смешиваются.Часто из-за потери тепла в трубопроводе часть насыщенного пара конденсируется и образует пароводяную смесь. Капли конденсата могут вызвать эрозию труб и требуют каплеуловителей. Кроме того, конденсат больше не несет значительной тепловой энергии по сравнению с насыщенным паром.

Перегретый пар существует, когда температура пара выше, чем температура сосуществования воды и пара (точка насыщения). Из-за этого перегретый пар может терять тепло в окружающую среду без конденсации.Его обычно называют «сухим паром». Это устраняет необходимость в каплеуловителях и предотвращает эрозию труб из-за капель воды, но требует трубопроводов большего размера для увеличенного объема перегретого пара.

Перегретый пар существует, когда температура пара выше, чем температура сосуществования воды и пара (точка насыщения). Из-за этого перегретый пар может терять тепло в окружающую среду без конденсации. Его обычно называют «сухим паром». Это устраняет необходимость в каплеуловителях и предотвращает эрозию труб из-за капель воды, но требует трубопроводов большего размера для увеличенного объема перегретого пара.Это также сократит срок службы уплотнений вращающихся шарниров и цапф сушилки из-за более высоких температур и повышенного трения, вызванного сухим паром. Чтобы свести к минимуму влияние на срок службы оборудования, температура перегретого пара должна быть не более чем на 30 ° F (16 ° C) выше точки насыщения на входе в сушильный вал.

Оптимизация паровых систем для подачи насыщенного пара или нужного количества перегретого пара в сушилку требует обширных системных знаний. Кадант Джонсон обладает почти 90-летним опытом в области проектирования и обновления паровых систем для бумажных фабрик, а его сервисная группа может установить и обслуживать паровые системы и компоненты сушильной секции.Если вы хотите увеличить производительность сушки или снизить потребление энергии пара, в первую очередь следует начать с оценки производительности сушилки.

(пересмотрено в июле 2019 г.)

Различные типы пара — Inveno Engineering LLC

Проектирование паровых систем

Когда мы сообщаем о проектировании паровых систем и паровых системах; одним из первых шагов является понимание различных типов пара и терминологии, используемой в паровых системах.Это видео будет частью первой из нескольких серий, в которых будут рассмотрены все различные типы пара и их терминология, используемая в паровых системах. В первой части будут рассмотрены три конкретных типа пара: вспомогательный, насыщенный и перегретый пар.

Просмотрите все наши информационные видео по адресу; www.invenoeng.com

Технический пар иногда называют острым паром, паром растений, основным паром, паром генератора, но на самом деле это технический пар. Независимо от того, какой тип котла мы используем для производства пара.Общепринятая терминология — это служебный пар. Технический пар может быть насыщенным или перегретым паром в зависимости от процесса, применения и того, как мы производим пар. Пар, производимый из парогенерирующих источников, таких как жаротрубные котлы, водотрубные котлы, HRSG [неразборчиво 00:01:21], парогенераторы-утилизаторы, повторные котлы и т. Д.

Есть множество способов выработки бытового пара, но, в конце концов, это бытовой пар, который может находиться в насыщенном или перегретом состоянии.

Источником воды, который мы используем для котлов, могут быть смягчители воды, обратный осмос, другие средства для подготовки воды. Но помните одну вещь: технический пар — это чистый пар. Пар не выводит химикаты или минералы из котла. Иногда, когда мы используем ингибитор коррозии, амин может быть введен в паропровод, чтобы помочь предотвратить коррозию в паровой системе.

Разбираемся с типами пара и терминологией. Первое, о чем я хочу поговорить, — это насыщенный пар.Насыщенный пар — это сухая невидимая жидкость. Насыщенный пар — это не влажный пар. Влажный пар — это качество пара, о котором мы поговорим во второй части. Насыщенный пар означает насыщенный энергией, содержит как ощутимую, так и скрытую энергию. Помните, что насыщенный пар — это сухой невидимый газ.

Как вы можете видеть прямо здесь, когда пар выходит в атмосферу, вот здесь он невидим. Вы действительно этого не видите. Помните, что насыщенный пар — это сухой невидимый газ. Вы этого не видите.Содержит как разумную, так и скрытую энергию. Насыщен энергией, не мокрый. Сейчас 98% промышленных процессов будут использовать только скрытую энергию насыщенного пара. Помните, что в паре есть две энергии: скрытая энергия и разумная энергия. Итак, когда пар входит в теплопередачу отсюда сюда, скрытая энергия отдается, конденсируется и конденсат удаляется так же быстро, как и образуется, чтобы получить максимальную эффективность теплопередачи. Явная энергия будет в конденсате и вернется в плиту котла.Помните одну вещь: 16% вашей энергии находится в конденсате, поэтому мы хотим убедиться, что мы его рекуперируем.

Итак, скрытая и ощутимая энергия насыщенного пара будет зависеть от давления пара и температуры. Более высокое давление, более высокая температура для меньшего количества полезной энергии. Люди всегда говорят: «Я хочу более высокое давление, больше полезной энергии». У вас меньше полезной энергии. Помните, я сказал, что процессы используют скрытую энергию. При 5 фунтах на квадратный дюйм скрытая величина составляет 960,5 БТЕ на фунт. При 200 фунтах на квадратный дюйм скрытая энергия составляет 837.7 БТЕ на фунт, поэтому при повышении давления вы уменьшаете количество полезной энергии. Но дело в том, что когда у меня повышается давление, у меня повышается температура. И действительно, на что смотрит процесс, на температуру, которая мне нужна, чтобы процесс заработал.

Насыщенный пар возникает, когда жидкая и газовая фазы находятся при одинаковых температуре и давлении. Множество преимуществ: вероятно, номер один — даже нагрев на всем протяжении теплопередачи; способность контролировать температуру через давление, поэтому я могу контролировать давление для обработки и контролировать температуру; высокий коэффициент теплопередачи и высокий КПД — вот почему теплопередача в первую очередь использует насыщенный пар в качестве перегрева.

Следующий — перегретый пар. Итак, мы производим перегретый пар, мы берем насыщенный пар, который находится здесь, из этого барабана, и пропускаем его через эту группу змеевиков или труб внутри котла, давая больше разумной энергии и повышая температуру пара. без увеличения давления. Помните, повышение температуры пара без увеличения давления. Перегретый пар более высокой температуры и меньшей плотности, чем насыщенный пар при том же давлении.

Зачем нужен сверхвысокий нагрев? В условиях сверхвысокой температуры не происходит фазового перехода или конденсации, поэтому, поскольку я прохожу через несколько ступеней турбины высокого давления, здесь я не хочу, чтобы конденсация происходила.Конденсат будет оказывать эрозионное воздействие на сопла и лопатки внутри турбины. Поэтому я не хочу, чтобы произошла конденсация. Итак, приложения: турбины, [неразборчиво 00:06:35] и несколько высокотемпературных процессов. Итак, помимо турбин мы используем перегретый пар [неразборчиво 00:06:47] для котлов. Итак, система [неразборчиво 00:06:49] — это труба, которая впрыскивает пар внутрь или в котел между двумя наборами ударов и ударов котлов. Довольно часто используется на котлах, которые сжигают уголь, древесину или черный щелок, или некоторые другие лечебные средства, которые мы должны избавить от отложений под трубами.Это еще одно приложение, в котором мы используем перегретый пар.

С этими преимуществами сверхвысокой температуры мы можем говорить обо всех преимуществах, заключающихся в том, что не будет происходить конденсация, но это преимущество имеет низкий коэффициент теплопередачи. Переменная температура пара при постоянном давлении: температура может меняться, это не имеет прямого отношения к давлению. Более дорогие компоненты делают это при высоких температурах. Когда мы поднимаемся до сверхвысокой температуры, конечно, материалы будут меняться в зависимости от температуры.Огромное количество скрытой энергии не может быть высвобождено, пока пар не достигнет состояния насыщения. Итак, когда мы берем сверхвысокое тепло и отправляем его на работу завода, где мы хотим потреблять тепловую энергию в виде пара, мы добавляем эти пароперегреватели в систему, возвращая пар в состояние насыщения. Таким образом, когда мы идем на теплопередающие поверхности, скрытая энергия высвобождается.

Итак, это своего рода завершение части первой, и в ней будет несколько других частей, потому что мы собираемся поговорить о качестве пара, мгновенном паре, чистом паре, чистом паре и других терминологиях, которые мы используем в парах.Помните, что мы — ваши партнеры в паровых системах. Мы можем помочь в оценке паровой системы, балансировке пара, производительности паровой системы, проектировании, паротехнике, проектировании и долгосрочном воздействии, модернизации, изменениях процессов, улучшении, ответственности и, конечно же, номер один в любой паровой системе — это безопасность система. Так что, если вам нужна помощь или информация, свяжитесь с нами по этим адресам электронной почты, указанным ниже, и желаю удачного дня.