Процессы изменения состояния водяного пара и воды.

1. Характеристики водяного пара

1) Испарение и конденсация.

Пример 1. Хорошо закрытый флакон с духами может стоять очень долго, и количество духов в нем не изменится. Если же флакон оставить открытым, то жидкость испаряется.

Пример 2. Быстрее испаряется (высыхает) лужа на ас­фальте, особенно если высока температура воздуха и дует ветер.

Объяснение: Молекулы жидкости движутся беспорядочно. Чем выше температура жидкости, тем больше кинетическая энергия молекул. Среднее значение кинетической энергии молекул при заданной температуре имеет определенное значение. Но у каждой молекулы кинетическая энергия в данный момент может оказаться как меньше, так и больше сред­ней. В какой-то момент кинетическая энергия отдельных молекул может стать настолько большой, что они окажут­ся способными вылететь из жидкости, преодолев силы при­тяжения остальных молекул.

Процесс превращения жидкости в пар называется испарением.

При этом процессе число молекул, покидающих жидкость за определенный промежуток времени, больше числа молекул возвращаю­щихся.

Вылетевшая молекула принимает участие в беспоря­дочном тепловом движении газа. Беспорядочно двигаясь, она может навсегда удалиться от поверхности жидкости, находящейся в открытом сосуде, но может и вернуться снова в жидкость.

Интенсивность испарения зависит от:

- рода жидкости;

- температуры жидкости;

- от площади поверхности жидкости;

- от скорости движения воздуха над поверхностью жидкости.

Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией.

При испарении жидкость покидают более быстрые мо­лекулы, поэтому средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшается. Это означает, что происходит по­нижение температуры жидкости. Смочив руку какой-нибудь быстро испаряющейся жидкостью (например, бен­зином или ацетоном), вы тут же почувствуете сильное охлаждение смоченного места. Охлаждение этого места усилится, если на руку подуть.

2) Насыщенный и ненасыщенный пар.

Насыщенный пар. Если сосуд с жидкостью плотно закрыть, то сначала количество жидкости уменьшится, а затем будет оставаться постоянным. При неизменной температуре система жидкость — пар придет в состояние теплового равновесия и будет находиться в нем сколь угодно долго. Одновременно с процессом испарения происходит и конденсация, оба процесса в среднем компенсируют друг друга.

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

Что будет происходить с насыщенным паром, если уменьшить занимаемый им объем? Например, если сжимать пар, находящийся в равновесии с жидкостью в цилиндре под поршнем, поддерживая температуру содержимого цилиндра постоянной.

При сжатии пара равновесие начнет нарушаться. Плотность пара в первый момент немного увеличится, и из газа в жидкость начнет переходить большее число молекул, чем из жидкости в газ. Ведь число молекул, покидающих жидкость в единицу времени, зависит только от температуры, и сжатие пара это число не меняет. Процесс продолжается до тех пор, пока вновь не установится динамическое равновесие и плотность пара, а значит, и концентрация его молекул не примут прежних своих значений. Следовательно, концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объема.

Так как давление пропорционально концентрации молекул (р = nκT), то из этого определения следует, что давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема.

Давление р_н.п. пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара.

Ненасыщенный пар.

Если пар постепенно сжимают, а превращение его в жидкость не происходит, то такой пар называют ненасыщенным.

Кипение.

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.

2. Понятие сухой и влажный насыщенный пар

Процесс получения пара из жидкости может осуществляться испарением и кипением.

Испарением называется парообразование, происходящее только со свободной поверхности жидкости и при любой температуре.

Кипением называется бурное парообразование по всей массе жидкости, которое происходит при сообщении жидкости через стенку сосуда определенного количества теплоты. При этом образовавшиеся у стенок сосуда и внутри жидкости пузырьки пара, увеличиваясь в объеме, поднимаются на поверхность жидкости.

Если нагревать воду в открытом сосуде, то температура ее будет постепенно повышаться, пока не достигнет примерно 100⁰ С; после этого дальнейшее повышение температуры прекращается и начинается кипение воды, то есть бурный переход ее в парообразное состояние. Температура воды во время кипения остается одной и той же, так же как температура получающегося над водой пара; она равна точно 100⁰ С при нормальном атмосферном давлении, равном давлению ртутного столба 760 мм высотой. Искусственно изменяя давление, можно изменять температуру кипения в очень широких пределах; при увеличении давления температура кипения повышается, при уменьшении давления – понижается.

Так, при давлении 0,02 ата (0,02 от атмосферного давления) вода кипит при 17,2⁰ С, а при давлении 10 ата при 179⁰ С.

Температура пара над водой, из которой он получается (рис.), всегда равна температуре этой воды. Получающийся над водой пар называется насыщенный пар.

Процесс парообразования начинается при достижении жидкостью температуры кипения, которая называется температурой насыщения t_н и на протяжении всего процесса остается неизменной.

Температура кипения, или температура насыщения, t_н зависит от природы вещества и давления, причем с повышением давления t_н увеличивается. Давление, соответствующее t_н называется давлением насыщения р_н.

Определенной температуре насыщенного пара всегда соответствует определенное давление, и наоборот, определенному давлению всегда соответствует строго определенная температура.

В (таблице 1) приводится зависимость между температурой и давлением насыщенного пара.

Измерив термометром температуру насыщенного пара, можно по этой таблице определить его давление или, измерив давление, определить температуру.

При образовании пара в паровое пространство котла всегда попадают частицы воды, увлекаемые выделяющимся паром; особенно сильное увлажнение пара происходит в современных мощных котлах при работе их с большой нагрузкой. Кроме того, насыщенный пар обладает тем свойством, что при самом незначительном отнятии теплоты часть пара обращается в воду (конденсируется); вода в виде мельчайших капелек удерживается в паре.

Таким образом, практически мы всегда имеем смесь сухого пара и воды (конденсата); такой пар называется влажный насыщенный пар. Так же как и у сухого насыщенного пара, температура влажного пара всегда соответствует его давлению.         

Состав влажного пара принято выражать в весовых частях пара и воды. Вес сухого пара в 1 кг влажного пара называется паросодержанием или степенью сухости и обозначается буковой «х».

Значение «х» обычно дают в сотых долях. Таким образом, если говорят, что у пара «х»=0,95, то это значит, что во влажном паре содержится по весу 95% сухого пара и 5% воды.

При «х»=1 насыщенный пар носит название сухого насыщенного пара.

Водяной пар может быть трех видов:

- влажным насыщенным,

- сухим насыщенным и

- перегретым

Сухой насыщенный пар представляет собой пар, не содержащий капель жидкости и имеющий температуру насыщения (t=t_н) при данном давлении.

Влажный насыщенный пар – это равновесная смесь, состоящая из капель жидкости, находящейся при температуре кипения, и сухого насыщенного пара.

Отношение массы сухого насыщенного пара m_с.п. к массе влажного насыщенного пара m_в.п. называется степенью сухости х влажного пара, то есть

Очевидно, что для жидкости х=0, для сухого насыщенного пара х=1.

Если к сухому насыщенному пару продолжать подводить теплоту, то его температура увеличится. Пар, температура которого при данном давлении больше, чем температура насыщения (t>t_н), называется перегретым. Другими словами, говоря перегретый пар – это пар, находящийся при температуре, превышающей температуру кипения жидкости при давлении, равном давлению перегретого пара.

 Величина превышения температурой пара температуры кипения жидкости называется степенью перегрева пара.

3. Процессы изменения состояния водяного пара и воды.

Состояние водяного пара, участвующего в каком либо техническом процессе, непрерывно изменяется в течение этого процесса.

При анализе процессов изменения состояния воды и водяного пара следует иметь в виду, что все отмеченные здесь особенности характерны для расчета процессов любого реального газа.

Рассмотрим основные процессы воды и водяного пара:

 - изохорный процесс (v =const);

- изобарный процесс (p =const);

- изотермический процесс (T =const);

- адиабатный процесс (dq =0);

- адиабатное дросселирование (h₂ =h₁).

Как и при рассмотрении процессов идеального газа будем полагать, что для начального состояния пара известны два параметра, что полностью определяет это состояние, а для конечного состояния, кроме задания вида процесса, в результате которого оно достигается, известен еще один параметр.

Определение основных характеристик процесса в случае водяного пара, равно как и любого другого реального газа, производится на основе использования самых общих термодинамических соотношений. Так, при нахождении изменения внутренней энергии вещества в любом процессе ввиду того, что в таблицах свойств реальных газов обычно не приводятся значения внутренней энергии, используется соотношение, связывающее ее с энтальпией

u₂ –u₁ =h₂ –h₁ –(p₂v₂ –p₁v₁)

Расчет же теплоты, работы расширения и технической работы производится по уравнениям первого и второго законов термодинамики.

Изохорический процесс изменение состояния пара при постоянном объеме V= const. Это происходит при подводе или отводе тепла к пару, находящемуся в герметично закрытом сосуде. При подводе тепла давление и температура пара увеличиваются, при отводе уменьшаются. Никакой работы пар при этом не совершает.

Изохорный процесс (v =const).

На рисунке в различных диаграммах изображены два типичных случая протекания изохорного процесса. Если закрытый сосуд заполнен водой находящейся в равновесии со своим паром (состояние влажного пара), то при изохорном нагревании будет изменяться соотношение между количеством воды и пара в сосуде, то есть будет изменяться степень сухости.

При V< V_к (процесс 1-2) до достижения температуры Т_а весь сосуд оказывается заполненный водой (х=0) и при дальнейшем нагревании процесс переходит в жидкость.

 Иная картина наблюдается при повышении температуры, если в начальном состоянии V > V_к (процесс 3 –4). В этом случае происходит испарение воды и при температуре T_b весь сосуд заполнен сухим насыщенным паром (x =1) и дальнейшее нагревание происходит уже в области перегретого пара.

Изотермический процесс изменение состояния пара при постоянной температуре t=const. Этот процесс для влажного насыщенного пара возможен только при неизменном давлении, т. к. определенной температуре насыщенного пара всегда соответствует строго определенное давление. При этом изменяются степень сухости, плотность, энтальпия. Сухой насыщенный пар при изотермическом расширении становится перегретым; изотермический процесс связан с изменением давления и объема: при расширении увеличивается объем и давление, при сжатии наоборот.

На рис. показан вид изотерм для докритической (1 –2) и сверхкритической (3 –4) температур.

После определения подводимой в процессе теплоты по уравнению

Q =T(S₂ –S₁),

 работа расширения может быть рассчитана как

A =T(S₂ –S₁) –(U₂ –U₁).

 Если процесс осуществляется в потоке, то произведенная техническая работа находится по уравнению первого закона термодинамики для потока при условии dU =0.

А_тех =T(S₂ –S₁) –(h₂ –h₁)

Изобарический процесс — это изменение состояния пара при постоянном давлении ( р = const ). Этот процесс происходит при подводе тепла к пару, находящемуся в цилиндре с подвижным поршнем, на который действует нагрузка. При этом пар расширяется и совершает работу по перемещению поршня, занимая больший объем в цилиндре. Температура перегретого пара при этом повышается, а температура насыщенного пара не меняется.

Вид изобар в различных термодинамических диаграммах показан на рис., где процесс 1 –2 соответствует докритическому, а 3 –4 – сверхкритическому давлениям.

Это единственный из процессов реальных газов, где после нахождения свойств в начальном и конечном состояниях работа расширения может быть рассчитана по определяющему ее выражению

А =p(V₂ –V₁).

Теплота, подводимая в процессе, находится по соотношению, следующему из уравнения Q=h₂ –h₁

Адиабатический процесс – изменение состояния пара без подвода и отвода теплоты. Этот процесс возможен только теоретически, если изменение состояния пара происходит в сосуде с теплонепроницаемыми стенками.

При адиабатическом расширении насыщенного пара происходит его увлажнение, при адиабатическом сжатии – подсушивание.

У перегретого пара при адиабатическом расширении температура падает, при сжатии повышается.

Практически осуществить адиабатический процесс нельзя, т.к. от трения и теплообмена в реальных машинах избавиться не удается. При изучении рабочего процесса турбин часто принимают, что процесс происходит в идеальной турбине, без вышеупомянутых потерь, а потом в расчеты вводят поправки.

Рассмотрим вначале случай, когда адиабатный процесс протекает обратимо и согласно уравнению второго закона термодинамики

 ds =0, s=const, т.е. процесс является изоэнтропным.

Для этого случая на рис.1  в различных диаграммах представлены графики процесса расширения пара 1 –2 и сжатия воды 3 -4.

Изменение внутренней энергии определяется, как обычно, по соотношению

u₂ –u₁ =h₂ –h₁ –(p₂v₂ –p₁v₁)

После чего работа расширения находится из уравнения

А =u₂ –u₁

Однако, на практике, адиабатный процесс чаще всего реализуется в машинах, работающих в потоке вещества (турбинах, насосах, компрессорах) и тогда рассчитывается техническая работа по соотношению

А_тех =h₂ –h₁

Если же процесс протекает необратимо, например из–за наличия трения, ds >0  процесс расширения теперь изобразится в диаграммах линией 1–2д , а процесс сжатия –линией 3 –4. В этом случае работа расширения должна рассчитываться как

A^д =u_2д –u₁,

а техническая работа –как

А^д _тех  =h_2д –h₁

 Т,s- и h,s- диаграммах обратимый адиабатный процесс представляет вертикальную прямую (s=const – изоэнтропа). В h,s- диаграмме разность энтальпий адиабатного процесса представляет работу изменения давления в потоке

l_о = h₁ - h₂ (техническая работа в турбине, насосе и т.п.).

С понятием этой работы познакомимся позднее при изучении процессов теплоэнергетических установок.

Политропический процесс – изменение состояния пара при изменяющихся давлении, температуре, объеме и при подводе или отводе тепла. Этот процесс может происходить в паровых машинах и турбинах, в которых работа пара всегда сопровождается потерями тепла в окружающее пространство через металлические стенки трубопроводов, каналов и корпусов и поступлением тепла за счет преобразующейся в теплоту работы трения, ударов и вихреобразования в паровой струе.

Процесс дросселирования. Этот процесс происходит во время протекания пара через неполностью открытый вентиль. Во время прохода через узкую щель пар при падении давления приобретает большую скорость, которая потом тратится на завихривание в выпускном патрубке вентиля. Энтальпия пара более низкого давления, полученного в результате дросселирования, равна энтальпии пара, подводимого к вентилю.

Влажность воздуха, точка росы.

Содержание водяного пара в воздухе, т. е. его влажность, можно характеризовать несколькими величинами.

Плотность водяного пара в воздухе называется абсолютной влажностью.

Абсолютная влажность  ρ – это количество граммов водяного пара, содержащееся в кубическом метре воздуха при данных условиях.

Абсолютная влажность измеряется, следовательно, в килограммах на метр кубический (кг/м³).

Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый из газов вносит свой вклад в суммарное давление, производимое воздухом на находящиеся в нем тела.

Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением водяного пара.

 Парциальное давление водяного пара принимают за один из показателей влажности воздуха. Его выражают в единицах давления — паскалях или миллиметрах ртутного столба.

Атмосферное давление определяется суммой парциальных давлений компонент сухого воздуха (кислорода, азота и т. д.) и водяного пара.

По парциальному давлению водяного пара и абсолютной влажности еще нельзя судить о том, насколько водяной пар в данных условиях близок к насыщению. А именно от этого зависит интенсивность испарения воды и потеря влаги живыми организмами. Вот почему вводят величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению, — относительную влажность.

Относительной влажностью воздуха называют отношение парциального давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению р_н.п насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах:

Относительная влажность воздуха обычно меньше 100%.

Точка росы.

Сухость или влажность воздуха зависит от того, насколько близок его водяной пар к насыщении.

Если влажный воздух охладить, то находящийся в нем пар можно довести до насыщения, и далее он будет конденсироваться. Признаком того, что пар насытился является появление капель сконденсировавшейся жидкости – росы.

Точка росы определяется как температура, при которой парциальное давление водяного пара равно давлению насыщенного пара.

Физический смысл этой величины состоит в том, что она характеризует температуру, при которой из влажного воздуха начинает конденсировать влага.

Точка росы определяется однозначно величиной парциального давления и может быть найдена по таблице.

Примеры решения задач:

Задача 1. В воздухе насыщенный водяной пар содержится при 30⁰ С. Определите массу воды, выпавшей в виде росы из 1 м³ воздуха при его охлаждении до 15⁰ С.

Дано:                                                Решение:

 t₁ =30⁰C                                        Масса пара m_п1 = ρ_н.п.1 · V = 30,3·10^-3· 1 = 30,3·10^{-3 кг}

V =1 м³                                           Масса пара m_п2 = ρ_н.п.2 · V = 12,8·10^-3· 1 = 12,8·10^{-3 кг}

t₂ =15⁰C                                          m_п = m_п1 - m_п2  = 17,5·10^{-3 кг}

ρ_н.п.1 =30,3·10^-3 кг/м³

ρ_н.п.2 = 12,8·10^-3 кг/м³

m_в-?

Задача 2. В кастрюле – скороварке объёмом 3 дм³ находится 0, 5 кг воды при температуре 100⁰ С. Какая доля воды находится в газообразном состоянии под закрытой крышкой кастрюли?

Задача 3. В комнате объемом 200 м³ относительная влажность воздуха при 20° С равна 70%. Определите массу водяных паров в воздухе комнаты

Плотность насыщенного пара взять из таблицы.

Дано:  

V=200 м³,

t=20⁰ C,

φ=70%,

ρ_н=17,3 г/м³,

m−?

Решение задачи:

Чтобы определить всю массу водяных паров m, содержащихся в воздухе, нужно плотность паров ρ умножить на объем V.

m = ρV(1)

Относительная влажность воздуха – это выраженное в процентах отношение плотности паров ρ при данной температуре к плотности насыщенных паров ρ_н при той же температуре.

Выразим плотность пара ρ и подставим выражение в формулу (1).

ρ = φ·ρ_н /100%

m=φ·ρ_н· V /100%

Переведём плотность насыщенного пара ρ_н в систему СИ: 17,3г/м³=17,3·10^–3 кг/м³

Численно масса водяных паров равна:

m=70%·17,3·10^–3·200/100% = 2,422кг = 2422г

Ответ: 2422 г.

Задача 4. Относительная влажность воздуха в бане при температуре 100ºС составляет 10% .  Определить точку росы воздуха.

Задача 5. Сухой термометр показывает 21 градус, а влажный 16 градусов. Какая относительная влажность воздуха и парциальное давление водяного пара.

Дано:                                Решение:

tс = 21⁰С           Найдем разность показаний сухого и влажного термометров

tв = 16⁰С           Δt =  tс – tв = 5⁰С

φ-?                      По таблице находим пересечение Δt= 5⁰С и показания сухого

Р-?                      термометра tс = 21⁰С  

                                 φ = 60%

Определяем парциальное давление водяного пара в воздухе при φ = 60% :

Давление насыщенного пара определяем по показаниям сухого темпометра по таблице 1.

р_н (t = 21⁰С) = 2,48·10³Па         

Задачи для самостоятельного решения:

Задача 1. Вычислите массу насыщенного водяного пара в комнате объёмом 150 м³ при температуре 25⁰ С. Относительная влажность воздуха 60%.

Задача 2. Критическая температура воды равна 374, 15⁰ С, критическое давление равно 22, 13 МПа, а её плотность при этих условиях равна 320 кг/ м³. Проверьте, выполняется ли в критическом состоянии уравнение Клапейрона – Менделеева.

Задача 3. В воздухе объёмом 60 м³ был насыщенный водяной пар при температуре 15⁰ С. Определите массу воды, которая может испариться в комнате при повышении температуры до 25⁰ С. (0, 611 кг)

Задача 4. Относительная влажность воздуха φ в русской бане при t = 55ºС составляет 50%.  Определить точку росы воздуха и абсолютную влажность воздуха.

Задача 5. Сухой термометр показывает 25 градуса, а влажный 20 градусов. Какая относительная влажность воздуха и парциальное давление водяного пара.

Домашнее задание:

Контрольные вопросы

1. Перечислите характеристики водяного пара.

2. Что называется насыщенным и ненасыщенным паром?

3. Как определить давление водяного пара

4 Проанализируйте процессы изменения состояния водяного пара и воды

5. Что понимается под сухим и влажным насыщенным паром?

6. Как определить степень сухости водяного пара.