Что значит насыщенный и ненасыщенный пар. Насыщенный и ненасыщенный пар: простое объяснение с примерами

Билет №1

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.

В первый момент, после того как жидкость нальют в сосуд и закроют его, жидкость будет испаряться и плотность пара над ней будет увеличиваться. Однако одновременно с этим будет расти и число молекул, возвращающихся в жидкость. Чем больше плотность пара, тем большее число его молекул возвращается в жидкость. В результате в закрытом сосуде при постоянной температуре установится динамическое (подвижное) равновесие между жидкостью и паром, т. е. число молекул, покидающих поверхность жидкости за некоторый промежуток времени, будет равно в среднем числу молекул пара, возвратившихся за то же время в жидкость.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. Это определение подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.

Давление насыщенного пара.

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 (p=nkT), то из этого определения следует, что давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема.

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

Зависимость давления насыщенного пара от температуры

Состояние насыщенного пара, как показывает опыт, приближенно описывается уравнением состояния идеального газа, 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 р н.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. участок кривой 12). Почему это происходит?

При нагревании жидкости в закрытом сосуде часть жидкости превращается в пар. В результате согласно формуле Р = nкТ 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., участок кривой 23).

Кипение.

Кипение – это интенсивный переход вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящее по всему объему жидкости (а не только с ее поверхности). (Конденсация – обратный процесс.)

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.

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

Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения.

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.

У каждой жидкости своя температура кипения (которая остается постоянной, пока вся жидкость не выкипит), которая зависит от давления ее насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения жидкости.

Удельная теплота парообразования.

Кипение происходит с поглощением теплоты.

Большая часть подводимой теплоты расходуется на разрыв связей между частицами вещества, остальная часть - на работу, совершаемую при расширении пара.

В результате энергия взаимодействия между частицами пара становится больше, чем между частицами жидкости, поэтому внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия жидкости при той же температуре.

Количество теплоты, необходимое для перевода жидкости в пар в процессе кипения можно расчитать по формуле:

где m - масса жидкости (кг),

L - удельная теплота парообразования (Дж/кг)

Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы превратитъ в пар 1 кг данного вещества при температуре кипения. Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ:

[ L ] = 1 Дж/ кг

Влажность воздуха и ее измерение.

В окружающем нас воздухе практически всегда находится некоторое количество водяных паров. Влажность воздуха зависит от количества водяного пара, содержащегося в нем.

Сырой воздух содержит больший процент молекул воды, чем сухой.

Большое значение имеет относительная влажность воздуха, сообщения о которой каждый день звучат в сводках метеопрогноза.

О
тносительная влажность - это отношение плотности водяного пара, содержащегося в воздухе, к плотности насыщенного пара при данной температуре, выраженное в процентах. (показывает, насколько водяной пар в воздухе близок к насыщению)

Точка росы

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

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

Признаком того, что пар насытился является появление первых капель сконденсировавшейся жидкости - росы.

Температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы.

Точка росы также характеризует влажность воздуха.

Примеры: выпадение росы под утро, запотевание холодного стекла, если на него подышать, образование капли воды на холодной водопроводной трубе, сырость в подвалах домов.

Для измерения влажности воздуха используют измерительные приборы - гигрометры. Существуют несколько видов гигрометров, но основные: волосной и психрометрический. Так как непосредственно измерить давление водяных паров в воздухе сложно, относительную влажность воздуха измеряют косвенным путем.

Известно, что от относительной влажности воздуха зависит скорость испарения. Чем меньше влажность воздуха, тем легче влаге испаряться .

В психрометре есть два термометра. Один - обычный, его называют сухим. Он измеряет температуру окружающего воздуха. Колба другого термометра обмотана тканевым фитилем и опущена в емкость с водой. Второй термометр показывает не температуру воздуха, а температуру влажного фитиля, отсюда и название увлажненный термометр. Чем меньше влажность воздуха, тем интенсивнее испаряется влага из фитиля, тем большее количество теплоты в единицу времени отводится от увлажненного термометра, тем меньше его показания, следовательно, тем больше разность показаний сухого и увлажненного термометров.насыщения = 100 °С и удельные характеристики состояния насыщенной жидкости и сухого насыщенного пара v"=0,001 v""=1,7 ... влажный насыщенный пар со степенью сухости Вычисляем экстенсивные характеристики влажного насыщенного пара по...

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

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.

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

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.

Жидкости имеют свойство испаряться. Если бы мы капнули на стол по капле воды, эфира и ртути (только не делайте этого в домашних условиях!), смогли бы наблюдать, как постепенно капли исчезают – испаряются. Одни жидкости испаряются быстрее, другие медленнее. Процесс испарения жидкости еще называется парообразованием. А обратный процесс превращения пара в жидкость – конденсацией.

Эти два процесса иллюстрируют фазовый переход – процесс перехода веществ из одного агрегатного состояния в другое:

• испарение (переход из жидкого в газообразное состояние);
• конденсация (переход из газообразного состояния в жидкое);
• десублимация (переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкую фазу);
• возгонка, она же сублимация (переход из твердого в газообразное состояние, минуя жидкое).

Сейчас, к слову, подходящий сезон, чтобы наблюдать процесс десублимации в природе: иней и изморозь на деревьях и предметах, морозные узоры на окнах – ее результат.

Как образуется насыщенный и ненасыщенный пар

Но вернемся к парообразованию. Мы продолжим экспериментировать и нальем жидкость – воду, например, в открытый сосуд, а к нему подсоединим манометр. Невидимое глазу, в сосуде происходит испарение. Все молекулы жидкости находятся в непрерывном движении. Некоторые движутся так быстро, что их кинетическая энергия оказывается сильнее той, что связывает молекулы жидкости вместе.

Покинув жидкость, эти молекулы продолжают хаотически двигаться в пространстве, подавляющее их большинство рассеивается в нем – так образуется ненасыщенный пар . Лишь небольшая их часть возвращается обратно в жидкость.

Если закроем сосуд, молекул пара постепенно будет становиться все больше. И все больше их будет возвращаться в жидкость. При этом будет увеличиваться давление пара. Это зафиксирует подсоединенный к сосуду манометр.

Спустя какое-то время число молекул, вылетающих из жидкости и возвращающихся в нее, сравняется. Давление пара перестанет изменяться. В результате насыщения пара установится термодинамическое равновесие системы жидкость-пар. То есть испарение и конденсация будут равны.

Свойства насыщенного пара

Чтобы их проиллюстрировать наглядно, используем еще один эксперимент. Призовите всю силу своего воображения, чтобы представить его. Итак, возьмем ртутный манометр, состоящий из двух колен – сообщающихся трубок. В оба налита ртуть, один конец открыт, второй запаян и над ртутью в нем находится еще некоторое количество эфира и его насыщенного пара. Если опускать и поднимать не запаянное колено, уровень ртути в запаянном будет также опускаться и подниматься.

При этом будет изменяться и количество (объем) насыщенного пара эфира. Разность уровней ртутных столбиков в обоих коленах манометра показывает давление насыщенного пара эфира. Оно будет сохраняться неизменным все время.

Отсюда вытекает свойство насыщенного пара – его давление не зависит от занимаемого им объема. Давление насыщенных паров различных жидкостей (воды и эфира, к примеру) разное при одинаковой температуре.

Однако температура насыщенного пара имеет значение. Чем выше температура, тем выше и давление. Давление насыщенного пара с увеличением температуры возрастает быстрее, чем это происходит с ненасыщенным паром. Температура и давление ненасыщенного пара связаны линейной зависимостью.

Можно провести еще один любопытный опыт. Взять пустую колбу без паров жидкости, закрыть ее и подсоединить манометр. Постепенно, по капле, подавать внутрь колбы жидкость. По мере поступления жидкости и ее испарения устанавливается давление насыщенного пара, наибольшее для данной жидкости при данной температуре.

Еще о температуре и насыщенном паре

Температура пара влияет и на скорость конденсации. Так же, как температура жидкости определяет скорость испарения – число молекул, которые вылетают с поверхности жидкости в единицу времени, другими словами.

У насыщенного пара его температура равна температуре жидкости. Чем выше температура насыщенного пара, тем выше его давление и плотность, ниже плотность жидкости. При достижении критической для вещества температуры плотность жидкости и пара одинаковая. Если температура пара выше критической для вещества температуры, физические различия между жидкостью и насыщенным паром стираются.

Определение давления насыщенного пара в смеси с другими газами

Мы сказали о неизменном при постоянной температуре давлении насыщенного пара. Мы определяли давление в «идеальных» условиях: когда в сосуде или колбе присутствуют жидкость и пар только одного вещества. Рассмотрим еще эксперимент, в котором молекулы вещества рассеяны в пространстве в смеси с другими газами.

Для этого возьмем два открытых стеклянных цилиндра и поместим в оба закрытые сосуды с эфиром. Как водится, подсоединим манометры. Один сосуд с эфиром раскрываем, после чего манометр фиксирует повышение давления. Разность между этим давлением и давлением в цилиндре с закрытым сосудом эфира и позволяет узнать давление насыщенного пара эфира.

О давлении и кипении

Испарение возможно не только с поверхности жидкости, но и в ее объеме – тогда его называют кипением. При повышении температуры жидкости образуются пузырьки пара. Когда давление насыщенного пара больше либо равно давлению газа в пузырьках, жидкость испаряется внутрь пузырьков. А те расширяются и поднимаются на поверхность.

Жидкости кипят при разных температурах. В обычных условиях вода закипает при 100 0 С. Но с изменением атмосферного давления меняется и температура кипения. Так, в горах, где воздух сильно разрежен и атмосферное давление ниже, по мере подъема в горы снижается и температура кипения воды.

Кстати, в герметично закрытом сосуде кипение невозможно вообще.

Еще один пример взаимосвязи давления пара и испарения демонстрирует такая характеристика содержания паров воды в воздухе, как относительная влажность воздуха. Она представляет собой отношение парциального давления паров воды к давлению насыщенного пара и определяется по формуле: φ = р/р о * 100%.

При понижении температуры воздуха концентрация водяных паров в нем повышается, т.е. они становятся более насыщенными. Эта температура называется точкой росы.

Подведем итоги

На несложных примерах мы разобрали суть процесса испарения и образующиеся в его результате ненасыщенный и насыщенный пар. Все эти явления вы ежедневно можете наблюдать вокруг себя: например, видеть высыхающие после дождя лужи на улицах или запотевшее от пара зеркало в ванной комнате. В ванной вы даже можете наблюдать, как сначала происходит парообразование, а потом конденсация скопившейся на зеркале влаги обратно в воду.

Вы также можете использовать эти знания, чтобы сделать свою жизнь более комфортной. Например, зимой во многих квартирах воздух очень сухой, и это плохо сказывается на самочувствии. Вы можете использовать современный прибор-увлажнитель, чтобы сделать его более влажным. Или по старинке поставить в комнате емкость с водой: постепенно испаряясь, вода насытит воздух своими парами.

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.