Что такое ненасыщенный пар: Насыщенный и ненасыщенный пар — определение, свойства, формулы

Posted on by alexxlab

Содержание

Насыщенный и ненасыщенный пар — определение, свойства, формулы

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Фазовые переходы: изменение агрегатных состояний вещества

Прежде чем говорить о насыщенном паре, нужно освежить знания об агрегатных состояниях и фазовых переходах между ними. Если вы забыли, какие бывают агрегатные состояния, то можете сбегать в нашу статью про них.

При изменении внешних условий (например, если внутренняя энергия тела увеличивается или уменьшается в результате нагревания или охлаждения) могут происходить фазовые переходы — изменения агрегатных состояний вещества.

Вот какие бывают фазовые переходы:

  1. Переход из твердого состояния в жидкое — плавление;

  2. Переход из жидкого состояния в твердое — кристаллизация;

  3. Переход из газообразного состояния в жидкое — конденсация;

  4. Переход из жидкого состояния в газообразное — парообразование;

  5. Переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое — сублимация;

  6. Переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое — десублимация.

На схеме — названия всех фазовых переходов:

Фазовые переходы — важная штука. Все живое не Земле существует лишь благодаря тому, что вода умеет превращаться в лед или пар. С кристаллизацией, плавлением, парообразованием и конденсацией связаны многие процессы в металлургии и микроэлектронике.

Парообразование

Итак, парообразование — это переход из жидкого состояния в газообразное.

При парообразовании всегда происходит поглощение энергии: к веществу необходимо подводить теплоту, чтобы оно испарялось. Из-за этого внутренняя энергия вещества увеличивается.

У процесса парообразования есть две разновидности: испарение и кипение.

  • Испарение — это превращение или переход жидкости в газ (пар) со свободной поверхности жидкости. Если поверхность жидкости открыта и с нее начинается переход вещества из жидкого состояния в газообразное, это будет называться испарением.

  • Кипение — процесс интенсивного парообразования, который происходит в жидкости при определенной температуре.

Например, мы заварили себе горячий чай. Над чашкой мы увидим пар, так как вода только что поучаствовала в процессе кипения.

Подождите-ка, мы ведь только что сказали, что кипение и испарение — разные вещи. 🤔 Это действительно так, но при этом оба процесса могут происходить параллельно.

Испарение может происходить и без кипения, просто тогда оно не будет для нас заметно. Например, вода в озере испаряется, хотя мы этого и не замечаем. Кипение по сути своей — это интенсивное испарение, которое вызвали внешними условиями — доведя вещество до температуры кипения.

Физика объясняет испарение тем, что жидкость обычно несколько холоднее окружающего воздуха, и из-за разницы температур происходит испарение.

Если нет каких-то внешних воздействий, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость из-за явления диффузии.

Направление тепловых потоков при испарении может идти в разной последовательности и комбинациях:

  • из глубины жидкости к поверхности, а затем в воздух;

  • только из жидкости к поверхности;

  • к поверхности из воды и газовой среды одновременно;

  • к площади поверхности только от воздуха.

Подытожим, чтобы не запутаться, в чем главная разница между испарением и кипением:

Испарение

Кипение

Температура кипения

При температуре кипения давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению на жидкость — чаще всего это атмосферное давление. Значит, чем больше внешнее давление, тем при более высокой температуре начнется кипение.

При нормальном атмосферном давлении, которое приблизительно равно 100 кПа, температура кипения воды равна 100°C. Поэтому можно сразу сказать, что давление насыщенного водяного пара при температуре 100 градусов по Цельсию равно 100 кПа. Это значение пригодится при решении задач.

Чем выше мы поднимаемся, тем меньше становится атмосферное давление, потому что масса атмосферы над нами уменьшается. Так, например, на вершине Эльбруса атмосферное давление составляет 5 × 104 Па — в два раза меньше, чем нормальное атмосферное давление. Поэтому и температура кипения на вершине Эльбруса будет ниже, чем на уровне моря. Вода там закипит при температуре 82°C.

Температура кипения при нормальном атмосферном давлении — это строго определенная величина для каждой жидкости.

t, °C

Вещество

-253

-183

35

78

100

357

3050

4200

5657

водород

кислород

эфир

спирт

вода

ртуть

железо

графит

вольфрам

Испарение и конденсация

Молекулы в жидкости непрерывно и хаотично движутся. Это значит, что направление движения отдельно взятых молекул — это случайные направления. При этом жидкость сохраняет свой объем. Также молекулы силами притяжения притягиваются друг к другу, из-за чего не могут покинуть Омск жидкость.

Значения скоростей молекул случайны. Из-за этого среди всех молекул обязательно есть те, что движутся очень быстро.

Если такая молекула окажется вблизи поверхности раздела жидкости и окружающей среды, то ее кинетическая энергия может достигнуть большого значения, и молекула покинет жидкость.

Собственно, именно так происходит процесс испарения (мы говорили о нем выше, когда речь шла о фазовых переходах). Когда испарившихся молекул становится много, образуется пар.

Обратный процесс тоже возможен: вырвавшиеся за пределы жидкости молекулы вернутся в жидкость. Это конденсация, о ней мы тоже говорили.
Если открыть сосуд с жидкостью, то испарившиеся молекулы будут покидать пространство над жидкостью и не возвращаться обратно. Количество жидкости таким образом будет уменьшаться. То есть жидкость испаряется, а пар обратно не конденсируется (потому что молекулы этого пара удаляются от жидкости) — так происходит высыхание.

Испарение может происходить с разной скоростью. Чем больше силы притяжения молекул друг к другу, тем меньшее число молекул в единицу времени окажется в состоянии преодолеть эти силы притяжения и вылететь наружу, и тем меньше скорость испарения.

Быстро испаряются такие жидкости, как эфир, ацетон, спирт. Из-за этого свойства их иногда называют летучими жидкостями. Медленнее — вода. Намного медленнее воды испаряются масло и ртуть.

Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.

Определение насыщенного пара

Оставим стакан воды на столе и будем замерять уровень воды в нем каждый день. Если записать эти измерения и сравнить их, станет очевидно: уровень воды стал меньше, то есть вода испарилась.

Теперь давайте накроем стакан сверху. Молекулы пара уже не смогут покидать пространство над жидкостью, по мере испарения их количество начнет расти, а значит, будет расти и количество молекул, которые конденсируются в единицу времени.

Сначала количество конденсирующихся молекул за единицу времени будет меньше количества испаряющихся молекул. Но по мере роста концентрации пара (то есть увеличении количества молекул в единице объема пара) поток конденсирующихся молекул вырастет. Это приведет к состоянию, которое называется динамическим равновесием.

Пар, находящейся в динамическом равновесии, называют насыщенным.

Представьте себе огромный бизнес-центр с не менее огромными дверями. У сотрудников бизнес-центра разный график работы, поэтому люди одновременно заходят в здание и выходят из него в произвольном количестве. Допустим, в 6 часов вечера 100 человек заходят в здание, чтобы попасть на деловую встречу, а другие 100 человек уже закончили работать и идут домой. Количество заходящих в бизнес-центр и выходящих из него будет одинаковым — это и есть состояние насыщения.

Значение давления насыщенного пара и его плотности являются максимальными при заданном значении температуры. Если это не так, то пар ненасыщенный.

Свойства насыщенного пара

  1. При постоянной температуре плотность насыщенного пара не зависит от его объема.

    Представьте, что объем сосуда с насыщенным паром уменьшили, не изменив температуры.

    Количество молекул, переходящих от пара к жидкости, превысит количество испаряющихся молекул, но при этом часть пара сконденсируется, а оставшийся пар снова придет в динамическое равновесие. В итоге плотность этого пара будет равна начальной плотности.

  2. Давление насыщенного пара не зависит от его объема.

    Это связано с тем, что давление и плотность связаны через уравнение Менделеева-Клапейрона, и следует из первого свойства насыщенного пара.

    Кстати, уравнение Менделеева-Клапейрона справедливо для насыщенного пара. При этом нужно быть внимательным с частными случаями. Так, например, закон Бойля-Мариотта для насыщенного пара не выполняется.

    Уравнение Менделеева-Клапейрона

    pV = νRT

    p — давление газа [Па]

    V — объем [м3]

    ν — количество вещества [моль]

    T — температура [К]

    R — универсальная газовая постоянная

    R = 8,31 м2 × кг × с-2 × К-1 × моль-1

  3. При неизменном объеме плотность насыщенного пара растет с повышением температуры и уменьшается с понижением температуры.

    В начальный момент испарения динамическое равновесие будет нарушено (некоторая часть жидкости испарится дополнительно). Плотность пара будет расти, пока динамическое равновесие не восстановится.

  4. Давление и температура насыщенного пара растут быстрее, чем по линейному закону, который справедлив для идеального газа.

    В случае идеального газа рост давления обусловлен только ростом температуры, а в случае с насыщенном паром имеют значение два фактора: температура и масса пара.

    В случае нагревания насыщенного пара молекулы начинают ударяться чаще, так как их в целом стало больше, потому что пара стало больше.

    Главное отличие насыщенного пара от идеального газа: пар сам по себе не является замкнутой системой, а находится в постоянном контакте с жидкостью.

Решение задач по теме «Насыщенный пар»

Применим свойства насыщенного пара при решении задач.

  • Задачка раз

    В цилиндрическом сосуде под поршнем длительное время находятся вода и ее пар. Поршень начинают вдвигать в сосуд. При этом температура воды и пара остается неизменной. Как будет меняться при этом масса жидкости в сосуде? Ответ поясните.

    Решение

    Так как пар и вода находятся в контакте длительное время, пар является насыщенным. При уменьшении объема сосуда давление насыщенного пара не меняется. Из уравнения Менделеева-Клапейрона следует, что для того, чтобы давление пара не менялось, его количество вещества (а значит и масса) должно уменьшаться.

    pV = νRT

    В этом процессе происходит конденсация, часть молекул пара переходят в жидкость, поэтому масса жидкости увеличивается.

    Ответ

    Масса жидкости увеличивается.

  • Задачка два

    Какова плотность насыщенного пара при температуре 100°С?

    Решение

    При нормальном давлении (p = 105 Па) 100°С — это температура кипения воды. Значит, давление насыщенного пара при этой температуре равно атмосферному давлению.

    Найдем связь между давлением и плотностью через уравнение Менделеева-Клапейрона.

    Подставим значение давления в уравнение состояния идеального газа, предварительно переведя температуру в Кельвины: T = 100 + 273 = 373 K

Ненасыщенный пар — Наука и образование

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

Изменяя объём ненасыщенного пара, мы заметим, что давление его также изменяется: при уменьшении объёма давление увеличивается, а при увеличении объёма давление уменьшается.

Пусть трубка В поднята так высоко, что в ней находится ненасыщенный пар. Давление этого пара равно Н – h, где Н – атмосферное давление. Если после этого опускать трубку, то уровень ртути в ней будет понижаться: h1 < h, а это показывает, что давление пара возрастает (H – h1 > H — H). Давление пара будет возрастать до тех пор, пока пар не станет насыщающим. Над ртутью при этом появится жидкость. С момента насыщения пара его давление станет постоянным и равным Н – h2. Это будет наибольшее давление пара при данной температуре.?

Наибольшее давление при данной температуре пар производит в состоянии насыщения.

Опуская далее трубку B, мы в конце концов получим над ртутью жидкость, объём которой даже при очень больших давлениях уменьшается весьма незначительно.

Графически переход ненасыщенного пара в жидкость путём уменьшения его объёма без изменения температуры представляется кривой ABCD. Часть АВ этой кривой соответствует ненасыщенному пару, точка В – состоянию насыщения, линия ВС – конденсации пара и CD – жидкости. Кривая ABCD называется изотермой пара и жидкости.

Ненасыщенный пар можно привести в состояние насыщения не только путём уменьшения объёма, но и путём понижения его температуры. Так, если полить эфиром наружную часть трубки В, то эфир, испаряясь, охладит её, вследствие чего ненасыщенный пар перейдёт в состояние насыщения, частично обратившись при этом в жидкость.

Этим свойством пара объясняется запотевание холодных предметов, внесённых в тёплую комнату, образование тумана, росы и т. д. Таким образом, переход пара из ненасыщенного состояния в насыщенное достигается двумя путями: 1) понижением температуры и 2) повышением давления (уменьшением объёма).

Обратно переход из насыщенного в ненасыщенное состояние достигается: 1) без изменения температуры уменьшением давления (увеличением объёма) и 2) повышением температуры пара.

Если осторожно нагревать трубку, содержащую насыщающий пар, то жидкость, находящаяся над ртутью, постепенно испарится, и при дальнейшем нагревании над ртутью будет уже ненасыщенный пар.

В технике ненасыщенный пар, получаемый путём перегрева насыщенного пара, называется перегретым паром. Для работы паровых двигателей в настоящее время применяют исключительно перегретый пар, имеющий температуру от 150 до 600° С.

Насыщенный и ненасыщенный пар примеры. Чем отличается насыщенный пар от ненасыщенного

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

У разных жидкостей динамическое равновесие с паром наступает при различной плотности пара. Причина этого заключается в различии сил межмолекулярного взаимодействия. В жидкостях, у которых силы межмолекулярного притяжения велики, например у ртути, только наиболее «быстрые» молекулы, число которых незначительно, могут вылетать из жидкости. Поэтому для таких жидкостей уже при небольшой плотности пара наступает состояние равновесия. У летучих жидкостей с малой силой притяжения молекул, например у эфира, при той же температуре может вылететь за пределы жидкости множество молекул. Поэтому и равновесное состояние наступает только при значительной плотности пара.

Насыщенный пар имеет максимальные плотность и давление при заданной температуре.

§ 6.3. Изотермы реального газа

Для более детального выяснения условий, при которых возможны взаимные превращения газа и жидкости, недостаточно простых наблюдений за испарением жидкости. Нужно внимательно проследить за изменением давления реального газа в зависимости от его объема при различных температурах.

Пусть в цилиндре под поршнем (рис. 6.3) находится углекислый газ. Будем его медленно сжимать, при этом мы совершаем над газом работу, вследствие чего внутренняя энергия газа должна увеличиваться. Если мы хотим провести процесс при постоянной температуре Т, то нужно обеспечить хороший теплообмен между цилиндром и окружающей средой. Для этого можно поместить цилиндр в большой сосуд с жидкостью постоянной температуры (термостат) и сжимать газ настолько медленно, чтобы теплота успевала передаваться от газа к окружающим телам.

Проводя данный опыт, можно заметить, что вначале, когда объем достаточно велик (V > V 2 , см. рис. 6.3), давление углекислого газа с уменьшением объема растет в соответствии с законом Бойля-Мариотта, а затем при дальнейшем увеличении давления наблюдаются небольшие отклонения от этого закона. Данная зависимость между давлением и объемом газа изображена графически на рисунке 6.3 кривой АВ.

При дальнейшем уменьшении объема, начиная со значения V 2 , давление в цилиндре под поршнем перестает меняться. Если заглянуть при этом в цилиндр через специальное смотровое окно, то можно увидеть, что часть объема цилиндра занимает прозрачная жидкость. Это значит, что газ (пар) превратился в насыщенный пар, а часть его превратилась в жидкость, т. е. сконденсировалась.

Продолжая сжимать содержимое цилиндра, мы заметим, что количество жидкости в цилиндре увеличивается, а пространство, занятое насыщенным паром, уменьшается. Давление, которое показывает манометр, остается постоянным до тех пор, пока все пространство под поршнем не окажется заполненным жидкостью. Этот процесс изображен на рисунке 6.3 участком ВС графика.

В дальнейшем при незначительном уменьшении объема, начиная со значения V 3, давление очень резко нарастает (участок CD графика; см. рис. 6.3). Это объясняется тем, что жидкости малосжимаемы.

Так как рассмотренный процесс происходил при постоянной температуре Г, график ABCD (см. рис. 6.3), изображающий зависимость давления газа р от объема V , называют изотермой реального газа. Участок АВ (V > V 2 ) соответствует ненасыщенному пару, участок ВС (V 3 V V 2 ) — равновесному состоянию жидкости и ее насыщенного пара, а участок CD (V V 3 ) — жидкому состоянию вещества.

Опыты показывают, что такой же вид имеют изотермы и других веществ, если их температура не слишком велика.

Лужи после дождя при ветре сохнут быстрее, чем при той же темпера туре в безветрие. Это показывает, что для испарения жидкости нужно, чтобы образующийся пар удалялся. Если пар совсем не удалять, например, закупорить пробкой бутылку с жидкостью, то испарение скоро прекратится. Так как при этом ни жидкость не превращается в пар, ни пар не конденсируется в жидкость, то говорят, что пар и жидкость находятся в равновесии. Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называют насыщенным паром. Это название передает ту мысль, что в данном объеме при данной температуре не может быть помещено большее количество пара.

В бутылке с жидкостью, кроме пара, над жидкостью находится еще и воздух. Однако нетрудно сделать так, чтобы над жидкостью находился только ее пар, почти без примеси других газов. Для этого пространство над жидкостью следует откачать насосом или изгнать газ продолжительным кипячением жидкости, при котором пар вытесняет газы. Исследуя поведение пара в пространстве, откуда все посторонние газы удалены, мы получаем важные сведения об его свойствах. Исследование можно провести, например, следующим образом.

Круглодонная колба 1, закупоренная резиновой пробкой, сообщается, как показано на рис. 477, со стеклянной трубкой 2, опущенной в сосуд с ртутью. Сквозь другую трубку 3, снабженную краном, из колбы возможно лучше откачивают воздух, причем ртуть в трубке 2 под действием атмосферного давления поднимается. Пар ртути в этих условиях образуется в столь малых количествах, что его присутствием можно пренебречь.

Рис. 477. Первые капли эфира, падающие в колбу 1, испаряются, причем ртуть в трубке 2 быстро опускается. Когда наступает насыщение, падающие в колбу капли эфира не испаряются и уровень ртути больше не изменяется

Из воронки 4, в которую налит эфир, через кран 5 осторожно, по каплям, вводят эфир в колбу 1. Первые капли эфира моментально испаряются, и ртуть в трубке быстро опускается вниз. При этом в колбе находится ненасыщенный пар эфира. При увеличении количества испарившегося эфира увеличивается плотность пара, а вместе с тем и его давление, подобно тому, как при увеличении плотности увеличивается давление всякого газа. Ненасыщенный пар, хотя и не следует точно газовым законам Бойля — Мариотта и Шарля, но, в общем, обладает всеми свойствами газов. Однако, продолжая добавлять эфир в колбу 1, мы заметим, что ртуть в трубке 2 перестает опускаться, а добавляемый эфир более не испаряется: достигнуто насыщение. Сколько ни приливать еще эфира, плотность пара и его давление будут оставаться постоянными. Отметим, что во время опыта температура не должна изменяться.

Повторив тот же опыт с другой жидкостью, например со спиртом, мы увидим, что давление насыщенного пара будет иным, чем у эфира. Давление насыщенного пара эфира при составляет около , спирта — около .

Итак, плотность и давление насыщенного пара при неизменной температуре являются постоянными величинами, у разных жидкостей — разными.

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.

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

Изменяя объём ненасыщенного пара, мы заметим, что давление его также изменяется: при уменьшении объёма давление увеличивается, а при увеличении объёма давление уменьшается.

Пусть трубка В поднята так высоко, что в ней находится ненасыщенный пар. Давление этого пара равно Н – h, где Н – атмосферное давление. Если после этого опускать трубку, то уровень ртути в ней будет понижаться: h 1 H — H). Давление пара будет возрастать до тех пор, пока пар не станет насыщающим. Над ртутью при этом появится жидкость. С момента насыщения пара его давление станет постоянным и равным Н – h 2 . Это будет наибольшее давление пара при данной температуре. ?

Наибольшее давление при данной температуре пар производит в состоянии насыщения.

Графически переход ненасыщенного пара в жидкость путём уменьшения его объёма без изменения температуры представляется кривой ABCD. Часть АВ этой кривой соответствует ненасыщенному пару, точка В – состоянию насыщения, линия ВС – конденсации пара и CD – жидкости. Кривая ABCD называется изотермой пара и жидкости.

Ненасыщенный пар можно привести в состояние насыщения не только путём уменьшения объёма, но и путём понижения его температуры. Так, если полить эфиром наружную часть трубки В, то эфир, испаряясь, охладит её, вследствие чего ненасыщенный пар перейдёт в состояние насыщения, частично обратившись при этом в жидкость.

Этим свойством пара объясняется запотевание холодных предметов, внесённых в тёплую комнату, образование тумана, росы и т. д. Таким образом, переход пара из ненасыщенного состояния в насыщенное достигается двумя путями: 1) понижением температуры и 2) повышением давления (уменьшением объёма).

Обратно переход из насыщенного в ненасыщенное состояние достигается: 1) без изменения температуры уменьшением давления (увеличением объёма) и 2) повышением температуры пара.

Если осторожно нагревать трубку, содержащую насыщающий пар, то жидкость, находящаяся над ртутью, постепенно испарится, и при дальнейшем нагревании над ртутью будет уже ненасыщенный пар.

В технике ненасыщенный пар, получаемый путём перегрева насыщенного пара, называется перегретым паром. Для работы паровых двигателей в настоящее время применяют исключительно перегретый пар, имеющий температуру от 150 до 600° С.

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

ЗаданиеВ закрытом сосуде вместимостью 0,5 л при температуре находятся в равновесии пары воды и капля воды. Определить массу водяного пара в сосуде.
РешениеПри температуре давление насыщенного пара равно атмосферному, поэтому Па.

Запишем уравнение Менделеева-Клапейрона:

откуда найдем массу водяного пара:

Молярная масса водяного пара определяется так же, как и молярная масса воды .

Переведем единицы в систему СИ: объем сосуда температура пара .

Вычислим:

ОтветМасса водяного пара в сосуде 0,3 г.

ПРИМЕР 2

ЗаданиеВ сосуде объемом 1 л при температуре находятся в равновесии вода, водяной пар и азот. Объем жидкой воды много меньше объема сосуда. Давление в сосуде составляет 300 кПа, атмосферное давление 100 кПа. Найти общее количество вещества в газообразном состоянии. Каково парциальное давление азота в системе? Какова масса водяного пара? Какова масса азота?
РешениеЗапишем уравнение Менделеева-Клапейрона для газовой смеси водяной пар + азот:

откуда найдем общее количество вещества в газообразном состоянии:

Универсальная газовая постоянная .

Переведем единицы в систему СИ: объем сосуда давление в сосуде температура .

Вычислим:

По закону Дальтона, давление в сосуде равно сумме парциальных давлений водяного пара и азота:

откуда парциальное давление азота:

При температуре давление насыщенного пара равно атмосферному, поэтому .

Чем отличается насыщенный и ненасыщенный сухой и влажный пар? Чем такой пар отличается от перегретого пара?

Насыщенный пар — это пар, находящийся в термодинамическом равновесии с соответствующей жидкостью (или твердым телом) при данной температуре, то есть, его парциальное давление соответствует равновесному при данной температуре. Фактически, это означает, что если в атмосферу такого пара поместить соответствующую ему жидкость той же температуры, то давление пара не будет увеличиваться — жидкость будет испаряться с той же скоростью, что и конденсироваться обратно.

Ненасыщенный пар — это пар, парциальное давление которого ниже равновесного при данной температуре. Соответственно, если в атмосферу такого пара поместить соответствующую ему жидкость той же температуры, то давление пара будет увеличиваться, пока не достигнет равновесного при данной температуре, то есть, пока пар не станет насыщенным (или пока вся имеющаяся жидкость не испарится, если ее количество недостаточно для доведения пара до насыщенного состояния).

Сухой и влажный пар — это не строгие понятия. Под сухим паром обычно понимают перегретый пар, то есть пар, нагретый выше температуры кипения соответствующей жидкости при данном давлении. Его называют «сухим» по той причине, что в таких условиях конденсация невозможна, то есть такой пар гарантировано не будет содержать жидкости. 

Наоборот, влажным паром называют пар при температуре ниже температуры кипения соответствующей жидкости при данном давлении или любую систему, содержащую пар и взвешенный конденсат этого пара.

На последний вопрос ответ вытекает из предыдущего — если давление пара ниже насыщенного при данной температуре или если температура пара выше температуры кипения при данном давлении, то пар не будет содержать жидкости, пока условия не изменятся. Это обычное дело, например, в нашей обыденной жизни редко можно встретить пары кислорода, содержащие жидкий кислород 🙂

Урок 21. взаимные превращения жидкостей и газов — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 21. Взаимные превращения жидкостей и газов

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

  1. взаимные превращения жидкостей и газов;
  2. насыщенные и ненасыщенные пары;
  3. динамическое равновесие;
  4. давление насыщенного пара;
  5. кипение;
  6. влажность воздуха и приборы для ее измерения;
  7. парциальное давление и точка росы.

Глоссарий по теме:

Испарение – процесс превращения жидкости в пар, происходящий с поверхности жидкости.

Конденсация – процесс превращения пара в жидкость.

Кипение – это процесс парообразования, происходящий по всему объему жидкости при температуре кипения при определенной температуре кипения и внешнем давлении.

Динамическое равновесие – состояние, при котором число молекул, покидающих поверхность жидкости за некоторый промежуток времени, будет равно в среднем числу молекул пара, возвратившихся за то же время в жидкость.

Пар – состояние вещества при температуре ниже критической, когда у пара есть возможность превратиться в жидкость.

Насыщенный пар – пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Ненасыщенный пар – если пар постепенно сжимают при постоянной температуре, а превращение его в жидкость не происходит, то такой пар называют насыщенным.

Давление насыщенного пара – давление pн.п. пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром.

Критическая температура – максимальная температура, при которой пар еще может превратиться в жидкость.

Абсолютная влажность – плотность водяного пара в воздухе.

Относительная влажность – отношение парциального давления p водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению pн.п.насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах.

Парциальное давление водяного пара – давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали.

Точка росы – температура, при которой водяной пар становится насыщенным.

Гигрометр, психрометр – приборы для измерения влажности воздуха

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 225 – 234.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа, 2009. – С. 78 – 80.

3. Элементарный учебник физики. Учебное пособие в 3 т./под редакцией академика Ландсберга Г. С. : Т.1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. – 13-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. С. 529 – 556.

4. Джанколи Д.К. Физика в двух томах. Т.1. М: «МИР», 1989. С. 514 – 515, 532 — 541.

Открытые электронные ресурсы:

Основное содержание урока

Идеальный газ нельзя превратить в жидкость. В жидкость можно превратить реальный газ.

Вы уже знакомы с процессами испарения, конденсации и кипения. Если число молекул, покидающих жидкость за определённый промежуток времени, больше числа молекул, возвращающихся в неё, то мы наблюдаем испарение. Чем выше температура жидкости, тем большее число молекул имеет достаточную для вылета из жидкости кинетическую энергию, тем быстрее идет испарение. Если число молекул, возвращающихся в жидкость, будет больше, покидающих её, то мы наблюдаем процесс конденсации.

Кипение – это процесс парообразования, происходящий по всему объему жидкости при температуре кипения при определенной температуре кипения и внешнем давлении.

Динамическое равновесие – состояние, при котором число молекул, покидающих поверхность жидкости за некоторый промежуток времени, будет равно в среднем числу молекул пара, возвратившихся за то же время в жидкость.

Пар – состояние вещества при температуре ниже критической, когда у пара есть возможность превратиться в жидкость.

Состояние вещества при температуре выше критической называется газом; при температуре ниже критической, когда у пара есть возможность превратиться в жидкость, — паром.

Насыщенный пар – пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Если пар постепенно сжимают при постоянной температуре, а превращение его в жидкость не происходит, то такой пар называют насыщенным

Давление насыщенного пара – давление pн.п. пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром.

Газовые законы для насыщенного пара несправедливы. В то же время состояние насыщенного пара достаточно точно описывается уравнением Менделеева-Клапейрона.

Свойства насыщенного и ненасыщенного пара различны.

Так как давление насыщенного пара не зависит от объёма, то, следовательно, оно зависит только от температуры.

Однако эта зависимость, найденная экспериментально, не является прямо пропорциональной, как у идеального газа при постоянном объёме. С увеличением температуры давление реального насыщенного пара растёт быстрее, чем давление идеального газа.

Критическая температура – максимальная температура, при которой пар еще может превратиться в жидкость.

Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара состоит в том, что при изменении температуры пара в закрытом сосуде (или при изменении объёма при постоянной температуре) изменяется масса пара.

Абсолютная влажность – плотность водяного пара в воздухе.

Относительная влажность – отношение парциального давления p водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению pн.п. насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах:

Парциальное давление водяного пара – давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали.

Точка росы – температура, при которой водяной пар становится насыщенным.

Гигрометр, психрометр – приборы для измерения влажности воздуха.

Разбор тренировочных заданий

1. Относительная влажность воздуха в закрытом сосуде с поршнем равна 40%. Объем сосуда за счет движения поршня медленно уменьшают при постоянной температуре. В конечном состоянии объем сосуда в 3 раза меньше начального. Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений, и укажите их номера.

1. При уменьшении объема сосуда в 2,5 раза на стенках появляется роса.

2. Давление пара в сосуде все время увеличивается.

3. В конечном и начальном состоянии масса пара в сосуде одинакова.

4. При уменьшении объема в 2 раза относительная влажность воздуха в сосуде стала равна 80%.

5. В конечном состоянии весь пар в сосуде сконденсировался.

Решение.

После уменьшения объёма в 2 раза относительная влажность воздуха увеличилась в 2 раза и стала 80%. Когда объём стал в 2,5 раза меньше первоначального, относительная влажность достигла 100%, после чего водяные пары начинают конденсироваться на стенках. При дальнейшем уменьшении объёма давление водяных паров оставалось постоянным. В конечном состоянии не весь пар в сосуде сконденсировался.

Верны первое и четвёртое утверждения.

Ответ: 14.

2. Относительная влажность воздуха равна 42%, парциальное давление пара при температуре 20 °С равно 980 Па. Каково давление насыщенного пара при заданной температуре? (Ответ дать в паскалях, округлив до целых.)

Решение.

Относительная влажность воздуха связана с парциальным давлением пара при некоторой температуре и давлением насыщенных паров при той же температуре соотношением

 φ = (p/pн. п.) ∙ 100%. Отсюда находим давление насыщенного пара при 20 °С:

Ответ: 2333 Па.

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.

C°

Точка россы при относительной влажности воздуха в %

 

30%

35%

40%

45%

50%

55%

60%

65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

30

10,5

12,9

14,9

16,8

18,4

20

21,4

22,7

23,9

25,1

26,2

27,2

28,2

29,1

29

9,7

12

14

15,9

17,5

19

20,4

21,7

23

24,1

25,2

26,2

27,2

28,1

28

8,8

11,1

13,1

15

16,6

18,1

19,5

20,8

22

23,2

24,2

25,2

26,2

27,1

27

8

10,2

12,2

14,1

15,7

17,2

18,6

19,9

21,1

22,2

23,3

24,3

25,2

26,1

26

7,1

9,4

11,4

13,2

14,8

16,3

17,6

18,9

20,1

21,2

22,3

23,3

24,2

25,1

25

6,2

8,5

10,5

12,2

13,9

15,3

16,7

18

19,1

20,3

21,3

22,3

23,2

24,1

24

5,4

7,6

9,6

11,3

12,9

14,4

15,8

17

18,2

19,3

20,3

21,3

22,3

23,1

23

4,5

6,7

8,7

10,4

12

13,5

14,8

16,1

17,2

18,3

19,4

20,3

21,3

22,2

22

3,6

5,9

7,8

9,5

11,1

12,5

13,9

15,1

16,3

17,4

18,4

19,4

20,3

21,1

21

2,8

5

6,9

8,6

10,2

11,6

12,9

14,2

15,3

16,4

17,4

18,4

19,3

20,2

20

1,9

4,1

6

7,7

9,3

10,7

12

13,2

14,4

15,4

16,4

17,4

18,3

19,2

19

1

3,2

5,1

6,8

8,3

9,8

11,1

12,3

13,4

14,5

15,3

16,4

17,3

18,2

18

0,2

2,3

4,2

5,9

7,4

8,8

10,1

11,3

12,5

13,5

14,5

15,4

16,3

17,2

17

-0,6

1,4

3,3

5

6,5

7,9

9,2

10,4

11,5

12,5

13,5

14,5

15,3

16,2

16

-1,4

0,5

2,4

4,1

5,6

7

8,2

9,4

10,5

11,6

12,6

13,5

14,4

15,2

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.

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 25oС, 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 20oС? 5oС? 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 19oС было 1,1 кПа.

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

Задача 3. В 10 л воздуха при температуре 30oС 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 36oС 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.

Что такое перегретый пар?

Что означает перегретый пар?

Перегретый пар — это пар с температурой выше точки его испарения (кипения) при абсолютном давлении. Это пар, который образуется при температуре, превышающей температуру насыщенного пара при том же давлении.

Перегретый пар используется в турбинах для повышения теплового КПД. Другие области применения включают:

  • Технологии обработки поверхности
  • Технологии очистки
  • Катализ / химическая обработка реакции
  • Технологии сушки поверхности
  • Технологии отверждения
  • Обработка почвы паром
  • Энергетические системы
  • Нанотехнологии

Питтинг, коррозионная усталость и коррозия под напряжением растрескивание может быть вызвано перегретым паром.

Corrosionpedia объясняет перегретый пар

Когда насыщенный пар, производимый в бойлере, выходит на поверхность с более высокой температурой, его температура повышается выше температуры кипения. Затем пар описывается как перегретый на количество градусов, на которое он нагрет выше температуры насыщения. Насыщенный пар, отбираемый из бойлера, пропускается через отдельное нагревательное устройство, которое передает дополнительное тепло пару путем контакта или излучения.

Перегретый пар обычно не используется в теплообменнике из-за низкого коэффициента теплопередачи. Он в основном используется для отпарки и очистки в нефтеперерабатывающей и углеводородной отраслях.

Перегретый пар по своим свойствам близок к идеальному газу, а не к пару. Поскольку перегретый пар не имеет прямой зависимости между температурой и давлением, при определенном давлении перегретый пар может существовать в широком диапазоне температур.

Поскольку перегретый пар является изолятором, перегретый пар, находящийся дальше от поверхности, не может легко остыть и отдать свою энергию.

Самая большая ценность перегретого пара заключается в его огромной внутренней энергии, которую можно использовать для кинетической реакции за счет механического расширения лопаток турбины и поршней, совершающих возвратно-поступательное движение, вызывая вращательное движение вала.

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 состояние относительно чего-то, что называется насыщенным или влажным паром. Такой пар является паром, 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 некоторую 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 будет «перегревать» сухой насыщенный пар ». — Википедия.

Перегретый пар может быть получен, например, за счет отбора пара из котла. Затем он проходит 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 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 биопленка 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, сломать или сломать жизненно важные компоненты турбины / двигателя. Очевидно, это нежелательно, особенно для более крупных и дорогих турбин.

Перегретый пар также позволяет пропускать пар через трубы с более высокими скоростями (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 машины

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

— Разработка реакции

— Сушка эпоксидной смолы

— Отверждение

— Химическая обработка реакции

— Катализ

— Энергетические системы

— Нанотехнологии

Чтобы назвать лишь некоторые из них.

Его также можно очень 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 на окисление и более высокая энергоэффективность» — Алфи А. и др. .

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.

Какая температура перегретого пара?

Это полностью зависит от рассматриваемой исходной жидкости. Чтобы пар стал перегретым, он должен превысить точку 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 критическим 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 парораспылительную камеру, 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.Новейшие 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. Однако некоторые производственные предприятия и исследователи считают, что самонастраивающиеся контроллеры не могут 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 функционального ряда, называемый технологией динамического моделирования (DMT), который, как заявлено, специально разработан, чтобы заботиться о системе, находящейся под контролем, с большой временной задержкой и большими временными константами.Говорят, что конструкция включает уникальную возможность автоматического построения моделей при работе в замкнутом контуре, а также управление 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, для решения проблемы был также применен другой подход 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 переменной 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 th .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 теплообмену 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 поступать в сушилку в виде очень влажного пара.

Влажный пар возникает при смешивании молекул насыщенного пара и конденсата воды. 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, вызываемого 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 предлагает почти 90-летний опыт проектирования и обновления паровых систем для бумажных фабрик, а его группа услуг 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.)

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 приростом 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, он 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 имеется на объекте 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 охладиться 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, конечно, 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 изменяться 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, поскольку температура пара будет падать, поскольку он отдает свое тепло при прохождении по поверхности нагрева.

Прогнозировать размер поверхностей теплообмена, 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 область нагрева, использующая перегретый пар, должна быть больше, чем змеевик насыщенного пара, работающий при том же давлении, чтобы обеспечить такой же расход тепла.

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 поверхности нагрева, склонности к загрязнению грязью и возможности порчи продукта из-за сильного и неравномерного перегрева. температуры.

Что такое Steam? | Спиракс Сарко

Пар

Когда температура увеличивается и вода приближается к своему состоянию кипения, некоторые молекулы приобретают кинетическую энергию, достаточную для достижения скоростей, позволяющих им на мгновение вылетать из жидкости в пространство над поверхностью, прежде чем снова упасть в жидкость.

Дальнейшее нагревание вызывает большее возбуждение, и количество молекул, обладающих достаточной энергией, чтобы покинуть жидкость, увеличивается. Когда вода нагревается до точки кипения, внутри нее образуются пузырьки пара, которые поднимаются и прорываются через поверхность.

Учитывая молекулярное расположение жидкостей и паров, логично, что плотность пара намного меньше плотности воды, потому что молекулы пара удалены друг от друга. Таким образом, пространство непосредственно над поверхностью воды заполняется менее плотными молекулами пара.

Когда количество молекул, покидающих поверхность жидкости, больше, чем количество возвращающихся, вода свободно испаряется. В этот момент он достиг точки кипения или температуры насыщения, поскольку он насыщен тепловой энергией.

Если давление остается постоянным, добавление тепла не вызывает дальнейшего повышения температуры, а вызывает образование насыщенного пара в воде. Температура кипящей воды и насыщенного пара в одной и той же системе одинакова, но тепловая энергия на единицу массы намного больше в паре.

При атмосферном давлении температура насыщения составляет 100 ° C. Однако, если давление будет увеличиваться, это позволит добавить больше тепла и повысить температуру без изменения фазы.

Следовательно, увеличение давления приводит к увеличению как энтальпии воды, так и температуры насыщения. Связь между температурой насыщения и давлением известна как кривая паронасыщения (см. Рисунок 2.2.1).

Вода и пар могут сосуществовать при любом давлении на этой кривой, оба при температуре насыщения.Пар в состоянии выше кривой насыщения известен как перегретый пар:

.
  • Температура выше температуры насыщения называется степенью перегрева пара.
  • Вода в состоянии ниже кривой называется недонасыщенной водой.

Если пар может выходить из котла с той же скоростью, с которой он производится, добавление дополнительного тепла просто увеличивает скорость производства. Если пар удерживается от выхода из котла и поддерживается скорость подводимого тепла, энергия, поступающая в котел, будет больше, чем энергия, уходящая наружу. Эта избыточная энергия повышает давление, что, в свою очередь, позволяет повысить температуру насыщения, поскольку температура насыщенного пара коррелирует с его давлением.

Энтальпия испарения или скрытой теплоты (ч фг )

Это количество тепла, необходимое для превращения воды при температуре кипения в пар. При этом не изменяется температура пароводяной смеси, а вся энергия используется для изменения состояния с жидкого (вода) на пар (насыщенный пар).

Старый термин «скрытая теплота» основан на том факте, что, хотя тепло было добавлено, температура не изменилась. Однако теперь принят термин энтальпия испарения.

Подобно переходу фазы от льда к воде, процесс испарения также обратим. То же количество тепла, которое выделяет пар, возвращается обратно в окружающую среду во время конденсации, когда пар встречается с любой поверхностью при более низкой температуре.

Это можно рассматривать как полезную часть тепла пара для целей нагрева, поскольку это та часть общего тепла в паре, которая извлекается, когда пар снова конденсируется в воду.

Энтальпия насыщенного пара или общая теплота насыщенного пара

Это полная энергия насыщенного пара, представляющая собой просто сумму энтальпии воды и энтальпии испарения.

На энтальпию (и другие свойства) насыщенного пара можно легко ссылаться, используя табличные результаты предыдущих экспериментов, известные как таблицы пара.

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, в том числе, как и почему они используются в приложениях.

Поднимите тепло

Основы пара просты: когда вода нагревается, она превращается в пар. Стим. 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 приспособляемость к температуре. изменяется из-за давления. Температура насыщенного пара напрямую связана к его давлению, что 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 с насыщенным паром, из-за чего вызов своим пользователям.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *