Для окружающей нас природы водяной пар имеет огромное значение. Он присутствует в атмосфере, используется в технике, служит неотъемлемой составной частью процесса происхождения и развития жизни на Земле.

В учебниках физики говорится, что водяной пар - это Его может наблюдать каждый, поставив чайник на огонь. Через некоторое время из его носика начинает вырываться струя пара. Обусловлено такое явление тем, что вода может находиться в разных, как определяют физики, агрегатных состояниях - газообразном, твердом, жидком. Такие свойства воды и объясняют ее всеобъемлющее присутствие на Земле. На поверхности - в жидком и твердом состоянии, в атмосфере - в газообразном.

Такое свойство воды и последовательный переход ее в разные состояния создают в природе. Жидкость испаряется с поверхности, поднимается в атмосферу, переносится в другое место в виде водяного пара и там выпадает в виде дождя, обеспечивая необходимой влагой новые места.

По сути дела, работает своеобразная паровая машина, источником энергии для которой является Солнце. При рассмотренных процессах водяной пар дополнительно обогревает планету благодаря отражению им теплового излучения Земли обратно к поверхности, вызывая парниковый эффект. Если бы не было такой своеобразной «подушки», то температура на поверхности планеты была бы на 20°С ниже.

В качестве подтверждения изложенного можно вспомнить о солнечных днях зимой и летом. В теплое время года высокая, и атмосфера, как в парнике, согревает Землю, зимой же в солнечную погоду бывают порой самые значительные холода.

Как и все газы, водяной пар обладает определенными свойствами. Одним из параметров, определяющим таковые, будет плотность водяного пара. По определению, это количество водяного пара, содержащегося в одном кубическом метре воздуха. По сути, так определяется последнего.

Количество в воздухе воды постоянно меняется. Оно зависит от температуры, от давления, местности. Содержание влаги в атмосфере - чрезвычайно важный для жизни параметр, и за ним постоянно наблюдают, для чего пользуются специальными приборами - гигрометром и психрометром.

Изменение влажности вызвано тем, что содержание воды в окружающем пространстве изменяется из-за процессов испарения и конденсации. Конденсация - это явление, обратное испарению, в данном случае пар начинает превращаться в жидкость, и она выпадает на поверхность.

При этом в зависимости от окружающей температуры может образоваться туман, роса, иней, гололед.

Когда теплый воздух, воды, соприкасается с холодной землей, образуется роса. В зимнее время, при отрицательных температурах, будет образовываться иней.

Немного другой эффект происходит, когда приходит холодный, или начинает охлаждаться нагретый за день воздух. В этом случае образуется туман.

Если температура поверхности, на которую конденсируется пар, отрицательная, то возникает гололед.

Таким образом, многочисленные природные явления, такие, как туман, роса, иней, гололед, обязаны своим образованием водяному пару, содержащемуся в атмосфере.

В этой связи стоит упомянуть об образовании облаков, которые тоже самым непосредственным образом участвуют в формировании погоды. Вода, испаряясь с поверхности и превращаясь в водяной пар, поднимается вверх. При достижении высоты, где начинается конденсация, она превращается в жидкость, и происходит образование облаков. Они могут быть нескольких типов, но в свете рассматриваемого вопроса важно, что они участвуют в создании парникового эффекта и переносе влаги в новые места.

В изложенном материале показано, что собой представляет водяной пар, описано его влияние на жизненные процессы, происходящие на Земле.

3. Водяной пар и его свойства

3.1. Водяной пар. Основные понятия и определения.

Одним из распространенным рабочим телом в паровых турбинах, паровых машинах, в атомных установках, теплоносителем в различных теплообменниках является водяной пар. Пар - газообразное тело в состоянии, близкое к кипящей жидкости.Парообразование – процесс превращения вещества из жидкого состояния в парообразное.Испарение – парообразование, происходящее всегда при любой температуре с поверхности жидкости. При некоторой определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей массе жидкости. Этот процесс называетсякипением . Обратный процесс парообразования называетсяконденсацией . Она также протекает при постоянной температуре. Процесс перехода твердого вещества непосредственно в пар называетсясублимацией . Обратный процесс перехода пара в твердое состояние называетсядесублимацией . При испарении жидкости в ограниченном пространстве (в паровых котлах) одновременно происходит обратное явление – конденсация пара. Если скорость конденсации станет равной скорости испарения, то наступает динамическое равновесие. Пар в этом случае имеет максимальную плотность и называетсянасыщенным паром . Если температура пара выше температуры насыщенного пара того же давления, то такой пар называетсяперегретым . Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления называетсястепенью перегрева . Так как удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара, то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар являетсяненасыщенным паром . В момент испарения последней капли жидкости в ограниченном пространстве без изменения температуры и давления образуетсясухой насыщенный пар . Состояние такого пара определяется одним параметром - давлением. Механическая смесь сухого и мельчайших капелек жидкости называетсявлажным паром . Массовая доля сухого пара во влажном паре называетсястепенью сухости –х .

х = m сп / m вп,

m сп - масса сухого пара во влажном; m вп - масса влажного пара. Массовая доля жидкости во влажном паре нызваетсястепенью влажности –у .

у = 1 – .

Для кипящей жидкости при температуре насыщения  = 0, для сухого пара – = 1.

3.2 Влажный воздух. Абсолютная и относительная влажность.

Атмосферный воздух широко используется в технике: в качестве рабочего тела (в воздушных холодильных установках, кондиционерах, теплообменниках и сушильных устройствах) и составной части для горения топлива (в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, в парогенераторах).

Сухим воздухом называется воздух, не содержащий водяных паров. В атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество водяного пара.

Влажным воздухом называется смесь сухого воздуха с водяным паром.

В теплотехнике некоторые газообразные тела принято называть паром. Так, например, вода в газообразном состоянии называется водяным паром, аммиак – аммиачным паром.

Рассмотрим более подробно термодинамические свойства воды и водяного пара. (1-6).

Образование пара из одноименной жидкости происходит посредством испарения и кипения . Между данными процессами существует принципиальное различие. Испарение жидкости происходит лишь с открытой поверхности. Отдельные молекулы, имеющие большую скорость, преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры жидкости. Сущность кипения состоит в том, что генерация пара происходит в основном в объеме самой жидкости за счет испарения ее внутрь пузырьков пара. Различают следующие состояния водяного пара:

влажный пар;

сухой насыщенный пар;

перегретый пар.

Атмосферный воздух (влажный воздух) может быть:

пересыщенный влажный воздух;

насыщенный влажный воздух;

ненасыщенный влажный воздух.

Пересыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и влажного водяного пара. Явление в природе – туман.Насыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и сухого насыщенного водяного пара.Ненасыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара.

Следует отметить принципиально разные значения термина “влажный” применительно к пару и к воздуху. Пар называется влажным, если содержит мелкодисперсную жидкость. Влажный воздух во всех представляющих интерес для техники случаях содержит перегретый или сухой насыщенный водяной пар. В общем случае влажный воздух может содержать и влажный водяной пар (например, облака), но этот случай технического интереса не представляет и далее не рассматривается.

В атмосферном (влажном) воздухе каждый компонент находится под своим парциальным давлением, имеет температуру, равную температуре влажного воздуха и равномерно распределен по всему объему.

Термодинамические свойства влажного воздуха как газовой смеси сухого воздуха и водяного пара определяются по закономерностям, характерным для идеальных газов.

Расчет процессов с влажным воздухом обычно проводится при условии, что количество сухого воздуха в смеси не изменяется. Переменной величиной является количество содержащегося в смеси водяного пара. Поэтому удельные величины, характеризующие влажный воздух, относятся к 1 кг сухого воздуха.

Давление влажного воздуха определяется по закону Дальтона:

Р=Рв+Рп, (3.1)

Где Рв – парциальное давление сухого воздуха, кПа; Рп – парциальное давление водяного пара, кПа.

Запишем уравнение Клапейрона - Менделеева

влажный воздух PV=MRT; (3.2)

сухой воздух P B V=M B R B T; (3.3)

водяной пар Р П V=M П R П Т, (3.4)

где V – объем влажного воздуха, м 3 ; М, М В, М П – масса соответственно влажного, сухого воздуха и водяного пара, кг; R, R В, R П – газовая постоянная соответственно влажного, сухого воздуха и водяного пара, кДж/(кгК); Т – абсолютная температура влажного воздуха, К.

Абсолютная влажность воздуха – количество водяного пара, содержащееся в 1 м 3 влажного воздуха. Она обозначается через П и измеряется в кг/м 3 или г/м 3 . Иначе говоря, она представляет собой плотность водяного пара в воздухе: П =Р П /(R П Т). Очевидно, что

 П =М П /V, где V – объем влажного воздуха массой М.

Относительной влажностью воздуха  называется отношение абсолютной влажности воздуха в данном состоянии к абсолютной влажности насыщенного воздуха (Н) при той же температуре.

Можно отметить два характерных состояния воздуха по величине :<100 %, при этом Р П <Р Н и водяной пар перегретый, а влажный воздух ненасыщенный;=100 %, при этом Р П =Р Н и водяной пар сухой насыщенный, а влажный воздух насыщенный. Температура, до которой необходимо охлаждать ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал сухим насыщенным, называется температурой точки росы t Н.

3.3 i d – диаграмма влажного воздуха

Впервые id - диаграмма для влажного воздуха была предложена проф. Л.К. Рамзиным. В настоящее время она применяется в расчетах систем кондиционирования, сушки, вентиляции и отопления. Вid – диаграмме по оси абсцисс откладывается влагосодержание d, г/кг сухого воздуха, а по оси ординат - удельная энтальпия влажного воздухаi, кДж/кг сухого воздуха. Для более удобного расположения отдельных линий, наносимых наid - диаграмму, она строится в косоугольных координатах, в которых ось абсцисс проводится под углом 135° к оси ординат.

При таком расположении осей координат линии i=const, которые должны быть параллельны оси абсцисс, идут наклонно. Для удобства расчетов значения d сносят на горизонтальную ось координат.

Линии d=const идут в виде прямых параллельных оси ординат, т.е. вертикально. Кроме того, на id.-диаграмме наносят изотермы t С =const, t M =const (штриховые линии на диаграмме) в линии постоянных значений относительной влажности (начиная от.=5% до=100%). Линии постоянных значений относительной влажности=const строят только до изотермы 100° , т. е. до тех пор, пока парциальное давление пара в воздухе Р П меньше атмосферного давления Р. В тот момент, когда Р П станет равным Р, эти линии теряют физический смысл, что видно из уравнения (10), в котором при Р П =Р влагосодержание d=const.

Кривая постоянной относительной влажности =100% делит всю диаграмму на две части. Та ее часть, которая расположена выше этой линии –область ненасыщенного влажного воздуха, в котором пар находятся в перегретом состоянии. Часть диаграммы ниже линии=100% - область насыщенного влажного воздуха.

Так как при =100% показания сухого и мокрого термометров одинаковы, t C =t M , то изотермы t C =t M =const пересекаются на линии=100%..

Чтобы найти на диаграмме точку, соответствующую состоянию данного влажного воздуха, достаточно знать два его параметра из числа изображенных на диаграмме. При проведении эксперимента целесообразно использовать те параметры, которые проще и точнее измеряются в опыте. В нашем случае такими параметрами являются температура сухого и мокрого термометров.

Зная эти температуры, можно найти на диаграмме точку пересечения соответствующих изотерм. Найденная таким образом точка определит состояние влажного воздуха и по id - диаграмме можно определить все остальные параметры воздуха: влагосодержание - d; относительную влажность -, энтальпию воздуха -i; парциальное давление пара – Р П, температуру точки росы – t М.

Водяной пар — газовая фаза воды

Водяной пар образуется не только, . Этот термин применим и к туману.

Туман — это пар, который становится видимым из-за капелек воды, которые образуются в присутствии охладителя воздуха — пар конденсируется.

При более низких давлениях, например, в верхних слоях атмосферы или в верхней части высоких гор, вода кипит при более низкой температуре, чем номинальная 100 ° C (212 ° F). При нагревании в дальнейшем становится перегретым паром.

Как газ, водяной пар может содержать только определенное количество водяного пара (количество зависит от температуры и давления).

Пар-жидкость равновесие является состоянием, при котором жидкость и пар (газовая фаза) находятся в равновесии друг с другом, это такое состояние, когда скорость испарения (жидкие изменения в пар) равна скорости конденсации (превращения пара в жидкость) на молекулярном уровне, что в целом означает взаимопревращения «пар-вода» . Хотя в теории равновесия можно достичь в относительно замкнутом пространстве, соотносятся в контакте друг с другом достаточно долго без каких-либо помех или вмешательств извне. Когда газ поглотил свое максимальное количество, он, как говорят, находится в жидком паровом равновесии, но если в нем больше воды, он описывается как ‘влажный пар’.

Вода, водяной пар и их свойства на Земле

• полярных шапок льда на Марсе
• Титан
• Европа
• Кольца Сатурна
• Энцелад
• Плутон и Харон
• Кометы и кометы источником населения (пояса Койпера и облаком Оорта объектов).

Вода-лед может присутствовать на Церере и Тетис. Вода и другие летучие вещества, вероятно, составляют большую часть внутренних структур Урана и Нептуна и воды в глубокие слои могут быть в виде ионной воды, в которой молекулы распадаются на суп из водорода и ионы кислорода, и глубже, как суперионные воды, в которой кислород кристаллизуется, но ионы водорода плавают свободно в пределах кислорода решетки.

Некоторые из полезных ископаемых Луны содержат молекулы воды. Например, в 2008 году лаборатории устройство, которое собирает и определяет частицы, обнаружены небольшие количества соединений, внутри вулканического жемчуга, привезенного с Луны на Землю Аполлон-15 экипаж в 1971 году. НАСА сообщили об обнаружении молекул воды НАСА Луна минералогии Mapper на борту Чандраян-1 корабля Индийской организации космических исследований в сентябре 2009 года.

Области применения пара

Пар используется в широком спектре отраслей промышленности. Общие приложения для пара, например, связаны с паровым обогревом процессов на фабриках и заводах и на паровых приводных турбинах на электростанциях…

Вот некоторые типичные приложения для пара в промышленности: Отопление / Стерилизация, Движение / привод, Распыление, Очистка, Увлажнение…

Связь воды и пара, давления и температуры

Насыщение (сухого) пара результат процесса, когда вода нагревается до температуры кипения, а затем испаряется с дополнительным выделением тепла (скрытое отопление).

Если эта пара затем дополнительно нагревается выше точки насыщения, пар становится перегретым паром (фактическое отопление).

Насыщенный пар

Насыщенный пар образуется при температурах и давлениях, где пар (газ) и вода (жидкость) могут сосуществовать. Другими словами, это происходит, когда скорость испарения воды равна скорости конденсации.

Преимущества использования насыщенного пара для отопления

Насыщенный пар обладает многими свойствами, которые делают его отличным источником тепла, особенно при температуре 100 ° C (212 ° F) и выше.

Влажный пар

Это наиболее распространенная форма пара, которую на самом деле испытывает на себе большинство растений. Когда пар произведен, используя котел, он обычно содержит влажность от невыпаренных молекул воды, которые перенесены в распределенный пар. Даже самые лучшие котлы могут распустить пар, содержащий от 3% до 5% влажности. Когда вода подходит к состоянию насыщения и начинает испаряться, немного воды, как правило, оседает в виде тумана или капель. Это одна из ключевых причин, почему образуется конденсат из распределенных пар.

Перегретый пар

Перегретый пар создается при дальнейшем нагревании влажного или насыщенного пар вне точки насыщенного пара. Это дает пар, который имеет более высокую температуру и низкую плотность, чем у насыщенного пара при том же давлении. Перегретый пар используется в основном в двигателе / ??приводе турбины, и обычно не используется для теплопередачи.

Сверхкритическая вода

Сверхкритическая вода есть вода в состоянии, которое превышает его критическую точку: 22.1MPa, 374 ° C (3208 PSIA, 705 ° F). В критической точке, скрытая теплота пара равна нулю, а его удельный объем точно такой же, будь то жидкое или газообразное состояние. Иными словами, вода, которая находится при более высоком давлении и температуре, чем критическая точка, находится в неразличимом состоянии, которое не является ни жидкостью, ни газом.

Сверхкритических вода используется для привода турбин на электростанциях, которые требуют более высокой эффективности. Исследование сверхкритической воды выполняется с акцентом на его использование в качестве жидкости, которая имеет свойства как жидкости, так и газа, и в частности о его пригодности в качестве растворителя для химических реакций.

Различные состояния Воды

Ненасыщенные воды

Это вода в ее наиболее узнаваемом состоянии. Около 70% веса человеческого тела из воды. В жидком виде вода имеет устойчивые водородные связи в молекуле воды. Ненасыщенные воды относительно компактные, плотные, и стабильные структуры.

Насыщенный пар

Насыщенные молекулы пара невидимы. Когда насыщенный пар поступает в атмосферу, будучи вентилируемый из трубопроводов, часть его конденсируется, передавая свое тепло окружающему воздуху, и образуются клубы белого пара (крошечные капельки воды). Когда пар включает в себя эти крошечные капельки, это называется влажным паром.

В паровой системе, паровые потоки, идущие от конденсатоотводчиков часто неправильно называют насыщенными парами, в то время как это на самом деле пар вторичного вскипания. Разница между ними состоит в том, что насыщенный пар невидим сразу на выходе из трубы, в то время как облако пара содержит видимые капли воды, которые мгновенно в нем образуются.

Перегретый пар

Перегретый пар не будет конденсироваться, даже если он вступает в контакт с атмосферой и на него воздействуют перепады температуры. В результате, облака пара не образуются.

Перегретый пар сохраняет больше тепла, чем насыщенный пар при том же давлении, и движение его молекул происходит быстрее, поэтому он имеет более низкую плотность (т. е. его удельный объем больше).

Сверхкритическая вода

Хотя не возможно сказать визуальным наблюдением, это — вода в форме, которая не является ни жидкой, ни газообразной. Общее представление имеет молекулярное движение, которое является близко к тому из газа, и плотности, которая ближе к той из жидкости.

Хотя нельзя сказать, путем визуального наблюдения, это вода в какой форме, она не является ни жидкой, ни газообразной. Общее представление имеет молекулярное движение, близкое к газу, а плотность такой воды ближе к жидкости.

Cтраница 1

Свойства водяных паров подробно рассматриваются в курсе технической термодинамики и хорошо известны.  

Свойства водяного пара как теплоносителя для отопления зданий и сооружений, общая классификация и характеристика систем парового отопления приведены в гл.  

Свойства водяного пара как теплоносителя для отопления зданий и сооружений приведены в гл. Влажное состояние изменяется при движении пара по трубам. По пути движения происходит попутная, как ее называют, конденсация части пара вследствие теплопередачи через стенки труб в окружающую среду, поэтому по паропроводам перемещается пароконденсатная смесь.  

Это свойство водяного пара используется для наблюдения пробега заряженных частиц.  

Экспериментальное изучение свойств водяного пара и некоторых других веществ в области высоких температур и давлений, предпринятое в последние годы советскими учеными Д. Л. Тимротом, Н. Б. Варгафтиком, В. А. Кириллиным и другими, а также Гавли-чеком и Ммсковоким в Чехословакии, обнаружило некоторые новые свойства реальных газов. Это ясно видно из фиг.  

Давайте рассмотрим некоторые свойства водяного пара или других газов. Разрозненные молекулы пара то и дело ударяются о стенки сосуда. Представьте себе комнату, в которой множество теннисных мячей (порядка сотни) беспорядочно и беспрерывно прыгают повсюду. Эту неумолкаемую дробь ударов атомов наши грубые органы чувств (их-то чувствительность не возросла в миллиард раз) воспринимают как постоянный напор. Чтобы сдержать газ в его пределах, к нему нужно приложить давление. Молекулы для простоты изображены теннисными мячиками, или точечками, потому что форма их не имеет значения.  

Реньо по изучению свойств водяного пара, первичная постановка которых относится к 40 - м годам XIX столетия. В результате этих экспериментальных исследований, очень тщательно поставленных, были изучены физические свойства воды, насыщенного пара и даже в небольшом диапазоне изменения параметров и свойств перегретого пара. Были определены при различных температурах давления и плотность насыщенного пара, теплота жидкости, скрытая и полная теплота испарения и другие величины, использовавшиеся в то время для тепловых расчетов паровых машин.  

Исследования Ренкина, касающиеся свойств водяного пара него теории, весьма многочисленны. Они были изложены в книге о паровых машинах, выдержавшей в Англии много изданий. Первое издание этой книги вышло в 1859 г., четырнадцатое - в 1897 г. Как видим, за 38 лет книга имела 14 изданий. Много Ренкиным сделано и в создании теории паровой машины.  

Работы Гирна над свойствами водяного пара весьма многочисленны и продолжались многие годы. Обработанные результаты этих исследований были приведены им в дальнейшем в книге Механическая теория тепла. Эта книга была напечатана в 1854 г., а затем со значительными дополнениями вышла вторым и третьим изданиями.  

Рассмотрим наиболее важные, свойства водяного пара, имеющие значение при сушке древесины.  

Опытные и теоретические исследования свойств водяного пара стали особенно интенсивно развиваться в начале XX столетия в связи с развитием паросиловых установок, применением турбин и перегретых паров, а также повышением давления и температуры пара. Эти исследования, проводившиеся в различных странах многими учеными, положили начало третьего периода развития теоретического и экспериментального изучения термодинамических свойств водяного пара и составления его таблиц.  

В последующих примерах показаны некоторые свойства водяного пара при мятии.  

Папен с Бойлем занялись изучением свойств водяного пара.  

Большое внимание в книге уделяется свойствам водяного пара как растворителя различных неорганических соединений. Эти свойства вызывают значительные осложнения при эксплуатации современных тепловых электростанций, использующих пар сверхвысоких параметров. Надкритический водяной пар играет большую роль в образовании некоторых типов эндогенных рудных месторождений, а также в процессах преобразования осадочных пород, контактирующих с интрузивами.  

Это наиболее примечательный факт, поскольку свойства водяного пара при давлении 1атм не очень отличаются от свойств идеальных газов, а молекулярный вес воды в парообразном состоянии соответствует мономерным молекулам. Это еще одно подтверждение высказанного выше предположения, что образование одной водородной связи у молекулы облегчает образование другой водородной связи.