Насыщенный и ненасыщенный пар физика. Назначение дымососа и вентилятора

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.

Наверняка многим приходилось наблюдать картину, как стоящая открытой емкость с водой через некоторое время оказывается пустой. Если же ее прикрыть крышкой, то вода никуда не девается. Причина всем известна - вода испаряется. Объяснение такому явлению простое: часть молекул воды имеет достаточно большую скорость движения для того, чтобы покинуть жидкость. Вот этот процесс перехода жидкости в газообразное состояние и называется испарением.

Другой процесс, а именно превращение пара в жидкость, называется конденсацией. Эти два процесса, испарение и конденсация, идут постоянно: часть воды испаряется, часть - конденсируется. Если объем над поверхностью воды неограничен, то преобладает процесс испарения. Испарившаяся вода удаляется, как, например, происходит над поверхностью открытой воды, и жидкость постепенно переходит в газообразное состояние - пар.

А вот если объем свободного пространства над жидкостью ограничен, то возникает несколько другая ситуация. Испарившаяся вода не может покинуть этот объем, и над поверхностью воды образуется насыщенный пар. Так называется пар, находящийся в состоянии равновесия, когда количество испарившейся воды и конденсировавшегося пара равны. Вода не убывает и не прибывает, наступает состояние равновесия между испарением и конденсацией.

Теперь мы знаем, что такое насыщенный пар, и его свойства, возможно, окажутся для нас достаточно любопытными. Мы с самого начала определили, что объем свободного пространства над поверхностью жидкости ограничен. Над ней образовался насыщенный пар. А если теперь этот свободный объем уменьшить? Что будет? В этом случае установившееся равновесие между конденсацией и испарением нарушится. Начнет преобладать процесс конденсации, объем влаги увеличится, а пара - уменьшится.

Давление пара, при котором он находится в равновесии с жидкостью, называется Если мы уменьшаем объем свободного пространства над водой, то давление пара увеличивается. Следствием этого и будет переход пара в воду. При увеличенном занимает меньше места, чем насыщенный пар. Из этого следует еще один вывод: если температура постоянна, то давление насыщенного пара при любом объеме одинаково.

Существует еще один вариант поведения пара - объем над поверхностью воды уменьшают, а переход пара в жидкость не происходит. Значит, над поверхностью находится ненасыщенный пар. В дальнейшем, при уменьшении объема при постоянной температуре, пар начинает превращаться в воду - значит, образовался насыщенный пар. Но не зря было оговорено условие, что все происходит при постоянной температуре. Существует определенное ее значение, при котором пар может превратиться в жидкость.

Это значение называется критической температурой. Вещество остается газом при температуре выше критической, если же она ниже критической, то газ превращается в жидкость. Каждое вещество имеет свое значение Стоит отметить еще две особенности пара: он может быть как влажный, так и сухой насыщенный пар. Во влажном присутствуют капли воды, а сухой пар не содержит влаги.

Существует еще так называемый перегретый пар - это сухой пар с температурой выше критической. В этом случае считается, что в замкнутом объеме уже нет жидкости, а присутствует исключительно пар. Перегретый пар в основном используется в технике и энергетике. перегретого пара позволяет транспортировать его с помощью паропроводов и использовать в Благодаря отсутствию воды в перегретом паре срок службы турбины увеличивается.

В статье рассмотрено, что собой представляет насыщенный пар, его виды и свойства, а также процесс его образования и превращения в жидкость.

Испарение – это парообразование, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой или вакуумом.

Неравномерное распределение кинетической энергии теплового движения молекул приводит к тому, что при любой температуре кине­тическая энергия некоторых молекул жидкости или твердо­го тела может превышать по­тенциальную энергию их связи с остальными молекулами.

Ис­парение - это процесс, при ко­тором с поверхности жидкости или твердого тела вылетают молекулы, кинетическая энергия которых превышает потенциаль­ную энергию взаимодействия мо­лекул. Испарение сопровождает­ся охлаждением жидкости.

Рассмотрим процесс испарения с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Чтобы покинуть жидкость, молекулы должны выполнить работу за счет уменьшения своей кинетической энергии. Среди хаотически движущихся молекул жидкости в ее поверхностном слое всегда найдутся такие молекулы, которые стремятся вылететь из жидкости. Когда такая молекула выходит за поверхностный слой, то возникает сила, втягивающая молекулу обратно в жидкость. Поэтому вылетают из жидкости только те молекулы, у которых кинетическая энергия больше работы, необходимой для преодоления противодействия молекулярных сил.

Скорость испарения зависит:

а) от рода жидкости;

б) от площади ее свободной поверхности. Чем больше эта площадь, тем быстрее испаряется жидкость.

в) чем меньше плотность пара жидкости над ее поверхностью, тем больше скорость испарения. Поэтому откачка паров (ветер) с поверхности ускорит ее испарение.

г) с повышением температуры скорость испарения жидкости возрастает.

Парообразование - этопереход вещества из жидкого состояния в газообразное состояние.

Конденсация - это переход вещества из газообразного состояния в жидкое состояние.

При парообразовании внутренняя энергия вещества увеличивается, а при конденсации - уменьшается.

Теплота парообразования– этоколичество теплоты Q, необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре.

Удельная теплота парообразования L измеряется количеством теплоты, необходимым для превращения в пар единицы массы жидкости при неизменной температуре

Насыщенный и ненасыщен­ный пар. Испарение жидкости в закрытом сосуде при неизмен­ной температуре приводит к постепенному увеличению кон­центрации молекул испаряюще­гося вещества в газообразном состоянии. Через некоторое время после начала процесса испаре­ния концентрация вещества в газообразном состоянии дости­гает такого значения, при ко­тором число молекул, возвращаю­щихся в жидкость в единицу времени, становится равным чис­лу молекул, покидающих по­верхность жидкости за то же время. Устанавливается динами­ческое равновесие между процес­сами испарения и конденсации вещества.

Динамическое равновесие - это когда процесс испарения жидкости полностью компенсируется с кон­денсацией пара, т.е. сколько молекул вылетает из жидкости, столько же в нее возвращается.

Насыщенный пар – это пар, который находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью. Давление и плотность на­сыщенного пара однозначно определяются его температурой.

Ненасыщенный пар – это пар, который находится над поверхностью жидкости, когда испарение преобладает над конденсацией, и пар при отсутствии жидкости. Его давле­ние ниже давления насыщен­ного пара.

При сжатии насыщенного па­ра концентрация молекул пара увеличивается, равновесие между процессами испарения и конден­сации нарушается и часть пара превращается в жидкость. При расширении насыщенного пара концентрация его молекул уменьшается и часть жидкости превращается в пар. Таким об­разом, концентрация насыщенно­го пара остается постоянной не­зависимо от объема. Так как давление газа пропорционально концентрации и температуре давление насыщенного пара при постоянной температу­ре не зависит от объема.

Интенсивность процесса испа­рения увеличивается с возраста­нием температуры жидкости. По­этому динамическое равновесие между испарением и конденса­цией при повышении темпера­туры устанавливается при боль­ших концентрациях молекул газа.

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

Давление насыщенного пара.

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

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

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

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

Зависимость давления насыщенного пара от температуры.

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

p 0 =nkT.

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

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

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

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

Ненасыщенный пар.

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

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

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

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

Пар как одно из трех физических состояний

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

Процесс образования пара

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

Взаимосвязь переменных

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

Насыщенный пар и его свойства

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

Преимущества в сфере отопления

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

Различные виды пара

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

Сухой и насыщенный: в чем противоречие

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