Пар или парообразование

В термодинамике любое изменение внешних условий сопровождается переходом веществ из одного агрегатного состояния в другое (фазовым переходом).

Примерами фазового перехода первого рода, при котором наблюдаются скачкообразные изменения внутренних характеристик (удельного объема, внутренней энергии, концентрации веществ) при изменении внешних условий (температуры и давления) являются испарение и конденсация.

Что такое парообразование, расскажем далее.

Парообразование и испарение — что это такое?

Парообразование – это физическое явление, при котором жидкое вещество изменяет свое агрегатное состояние, превращаясь в газ.

При парообразовании молекулы покидают свою жидкость, образуя пар. Процесс сопровождается поглощением энергии.

Испарение – это форма парообразования, при которой фазовый переход жидкости в пар происходит лишь с ее свободной поверхности.

Испарение – постоянный процесс, интенсивность которого зависит от внешних условий:

• температурных данных,
• силы ветра,
• атмосферного давления и площади водного зеркала.

Какое явление называют испарением?

Испарение можно описать, как физический, химический и природный процесс. Примеры испарения представлены в этой статье, механизм испарения рассмотрен здесь.

В химии

Скорость испарения различных жидкостей зависит от их химического состава, поскольку молекулы различных веществ по-разному взаимодействуют друг с другом. Химическим составом жидкости определяется характер связей между молекулами, а значит и плотность жидкого вещества.

В плотных жидкостях расстояние между молекулами минимально. Это означает, что для того, чтобы покинуть поверхность своей жидкости им понадобится большая скорость и сила отрыва.

Скорость испарения такой жидкости ниже, а температура кипения – выше. Менее плотные жидкости испаряются очень быстро, поскольку сила взаимодействия между молекулами минимальна.

Как природный процесс

В природе испарение жидкостей играет огромную роль, так как составляет основу круговорота воды, обеспечивающего жизнедеятельность всех живых организмов. Испаряющаяся с речной и морской глади вода служит образованию дождевых туч, которые, в свою очередь, насыщают влагой и питательными элементами почву.

Активное потоотделение помогает защитить организм человека от перегрева, поскольку испарение пота приводит к потере значительного количества тепловой энергии. Растения в жаркий день охлаждаются подобным образом, испаряя влагу с листовых пластин.

С точки зрения физики

С точки зрения физики испарением называют фазовый переход жидкости в газообразное состояние под воздействием температурных колебаний.

Внешне данный процесс можно проследить как постепенное уменьшение жидкости в незакрытой посуде.

Главной причиной испарения является различие температурных показателей на границе двух сред: жидкости и окружающей атмосферы. Если эта разность мала, то интенсивность испарения невелика.

Вследствие диффузионного процесса молекулы воды покидают ее среду, переходя через проницаемую поверхность раздела фаз. Процесс перехода молекул воды в газообразное состояние происходит постепенно и заканчивается полным испарением.

Как замедлить испарение, читайте тут, какие факторы ускоряют и уменьшают испарение жидкости — здесь.

Как происходит испарение, почему при любой температуре?

Большинство молекул воды удерживаются на ее поверхности силами притяжения частиц более глубоких слоев вещества. Но есть молекулы, кинетическая энергия которых равна силе молекулярного притяжения.

При дальнейшем ее увеличении, частицы покидают поверхность своей жидкости. Иными словами, «быстрые» молекулы обеспечивают процесс испарения.

Поскольку какое-то количество «быстрых» молекул имеется всегда, испарение происходит при любой температуре. При нагревании, их количество увеличивается, в результате чего процесс испарения интенсифицируется. Подробнее читайте тут.

Определение водяного пара, относится ли он к парниковым газам?

Водяной пар – это вода в газообразном состоянии (одно из трех агрегатных состояний воды). Химическая формула пара аналогична формуле воды (Н2О).

Благодаря полной прозрачности, водяной пар невидим, но, если разность температур пара и окружающей среды увеличивается (когда пар теплее воздуха), он становится видимым за счет конденсации его частиц.

Парниковые газы (газообразная составляющая воздушной оболочки земли) на 36-72% состоит из водяного пара.

Помимо водяного пара, парниковые газы содержат:

• углекислый газ,
• метан,
• закись азота,
• озон.

Обладая высокой плотностью, эти газы поглощают и отражают лучистую энергию солнца в инфракрасном диапазоне и являются главной причиной парникового эффекта. Подробнее читайте тут.

Можно ли назвать туман водяным паром?

Туман – является результатом конденсации водяного пара, содержащегося в атмосфере. Данное природное явление можно наблюдать при понижении температуры влажного, то есть насыщенного водяным паром воздуха, когда частички пара вновь переходят в жидкое состояние.

В зависимости от способа происхождения, различают несколько видов туманов:

1. Туман охлаждения – образуется, когда насыщенный влагой воздух охлаждается ниже точки росы.
2. Туман испарения – появляется над водной гладью и влажной сушей, когда температурный дисбаланс между более теплой испаряющей поверхностью и холодным воздухом становится слишком велик.

Более подробно можно узнать тут.

Виды пара

В зависимости от причин образования и характеристик различают несколько видов пара. Подробнее о видах парообразования читайте здесь.

Парциальный

Парциальный пар – пар, являющийся компонентом газовой смеси, составляющий ее определенную часть (порцию).

Насыщенный и ненасыщенный

Влажный насыщенный пар – это пар, содержащий мельчайшие частицы воды, то есть смесь воды и пара. Такой пар находится в соприкосновении со своей водой и имеет с ней одинаковую температуру, равную температуре кипения.

Насыщенный пар находится в динамическом равновесии с жидкостью, то есть поток конденсирующихся молекул и поток покидающих жидкость молекул одинаков.

Пар, не достигший динамического равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным. В данной термодинамической системе, количество испаряющихся молекул меньше, чем количество конденсирующихся молекул, то есть процесс парообразования преобладает над процессом конденсации. Ненасыщенный пар имеет малое давление. Подробнее читайте тут. Чем отличается обычный пар от насыщенного, подскажет эта статья.

Перегретый

Если сухой пар отделить от жидкости и продолжать нагревать в отдельной емкости, то его температура продолжит увеличиваться. В скором времени, температура пара будет намного выше температура кипения воды при одинаковом давлении с ней.

Такой пар называют перегретым. Современные системы позволяют нагреть сухой пар до температуры 600°С. Подробности — тут.

Что представляет собой сухой?

Пар, имеющий температуру насыщения, но лишенный частичек воды, называется сухим. Все молекулы влаги в этом случае переходят в газообразное состояние и находятся в динамическом равновесии.

Подробнее можно узнать из этой статьи.

Холодный

Холодный пар образуется в том случае, если парообразование происходит в условиях отрицательных температур. Зачастую, процесс образования холодного пара протекает напрямую из твердого состояния вещества, минуя жидкое. Данный процесс носит название возгонки или сублимации.

В природе места образования холодного пара расположены над поверхностью водоемов в регионах с холодным климатом (зачастую, испарение происходит с поверхности льда).

Условия образования холодного пара таковы:

1. С открытого водоема в условиях отрицательных температур, когда температура воды выше температуры воздуха, а уровень влажности воздуха более 0%.
2. С поверхности льда при влажности воздуха близкой к 0°. Главная причина высвобождения молекул воды при этом – температурная разница между воздухом и льдом.

Подробнее о холодном паре читайте тут.

Чем отличается кипение от испарения?

Кипение, как и испарение, представляет собой форму парообразования. Процессы отличаются друг от друга формой и условием возникновения:

1. При кипении парообразование происходит более интенсивно и по всему объему жидкости. Главное условие кипения жидкости – нагревание до температуры кипения.
2. При испарении парообразование идет менее интенсивно и лишь с поверхности водной глади. Это постоянный процесс, не требующий подвода тепла извне.

Подробности — в этой статье.

Можно ли увидеть водяной пар?

Водяной пар в обычных условиях – полностью прозрачный газ, не имеющий запаха, цвета и вкуса, поэтому увидеть его невозможно.

Свойством прозрачности обладает любой тип пара (насыщенный, ненасыщенный, сухой, холодный, перенасыщенный).

Видимыми становятся частички влаги, содержащиеся в паре, после конденсации. Водяная взвесь, распыленная во влажном воздухе, окрашивает его в белый цвет, резко уменьшая прозрачность воздуха. Подробности — в этой статье.

Какова скорость испарения?

Скорость испарения выражается в миллиметрах толщи воды, испаряющейся за единицу времени. Данная величина прямо пропорциональна разности между упругостью насыщения водяного пара (при температуре испаряющей поверхности) и фактической упругостью водяного пара в воздухе. (E s — е). Если эта разность мала, значит, скорость испарения – невелика.

На данную величину влияют следующие условия:

1. Температура. С увеличением разности температур между средами увеличивается скорость испарения.
2. Движение воздуха. В условиях сильного ветра вода испаряется быстрее.
3. Влажность воздуха. Сухой воздух способствует увеличению скорости испарения.
4. Давление воздуха. При увеличивающемся атмосферном давлении скорость испарения становится ниже.
5. Плотность жидкости. Более плотные жидкости испаряются медленнее.

Подробности — в этой статье.

Паровая машина и турбина

Паровая машина – тепловой двигатель внешнего сгорания, в котором энергия водяного пара преобразуется в механическую энергию поршня. Совершая возвратно-поступательные движения, поршень передает свою энергию валу, который совершает вращательные движения.

Паровая турбина представляет собой ротор с вертикально расположенными лопастями. За каждым диском ротора неподвижно укреплен статор, составляющий с ним пару.

Пропуская пар через последовательно сгруппированные ступени, вал приводят в движение (это происходит за счет потенциальной энергии пара). В отличие от паровой машины здесь используется не потенциальная, а кинетическая энергия пара. О паровых машинах читайте здесь.

Свойства водяного пара

Давление водяного пара – величина нагрузки пара, находящегося в закрытой емкости на ее стенки.

Парциальное давление водяного пара газовой смеси – это давление водяного пара без учета давления других компонентов, составляющих эту смесь. Измеряя парциальное давление, определяют долю водяного пара в общем объеме смеси, а, значит, и влажность воздушных масс.

Плотность водяного пара – соотношение его массы к объему. Скорость испарения – это количество воды, испаряющееся со всей свободной поверхности в единицу времени.

Удельная теплота парообразования воды – это доля энергии, затрачиваемая на переход определенной массы воды в газообразное состояние. Масса водяного пара на единицу объема атмосферы (1м³) носит название абсолютной влажности воздуха.

Упругость водяного пара – общее количество пара в атмосфере на единицу ее объема. Точка росы – температура, при которой воздух перенасыщается воздушным паром и начинается процесс конденсации.

О свойствах водяного пара читайте в этой статье. Формула удельной теплоты парообразования представлена здесь, чему она равна — тут, как определить молярную массу — тут, о давлении ВП читайте в этой статье, о парциальном давлении — в этой, об упругости ВП — здесь, о точке росы — тут.

Формула водяного пара представлена в этой статье, о плотности водяного пара читайте тут, об удельной теплоте парообразования — тут, о внутренней энергии при испарении жидкости — здесь.

Процесс испарения воды листьями

Процесс испарения воды поверхностью листовых пластин носит название транспирации. Это излишняя влага, которая накапливается в межклеточном пространстве, после чего испаряется с поверхности листьев и, отчасти, стеблей.

Испарение происходит через специальные устьица, располагающиеся в межклеточных пространствах. Устьица образованы сопровождающими и замыкающими клетками.

Открывая и закрывая устьичные щели, они регулируют объем выделяемой влаги и процесс испарения в зависимости от внешних условий:

• температуры,
• освещения,
• влажности.

Подробности — в этой статье.

ВП в атмосфере

В атмосфере земли всегда присутствует определенное количество водяного пара. Это результат испарения влаги из грунта, водоемов, растений. Водяной пар, содержащийся в атмосфере, является свидетельством круговорота воды в природе. Процентное его отношение определяется относительной и абсолютной влажностью воздуха.

Но облака, образующиеся в результат круговорота воды, напротив, отражают солнечные лучи, в результате чего количество тепла, достигающее земли, уменьшается. Подробнее читайте тут.

Температура пара в турбине

Идеальная температура нагрева пара для подачи на вход в турбину – 550-600°С (небольшой запас необходим для покрытия температурных потерь при расширении пара в турбине).

Разогревать пар до более высоких температур нецелесообразно: создается слишком большая нагрузка на турбину, что опасно. В середине процесса проводят дополнительный подогрев пара, поскольку его остывание грозит уменьшением коэффициента полезного действия оборудования. Подробнее читайте тут.

Трубопроводы пара и горячей воды

Для обеспечения доставки горячей воды и пара используются трубопроводы с особыми техническими характеристиками, отличающими от рядовых водных магистралей.

Среди них:

• способность выдерживать температуру от 100 до 400°С;
• устойчивость к давлению до 8 мПа;
• устойчивость к механическим повреждениям;
• химическая инертность материала;
• неподверженность коррозийным процессам;
• высокая свариваемость.

Трубопроводы пара и горячей воды выполняют из монолитного материала (легированной или углеродной стали), без швов. На этапе тестирования проверяются показатели предела прочности на разрыв при воздействии на внутренние стенки труб. Подробнее читайте здесь.

Особенности испарения различных жидкостей

Рассмотрим, как отличаются процессы испарения жидкостей с различными характеристиками.

Спирта

Этанол – летучая жидкость, обладающая низкой плотностью и малой удельной теплотой парообразования. Молекулы спирта обладают небольшой молекулярной массой, что определяет малую силу притяжения между ними.

Диффузионные процессы спиртов, а, значит, и процессы испарения проходят очень активно в естественных условиях без подвода тепла. Подробности — в этой статье.

Топлива

Жидкое топливо может испаряться в условиях открытой и закрытой емкости. В условиях открытой емкости топливо испаряется непосредственно в атмосферу, но, в условиях закрытой емкости, над поверхностью жидкости образуется насыщенный пар. Постепенно достигается термодинамическое равновесие, после чего начинается процесс конденсации.

Более подробно об испарении топлива можно узнать тут.

Ртути

Ртуть – это металл, который в естественных условиях находится жидком состоянии. Минимальная температура испарения ртути составляет -38°С.

Интенсивность испарения увеличивается по мере нагревания и достигает максимума по достижении температуры кипения +357°С.

Интенсивность зависит также от площади свободной поверхности, плотности металла, состояния металла (движение или статика). Влияют и внешние условия – температура, атмосферное давление, ветер, ультрафиолетовое излучение. Подробнее читайте тут.

Выпаривание

Если необходимо получить концентрат какого-либо вещества, производят выпаривание, то есть устранение из вещества его водной составляющей. Для выпаривания раствор данного вещества доводят до кипения, добиваясь испарения растворителя.

При помощи данного процесса можно решить следующие задачи:

1. Произвести дистилляцию (выделить растворенные вещества).
2. Произвести кристаллизацию (выделить нелетучие вещества в твердом кристаллическом состоянии).

При опреснении морской воды ее нагревают, после чего выделившийся водяной пар подвергают конденсации. В качестве нагревательного элемента используют электричество, водяной пар, или другие носители тепла.

Подробнее о выпаривании читайте в этой статье, о выпаривании соли из воды — в этой.

Конденсация

Конденсация пара – процесс смены агрегатного состояния (обратный переход из газообразного состояния в жидкое).

Главные условия конденсации в закрытом сосуде – насыщение пара молекулами и достижение состояния термодинамического равновесия. В открытом сосуде пар конденсируется, контактируя с холодным воздухом или поверхностями.

Интенсивность конденсации зависит от следующих показателей:

• скорость уравновешивания температур воды и газа на отметке 100°С;
• скорость насыщения воздуха влагой до уровня 100 %;
• увеличение парциального давления пара в условиях насыщения.

Облака – это результат конденсации водяного пара, содержащегося в атмосфере в жидкое и твердое состояние. Необходимые условия образования облаков – увеличение абсолютной влажности атмосферы или снижение температуры при восходящем движении воздушных масс. Подробности о процессе конденсации — тут, о превращении пара в облака — здесь, о выделении энергии при конденсации — здесь.

Примеры испарения в природе

Человеку часто приходится сталкиваться с испарением, как природным явлением. Вот несколько примеров:

1. В засушливые года вода с поверхности водоемов активно испаряется, приводя к их обмелению.
2. Потребность растений в регулярном поливе объясняется постоянным испарением влаги с поверхности почвы. Не получая влаги извне, растения могут погибнуть.
3. Хвост кометы представляет собой шлейф из кометного газа в составе которого присутствует водяной пар, как продукт испарения вещества тела кометы.
4. Нагретая солнцем почва приводит к активному испарению дождевых капель еще до того, как они достигнут ее поверхности. Данное явление носит название «вирга».

Почему и как происходит охлаждение при испарении?

Молекулы жидкости обладает достаточно большой кинетической энергией. Некоторые из них преодолевают поверхностное натяжение жидкости и покидают ее поверхность, проникая в ходе диффузионных процессов между молекулами атмосферы.

Покидая поверхность жидкости, молекулы тратят большую энергию. Отдавая с паром часть тепловой энергии, жидкость охлаждается, и, в свою очередь, начинает поглощать тепло из окружающей среды. Подробнее читайте здесь.

Перегонка с водяным паром

Перегонка с водяным паром проводится с целью высокой очистки смеси, когда есть необходимость выделения из нее труднорастворимых в воде органических элементов с высокой температурой кипения (около 100°С).

Процесс представляет собой химическую реакцию, при которой малорастворимые органические компоненты смеси отделяются друг от друга.

Подробнее читайте тут.

Заключение

Парообразование – сложный физический процесс, находящий широкое практическое применение. Благодаря доступности, экологичности, высокому коэффициенту теплоотдачи, легкой транспортировке, пар входит в число наиболее популярных теплоносителей на производстве и в быту.