Что собой представляет и при каких условиях происходит конденсация водяного пара?

Что это такое?

Конденсацией называется физический процесс смены агрегатного состояния жидкости. Это переход из газообразного состояния в жидкость, а иногда в лед.

При этом, смена фазового состояния зависит от внешних условий, температуры и первичного химического состава жидкости. Конденсация пара в жидкость часто протекает при изменении температуры пара и насыщения молекулами жидкости.

При этом процесс конденсации зависит от сообщения пара с окружающей средой:

1. В закрытом сосуде обратный фазовый переход осуществляется при насыщении пара молекулами воды и достижении термодинамического равновесия.

   Пар и вода сравниваются по температуре, газ насыщается водой, и молекулы возвращаются обратно в исходную жидкость.

2. В условиях сообщения с окружающей средой пар не получает насыщения, но охлаждается при контакте с менее нагретым воздухом или поверхностями.

Фазовый переход из пара в жидкость сильно зависим от нескольких факторов, которые описаны далее.

Факторы, обуславливающие данное явление

Для начала конденсации должны соблюдаться некоторые условия (не все, но какие-то из них):

1. Достижение термодинамического равновесия пара и жидкости. Это свойственно для насыщенного пара в герметичных условиях.
2. При насыщении пара молекулами воды. Также свойственно насыщенным парам. Большое количество молекул, их быстрое и хаотичное движение увеличивает количество соударений и приводит к возврату в жидкость.
3. Температурная разница между паром и окружающей средой. Процесс характерен для ненасыщенных газов. Пар конденсируется при соприкосновении с охлажденными поверхностями. Этот тип конденсации можно наблюдать в зимнее время на оконных стеклах. Также он применяется в различных теплообменных устройствах.
4. При насыщении атмосферы посторонними частицами (водой, иной жидкостью, твердыми частицами пыли, заряженными ионами).
5. При высоком давлении и плотности. Данные условия характерны для насыщенных паров.
6. При увеличении атмосферного давления.

От каких параметров зависит?

Конденсация пара также имеет прямую зависимость от некоторых параметров среды, в которой он находится:

• конденсация насыщенного пара начинается при уравновешивании температуры между водой и газом — например, при 100 градусах;
• при насыщении атмосферы влагой до уровня 100 %;
• при увеличении парциального давления пара в условиях насыщения;
• скорость конденсации растет при разнице температуры пара и среды.

Скорость конденсации снижается, если водяной пар смешивается с иными газами. Например, если в паре содержится 1% кислорода, то конденсация образуется при температурной разнице двух газов по причине снижения тепловой отдачи водяного пара.

При какой температуре начинается, как изменяется в процессе?

Фазовый переход из пара в жидкость происходит при температуре кипения жидкости. Это прямая зависимость испарения и конденсации:

1. При температуре кипения молекулы воды насыщают пар, увеличивая его плотность и давление.
2. В момент насыщения, пар входит в термодинамическое равновесие с водой, его температура сравнивается с температурой жидкости, происходит 100 % насыщение пара водой.
3. При полном насыщении, пар конденсируется в воду.

Подобный процесс свойственен насыщенному пару. Если увеличить подвод тепла, происходит дисбаланс температур и выпаривание молекул воды из состава пара, его перегревание.

В промышленных теплообменных установках конденсация протекает при температурном дисбалансе в 25-40 градусов.

Коэффициент теплоотдачи

Коэффициентом теплопередачи при конденсации является значение теплоты, которое передается от образовавшейся воды в окружающую среду. Конденсация осуществляется путем разницы температуры насыщения и окружающей среды или поверхности.

В момент конденсации, теплота передается этой среде. При постоянном подводе теплоты и парообразования поверхность разогревается. Этот принцип используется в системах отопления.

Коэффициент теплопередачи сильно зависит от типа конденсации:

1. Капельная. Образуется на поверхностях с вода отталкиваемыми свойствами в виде капель при постоянном цикле парообразования.

   Подобная конденсация также образуется на любых поверхностях, но при одновременном фазовом переходе небольшого объема пара.

   Коэффициент теплопередачи при капельной конденсации очень мал из-за быстрого роста диаметра капель и их отвода обратно в исходную жидкость.

2. Смачиваемая конденсация. Представляет собой фазовый переход в виде водяной пленки по всей поверхности. При подобной конденсации, коэффициент теплопередачи выше из-за подвода тепла от пара и постоянного подогрева пленки.

Коэффициент теплопередачи зависит от:

• температуры пара,
• расположения поверхности (горизонтальная-вертикальная),
• типа пара,
• температуры внешней среды.

Удельная теплота

Рассмотрим, что это за параметр и как его рассчитать.

Что это за параметр, что на него влияет?

Удельная теплота конденсации — это обратное значение величины удельной теплоты парообразования.

На величину удельной теплоты конденсации влияют следующие факторы:

1. Температура. Чем выше температура парообразования, тем выше это значение для начала обратного перехода.
2. Давление. От давления зависит температура парообразования, а, значит, и конденсации.

   Чем выше давление, тем больше энергии затрачивается на фазовые переходы.

3. Скорость насыщения. Зависит от величины подводимого тепла.
4. Температура окружающей среды. Чем ниже внешняя температура, тем меньше энергии затрачивается на конденсацию.
5. Взаимодействие со средой. При отсутствии взаимодействия (закрытый сосуд), величина удельной теплоты конденсации равна теплоте парообразования. Для открытых емкостей это значение зависит от температуры среды и поверхностей.

Также большая зависимость кроется в движении пара. При естественном поступлении, конденсация происходит в полной зависимости от температуры, атмосферного давления. При направленном движении (насосное и иное оборудование), конденсация возникает быстрее, требуется меньше тепловой энергии.

Сколько энергии отдает пар?

Равенство величин удельной теплоты парообразования и конденсации указывает на то, что при обратном переходе из состояния газа в жидкость, требуется 2300 кДж/кг тепловой энергии при температуре кипения воды 100 градусов.

Для иных жидкостей также прослеживается зависимость от температуры их парообразования.

Формула и правила расчета

Расчет удельной теплоты конденсации пара выполняется по формуле:

Выражение состоит из:

• «L» — величина удельной теплоты конденсации;
• «Q» — количество затрачиваемой тепловой энергии;
• «m» — масса исходной жидкости.

Для жидкостей удельная теплота парообразования является табличной величиной, поэтому часто используется расчет именно количества затрачиваемой энергии.

Задачи и решения

Задача:

1. Температура кипения воды 100 градусов.
2. Масса воды 500 г.
3. Количество тепловой энергии неизвестно.

Решение: Q=L*m=2300 кДж/кг*0,5 кг=1150 кДж/кг.

Ответ: для парообразования и конденсации воды массой 500 г, требуется 1150 кДж тепловой энергии.

Задача:

1. Температура кипения этилового спирта 78,4 градуса.
2. Масса 400 г.
3. Количество затрачиваемой энергии неизвестно.

Решение: Q=L*m=837Кдж/кг*0,4 кг=334,8 кДж.

Ответ: для парообразования и конденсации этилового спирта массой 400 г, требуется 334,8 кДж тепловой энергии.

Примеры в повседневной жизни, природе

В повседневной жизни мы часто встречаемся с явлением конденсации:

1. Появление воды на внутренней поверхности крышек чайников, кастрюль. Конденсат на поверхности емкостей с холодными напитками.
2. В зимнее время конденсат образуется на оконных стеклах.
3. В утреннее время конденсат выпадает в виде росы.
4. Дождь и снег также являются конденсатом.

Конденсат также можно встретить на поверхностях трубок кондиционеров, систем вентиляции и обогрева.

Видео по теме статьи

Что такое конденсация, подскажет видео:

Заключение

Конденсация является обратным процессом парообразования. Данное физическое явление протекает в естественной среде и используется в промышленности. В некоторых системах теплообмена конденсация является вредной, так как требует дополнительной энергии на повторное парообразование.