Насыщенный

Законы природы и физики часто используются в промышленности. В статье подробно рассказывается о том, что такое насыщенный пар.

Приведено определение этому веществу, его единица измерения, примеры расчета, физические особенности.

Что это такое: определение, единицы измерения

Если кратко, то насыщенный пар – это такой пар, который термодинамически равен жидкости или предмету (льду), из которых он образован.

Молекулярное количество жидкости, превратившейся в пар, равно концентрации тех же молекул, вернувшихся обратно в воду. Этот вид пара образовывается чаще в закрытых емкостях.

Причиной является полное отсутствие испарения, что значит нарушения динамического равновесия.

Насыщенный пар может образоваться и на открытом участке. Например, над замерзшим озером. Но для этого необходимо полное отсутствие испарения (ночь) и высокое атмосферное давление.

Для насыщенного пара свойственны такие параметры как давление и плотность. В формулах имеет обозначение «Рн». Единицей измерения насыщенного пара воды является значение температуры кипения 100 градуса, равная давлению 100 кПа.

Для измерения давления паров горючих жидкостей используется методика Рейда и единица измерения «RVP». По этой методике измеряется давление насыщенного пара при температуре 37,8 градуса.

Виды

Насыщенный пар имеет только два основных вида:

1. Сухой. Это такое состояние насыщенного пара, при котором в его составе отсутствуют частицы воды. Для расчета берется показатель степени сухости «х».
2. Влажный. Это такой пар, в котором присутствуют частицы воды в разной концентрации. На концентрацию частиц воды указывает степень влажности «х-1».

Насыщенный пар может видоизмениться при изменении внешних условий, например, интенсивности испарения. При любых изменениях стабильным должно быть термодинамическое равновесие. Если оно нарушается, пар переходит в разновидность перегретого или ненасыщенного.

Условия для образования

Для образования насыщенного пара требуются 2 основных условия: испарение воды и ее конденсация. Добиться таких условий можно, если жидкость находится в закрытом сосуде.

Образование происходит следующим образом:

1. В закрытом сосуде или емкости часть жидкости испаряется.
2. Испарение приводит к образованию пара определенной плотности.
3. Чем выше плотность пара, тем выше насыщение пустого объема частицами пара.
4. Большая концентрация молекул воды создает помеху для дальнейшего испарения.
5. Начинается процесс конденсации или перехода воды из газообразного состояния в жидкость.
6. Образованная за счет конденсации вода возвращается обратно в емкость.
7. Когда объем испарения и возврата становится равным, образуется насыщение или насыщенный пар.

Подчиняется ли газовым законам?

Нет, не подчиняется. Это происходит по причине образования конденсата.

Газы же наоборот. С ростом испарения и отсутствием конденсации происходит изменение их давления и плотности.

Как понять, чем отличается?

Насыщенный пар имеет ряд отличий от других своих агрегатных состояний.

От ненасыщенного

Основные отличия:

1. Ненасыщенный пар может быть образован только в открытом сосуде или над естественными источниками воды.
2. Ненасыщенный пар не находится в термодинамическом равновесии с жидкостью, из которой он образован.

   Часть молекул воды испаряется и не возвращается обратно в воду.

3. Давление ненасыщенного пара имеет прямую зависимость от температуры его жидкости.
4. При постоянной температуре объем пара пропорционален давлению и плотности.

Ненасыщенный пар может легко превратиться в насыщенный. Для этого потребуется увеличить давление. Рост давления, концентрации и плотности приводит к образованию конденсации.

На определенном уровне достигается термодинамическое равновесие, и пар становится насыщенным. Дальнейший рост давления приводит к полному переходу пара в жидкое состояние.

От перегретого

От перегретого пара насыщенный отличается по следующим критериям:

1. Перегретый пар образуется не от испарения жидкости, а от повышения температуры насыщенного пара и выпаривания содержащихся в нем молекул воды.
2. Удельный объем этого пара больше чем насыщенного.
3. Конденсация перегретого пара возникает только на стадии его перехода в насыщенный.
4. Давление перегретого пара прямо пропорционально его температуре.
5. Температура пара состоит из температуры перегрева и самого пара.

Перегретый пар также способен образовываться из насыщенного при достижении определенной температуры перегрева и выпаривания молекул жидкости. Чем отличается обычный пар от насыщенного, можно узнать тут.

От чего зависит степень насыщения?

Степень насыщения водяным паром зависит от следующих факторов:

1. Температура среды или воздуха, в который поступает пар. Скорость насыщения падает с ростом температуры.

   Пониженная температура приводит к образованию конденсации и термодинамическому равновесию.

2. Поверхность испарения. Степень насыщения над жидкой поверхностью всегда больше, чем над твердой.
3. От кривизны поверхности. Выпуклая поверхность способствует большему насыщению паром, чем ровная.
4. От температуры испарения. Чем она выше, тем интенсивность больше.

Также есть зависимость и от объема капель жидкости. Большими каплями пространство насыщается быстрее, чем мелкими. Какова относительная влажность воздуха, насыщенного водяным паром, подскажет эта статья, как называется температура, при которой пар становится насыщенным, — эта.

Таблица свойств

К насыщенному пару применимы несколько физических характеристик. Они следующие:

1. Абсолютное давление. Рассчитывается в Барах (Бар) из суммы атмосферного и избыточного давления.
2. Упругость. Этот параметр определяет единицу давления, при которой пар находится в равновесном состоянии с жидкостью. Измеряется в Паскалях (Па).
3. Масса. Указывает на количество пара на объем пространства. Кг/м3.
4. Теплота кипения. Указывает на количество тепловой энергии, необходимой для нагревания 1 кг воды от 0 градусов до точки кипения. Единица измерения ккал/кг.
5. Температура парообразования (скрытая). Указывает на общее количество тепловой энергии, необходимое для превращения в пар 1 кг воды при температуре кипения 100 градусов. Ккал/кг.
6. Теплота насыщенного пара (полная). Указывает на конечную температуру пара. Рассчитывается из суммы скрытой температуры парообразования и температуры кипения воды на данном отрезке времени. Рассчитывается по формуле X=g+r.
7. Температура. Единица измерения: градусы в Цельсиях. Указывает на температуру воды, при котором образовался пар.

Ниже представлена зависимость параметров насыщенного пара от температуры:

Также насыщенный пар имеет следующие свойства:

1. Объем пара и его температура не влияют на его плотность. При сжатии плотность пара возрастает до момента начала конденсации и потери термодинамического равновесия. При установившимся равновесии, плотность возвращается к предыдущему значению.

   В случае расширения, плотность пара резко снижается, так как испарение происходит быстрее конденсации. Как только устанавливается термодинамическое равновесие, плотность возвращается к прежнему значению. Единица измерения плотности Дж/кг.

2. Давление не имеет зависимости от объема пара по причине нахождения газа и жидкости в термодинамическом равновесии.
3. При постоянном объеме, плотность пара зависит от температуры. Плотность растет с ее увеличением и снижается при уменьшении температуры.
4. При росте температуры прослеживается нелинейный рост давления пара.
5. Влажность пара зависит от его насыщения молекулами воды и общей температуры среды. На характеристику влажности влияет температуры кипения жидкости, общий объем испарения, его интенсивность и скорость конденсации.

Характеристики зависимости водяного пара от температуры являются табличной величиной. Какими свойствами обладает насыщенный пар, можно узнать тут, о температуре НП читайте здесь, давлении — тут, плотности — здесь.

Способы перевода ненасыщенного в насыщенный и наоборот

Пар, из состояния насыщенного, можно перевести в ненасыщенный. Делается это следующими способами:

1. Изотермическое расширение. При расширении насыщенный пар теряет свою плотность.

   При этом увеличивается скорость испарения жидкости и сильно снижается скорость конденсации. Пар из насыщенного становится ненасыщенным.

2. При изотермическом сжатии ненасыщенного пара его плотность, концентрация и давление увеличивается, но снижается общий объем.

   Как только достигается точка минимального объема при определенной температуре, начинается процесс конденсации, который восстанавливает термодинамическое равновесие между паром и жидкостью. Пар становится насыщенным.

3. Если нагревать насыщенный пар, то при температуре выше температуры кипения, пар становится ненасыщенным. Иными словами, температурный дисбаланс приводит к испарению части жидкости, без ее конденсации.

Простой способ преобразования можно проследить при нагревании воды в закрытом сосуде. Пар в таком сосуде насыщенный. Как только крышка сосуда открывается, пар выходит из сосуда во внешнюю среду и становится ненасыщенным.

Как найти?

Рассмотрим формулы и примеры расчетов.

Формула и правила расчета

Для расчета характеристик насыщенного пара может использоваться выражение Менделеева-Клапейрона. Выражение применяется по причине схожести этого вида пара с идеальными газами.

Для расчета применимы формулы: pV=vRT, где:

• «P» — давление Па;
• «V» — общий объем м3;
• «v» — общее количество вещества «моль»;
• «T» — температура;
• «R» — величина газовой постоянной.

Так как объем насыщенного пара не имеет зависимости от температуры, для этого параметра применимо выражение:

Где:

• «m» — масса пара;
• «M» — донная масса газа.

Это выражение применяется при расчете с известной массой самого пара и массы донного остатка (его жидкости). Формула насыщенного пара представлена в этой статье.

2 примера

Первый пример помогает определить тип пара. Условие:

1. Пар с водой находятся в сосуде.
2. Температура воды и пара одинакова: 70 градусов.
3. При помощи поршня уменьшается объем сосуда.

Вопрос: как уменьшится масса пара и жидкости? Так как при одинаковой температуре вода и пар находились вместе, то пар в сосуде является насыщенным. При изменении объема сосуда, давление самого пара не изменяется, но уменьшается его плотность.

Плотность меняется по причине конденсации, которая приводит к увеличению массы воды. Уравнение Менделеева-Клапейрона для этой задачи применимо: pV=vRT.

Вторая формула может использоваться для нахождения плотности пара. Условие:

1. Температура кипения 100 градусов.
2. Давление 105 кПа, а, значит, равна атмосферному давлению.
3. Плотность неизвестна.

Решение:

1. Перевести температуру по Цельсию в Кельвины: 273+100=373 К.
2. P=ρμ/RT=105*18*10-3/8,31*373=0,58 кг/м3.

В этом произведении используются величины, представленные в таблице выше.

Применение в жизни

Насыщенный пар применяется в следующих сферах:

1. Как элемент нагрева теплообменных установок.
2. В строительстве применяется для подогрева металлических элементов перед заливкой бетона.
3. Для подогрева песка, щебня и иных сыпучих материалов перед использованием в зимнее время.
4. Для выпаривания и очистки емкостей от горючесмазочных материалов.
5. Для разогрева жидкостей. Например, нефти.

При помощи пара коммунальные службы растапливают сточные магистрали от застоявшегося снега. Что собой представляет и как используется сухой насыщенный пар, можно узнать тут.

Насыщенный пар различных веществ

Насыщенный пар свойственен не только воде, но и многим химическим веществам, в том числе горючим жидкостям.

Также насыщенный пар образуется из:

• ацетона;
• ртути;
• эфира;
• хлора;
• аммиака;
• сернистой кислоты;
• бензина.

Эти вещества входят в список быстро воспламеняемых. Их насыщенный пар имеет разное давление и может воспламениться при определенной температуре. Подробнее читайте тут.

Заключение

Насыщенный пар имеет множество сфер использования. Такое состояние газа очень выгодно в использовании, так как не требует затрат на восполнение исходной жидкости.