Где применяется и как определить давление насыщенного водяного пара?

Что за параметр, в чем измеряется?

Давление насыщенного пара – это давление газообразного вещества, молекулы которого находятся в термодинамическом равновесии с жидкостью, из которой он образовался. В таком состоянии концентрация молекул (плотность) максимальная.

От чего зависит?

Есть всего два фактора, влияющие на значение этого параметра:

1. Особенности строения вещества. Для каждой жидкости параметр принимает свое значение. Так, при 20℃ давление насыщенных паров воды в 10 раз меньше хлороформа, и в 100 раз меньше сернистой кислоты.
2. Температура. С ростом температуры концентрация молекул газа и их скорость увеличиваются, значит, возрастает давление. С уменьшением температуры давление уменьшается.

Если при постоянной температуре уменьшать объем, в котором находится насыщенный пар, то он начнет конденсироваться – превращаться в воду. Если увеличивать – то испарение возрастет, а концентрация молекул и давление останутся неизменным. То есть давление не зависит от объема. В этом состоит отличие насыщенного пара от обычного.

Как меняется от изменения температуры?

У обычного газа давление зависит от температуры линейно, то есть на графике зависимости p от T будет прямая. У насыщенного пара ситуация другая. С ростом температуры давление растет быстрее, чем у обычного газа.

Это объясняется тем, что при нагревании не только повышается температура, но и увеличивается испарение, то есть возрастает концентрация молекул газа.

На рисунке участок 1-2 показывает, как меняется давление насыщенного пара над водой в закрытом сосуде. Как только жидкость испарится полностью, концентрация молекул газа будет постоянной, и давление начнет изменяться по линейным законам, чему соответствует участок 2-3.

Таблица зависимости

Измерения, полученные экспериментальным путем, заносят в таблицу. Данными пользуются при расчетах, инженерных изысканиях.

Как видно из таблицы, пар может становиться насыщенным даже при нуле градусов, когда он на границе со своей твердой фазой (льдом). При этом давление его довольно низкое.

Чтобы повысить температуру кипения жидкости, повышают давление в системе. Это явление часто используется на практике.

Как найти?

Для нахождения параметров газа пользуются уравнением Менделева-Клайперона. Оно хорошо описывает идеальный газ и пар.

P*V=n*R*T, где R – универсальная газовая постоянная, равна приблизительно 8,314 Дж/(моль*К).

Используется также понятие относительной влажности. Обозначается греческой буквой «фи»: φ = Р/Рн * 100%.

Давление паров воды, находящихся в воздухе, поделенное на Р насыщенного пара при вполне конкретной температуре. Для удобства части перевели в проценты.

Пример

Если в закрытом помещении при температуре 10 ℃ относительная влажность воздуха 70%, при температуре 20 ℃ влажность составляет 30%, во сколько раз давление насыщенного пара при высокой температуре больше, чем при низкой?

Решение:

1. Необходимо перевести градусы Цельсия в кельвины. 10+273 = 283 К, 20+273=293 К.
2. Так как объем помещения постоянный, а воздух в нем ненасыщенный, то можно применить уравнение Шарля: Р1/Р2 = Т1/Т2
3. Из уравнения влажности следует: Р = φ* Рн/100.

Подставляя значение Р в формулу уравнения Шарля: φ1* Рн1/ φ2* Рн2 = Т1/Т2.

Рн2/ Рн1 = Т2* φ1/Т1* φ2 = 293*70/283*30=2,4.

Использование под избыточным давлением

Если за точку отсчета взять атмосферное давление, то все, что свыше его называют избыточным. Оно создается искусственно в замкнутых объемах (трубах, сосудах, паровых котлах), измеряют манометром, потому встречается еще одно название – монометрическое.

Р абсолютное = Р атмосферное + Р избыточное. Дело в том, что при Р избыточном вода начинает кипеть не при 100 градусах, а выше. Температура достигает значений 110-160 градусов. Создаются прекрасные условия для дезинфекции и разогрева веществ.

Насыщенный пар применяют:

1. Чтобы убивать микробы, грибок, вирусы.
2. Им стерилизуют хирургический инструмент, лабораторные приборы, оборудование, одежду. Метод применим к материалам, неподвергающимся коррозии.
3. В парогенераторах для быстрого размораживания льда, пластов наледи, предотвращения смерзания песка и гравия.
4. Для подогревания различных смесей в строительной, пищевой, химической промышленности.
5. В пароочистителях. Им удаляют загрязнения и проводят дезинфекцию поверхностей.

Прибор для стилизации насыщенным паром называется паровым автоклавом.

Применение в жизни

Знания о насыщенном паре применяют при приготовлении пищи. Есть прибор, называемый скороваркой. Это плотно закрытая кастрюля, в которой собирается пар под высоким давлением. Благодаря этому температура кипения в скороварке повышается. И можно быстрее готовить пищу.

В горах, наоборот, сварить овощи становится проблематично, так как из-за низкого значения Р Т кипения понижается. Вода выкипает, не успев достаточно разогреть продукты.

Если в помещении точка росы выше 20 ℃, это указывает на высокую влажность, люди чувствуют духоту, дискомфорт, им тяжело двигаться, работать. Точку росы учитывают строители, применяя тепло и влагоизоляционные материалы.

Заключение

Один из важных параметров насыщенного пара – давление. Оно не зависит от объема, а при нагревании вещества повышается, причем быстрее, чем у обычного газа. При фиксированной температуре насыщенный пар принимает максимальную плотность.

Пар под избыточным давлением имеет широкое применение в быту, промышленности и медицине, так как он закипает при температуре более 100 ℃.