Вода кипит при 100

Кипение

Кипе́ние — процесс интенсивного парообразования, который происходит в жидкости, как на свободной её поверхности, так и внутри её структуры. При этом в объёме жидкости возникают границы разделения фаз, то есть на стенках сосуда образуются пузырьки, которые содержат воздух и насыщенный пар. Кипение, как и испарение, является одним из способов парообразования. В отличие от испарения, кипение может происходить лишь при определённой температуре и давлении. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения. Как правило, температура кипения при нормальном атмосферном давлении приводится как одна из основных характеристик химически чистых веществ. Процессы кипения широко применяются в различных областях человеческой деятельности. Например, кипячение является одним из распространённых способов физической дезинфекции питьевой воды. Кипячение воды представляет собой процесс нагревания её до температуры кипения с целью получения кипятка.

Кипение является фазовым переходом первого рода. Кипение происходит гораздо более интенсивно, чем испарение с поверхности, из-за присутствия очагов парообразования, обусловленных как более высокой температурой достигаемой в процессе кипения, так и наличием примесей.

На процесс образования пузырьков можно влиять с помощью давления, звуковых волн, ионизации и других факторов возникновения центров парообразования. В частности, именно на принципе вскипания микрообъёмов жидкости от ионизации при прохождении заряженных частиц работает пузырьковая камера.

Термодинамические особенности

По мере нагрева жидкости на греющей поверхности образуются пузырьки пара, внутрь которых испаряется жидкость. В обычной жидкости(не очищенной от мельчайших пузырьков газов) при термодинамическом равновесии парциальное давление паров в пузырьке равно давлению насыщенных паров при этой температуре. Так как соблюдается равенство давлений внутри и снаружи пузырька, то давление внутри шарика равно атмосферному давлению(гидростатическим давлением пренебрегают).

P(атм)=P(газа)+P(насыщ. паров)

Равенством силы тяжести и силы Архимеда в данном случае можно пренебречь, так как разность давлений, действующих на пузырёк пренебрежимо мала по сравнению с внешним давлением.

При увеличении температуры увеличивается давление насыщенных паров. Из постоянства атмосферного и «внутрипузырькового» давлений следует, что должно уменьшиться парциальное давление сухих газов в пузырьке, что говорит о увеличении объёма пузыря. Когда давление насыщенных паров доходит до атмосферного, давление сухих газов должно стать равным нулю. Из уравнения Менделеева-Клапейрона видно, что для этого объём пузырька должен стать бесконечным (пузырёк начинает непрерывно расширяться). При достижении температуры кипения в жидкостях из-за описанного процесса начинается непрерывное бульканье, увеличивающее в разы скорость испарения(по сути сильно увеличивается площадь жидкости, с которой происходит испарение). Таким образом, если испарение происходит при любой температуре, то кипение — при одной, определенной для текущего давления. Когда процесс кипения начался, то несмотря на продолжающийся подвод тепла, температура жидкости изменяется незначительно, пока вся жидкость не превратится в пар. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения или температурой насыщения T S {\displaystyle T_{S}} . Изменение температуры жидкости в процессе кипения называется температурным глайдом. Для химически чистых жидкостей или азеотропных смесей температурный глайд является нулевым. С увеличением давления, согласно уравнению Клапейрона — Клаузиуса, температура насыщения возрастает:

d P d T S = r T S Δ v > 0 {\displaystyle {\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} T_{S}}}={\frac {r}{T_{S}\,\Delta v}}>0} . где r {\displaystyle r} — удельная теплота парообразования; Δ v {\displaystyle \Delta v} — изменение удельного объёма тела при фазовом переходе.

Линия насыщения

На фазовой диаграмме воды кривая, характеризующая фазовой переход из жидкого состояния в газообразное, называется «линией насыщения». Она ограничена двумя предельными точками: тройной точкой, в которой сходятся линии плавления, кипения и сублимации, и критической точкой, в которой исчезает граница раздела между жидкой и газообразной фазами.

Особенности кипения

Распределение температуры кипящей жидкости

В кипящей жидкости устанавливается определённое распределение температуры: у поверхностей нагрева (стенок сосуда, труб и т. п.) жидкость заметно перегрета T > T S {\displaystyle T>T_{S}} . Величина перегрева зависит от ряда физико-химических свойств как самой жидкости, так и граничных твёрдых поверхностей. Тщательно очищенные жидкости, лишённые растворённых газов (воздуха), можно при соблюдении особых мер предосторожности перегреть на десятки градусов без закипания. Когда такая перегретая жидкость в конце концов вскипает, то процесс кипения протекает весьма бурно, напоминая взрыв. Вскипание сопровождается расплёскиванием жидкости, гидравлическими ударами, иногда даже разрушением сосудов. Теплота перегрева расходуется на парообразование, поэтому жидкость быстро охлаждается до температуры насыщенного пара, с которым она находится в равновесии. Возможность значительного перегрева чистой жидкости без кипения объясняется затрудненностью возникновения начальных маленьких пузырьков (зародышей), их образованию мешает значительное взаимное притяжение молекул жидкости. Иначе обстоит дело, когда жидкость содержит растворенные газы и различные мельчайшие взвешенные частицы. В этом случае уже незначительный перегрев (на десятые доли градуса) вызывает устойчивое и спокойное кипение, так как начальными зародышами паровой фазы служат газовые пузырьки и твердые частицы. Основные центры парообразования находятся в точках нагреваемой поверхности, где имеются мельчайшие поры с адсорбированным газом, а также различные неоднородности, включения и налёты, снижающие молекулярное сцепление жидкости с поверхностью.

Образовавшийся пузырёк растет только в том случае, если давление пара в нём несколько превышает сумму внешнего давления, давления вышележащего слоя жидкости и капиллярного давления, обусловленного кривизной поверхности пузырька. Для создания в пузырьке необходимого давления пар и окружающая его жидкость, находящаяся с паром в тепловом равновесии, должны иметь температуру, превышающую температуру насыщения T S {\displaystyle T_{S}} .

Кипение возможно не только при нагревании жидкости в условиях постоянного давления. Снижением внешнего давления при постоянной температуре можно также вызвать перегрев жидкости и её вскипание (за счёт уменьшения температуры насыщения). Этим объясняется, в частности, явление кавитации — образование паровых полостей в местах пониженного давления жидкости (например, в вихревой зоне за гребным винтом теплохода).

Теплота парообразования

P — V диаграмма

На P-V диаграмме для выбранной температуры жидкости (например Т1) точка состояния начала кипения a {\displaystyle a} характеризуется парой термодинамических переменных, то есть определенным термодинамическим состоянием. При кипении температура и давление остаются постоянными, при этом по мере увеличения паросодержания средняя плотность среды падает, а удельный объём, соответственно, увеличивается. После испарения всей жидкости достигается новое термодинамическое состояние c {\displaystyle c} . Если рассмотреть более высокое значение температуры, то начало кипения будет характеризоваться термодинамическим состоянием a ′ {\displaystyle a’} с большим удельным объёмом, а состояние c ′ {\displaystyle c’} полного превращения жидкости в пар — меньшим удельным объёмом. По мере увеличения температуры разница между величинами удельных объёмов жидкости и пара на линии насыщения уменьшается, а при достижении температуры критической точки — исчезает. Изменение термодинамического состояния среды в процессе кипения характеризуется удельной теплотой парообразования r {\displaystyle r} , которая равна количеству теплоты, необходимому для полного испарения единицы массы жидкости (Во многих источниках r ошибочно именуют скрытой теплотой парообразования, на самом же деле скрытая теплота парообразования представляет собой лишь часть удельной теплоты парообразования, которая характеризует изменение внутренней энергии жидкости и направлена на увеличение расстояния между микрочастицами жидкости. При этом температура жидкости растет, но видимых изменений не происходит. Определить скрытую теплоту парообразования можно путём вычитания площадей под процессом кипения в TS и PV диаграммах)

r = i c − i a {\displaystyle r=i_{c}-i_{a}} или r = T S ( s c − s a ) {\displaystyle r=T_{S}(s_{c}-s_{a})} ,

где i {\displaystyle i} — энтальпия, s {\displaystyle s} — энтропия, индекс a {\displaystyle a} — относится к состоянию начала кипения, а c {\displaystyle c} — к состоянию насыщенного пара.

Режимы кипения

Начало кипения жидкости связано с прогревом пристенных слоев жидкости до температуры, превышающей температуру насыщения на определенную величину d T {\displaystyle dT} . Величина перегрева d T {\displaystyle dT} зависит от многих факторов (давления, скорости течения жидкости, краевого угла смачивания, концентрации растворенных в жидкости веществ и.т.д.) и в общем виде не определяется. В зависимости от плотности теплового потока, а также других факторов, на поверхности обогрева образуются или отдельные паровые пузыри, или сплошная плёнка пара, и кипение называется либо пузырьковым либо пленочным. Кроме того, кипение различают по типу:

  • кипение при свободной конвекции в большом объёме;
  • кипение при вынужденной конвекции;

а также по отношению средней температуры жидкости к температуре насыщения:

  • кипение жидкости, недогретой до температуры насыщения (поверхностное кипение);
  • кипение жидкости, догретой до температуры насыщения

Пузырьковый

Кипение, при котором пар образуется в виде периодически зарождающихся и растущих пузырей, называется пузырьковым кипением. При медленном пузырьковом кипении в жидкости (а точнее, как правило на стенках или на дне сосуда) появляются пузырьки, наполненные паром. За счёт интенсивного испарения жидкости внутрь пузырьков, они растут, всплывают, и пар высвобождается в паровую фазу над жидкостью. При этом в пристеночном слое жидкость находится в слегка перегретом состоянии, то есть её температура превышает номинальную температуру кипения. В обычных условиях эта разница невелика (порядка одного градуса).

Возможность перегрева жидкости объясняется тем, что для создания первичного пузырька минимального размера, который уже дальше может расти сам по себе, требуется затратить некоторую энергию (определяемую поверхностным натяжением жидкости). Пока это не достигнуто, мельчайшие пузырьки будут возникать и снова схлопываться под действием сил поверхностного натяжения, и кипения не будет.

Пузырьковое кипение может быть развитым (при большом количестве центров парообразования) и неразвитым (при малом количестве центров парообразования)

При пузырьковом кипении существенную роль играет массоперенос пузырьков пара из пристенного слоя в ядро потока. Благодаря этому возрастает эффективность теплоотдачи к кипящей жидкости — характерные для этого режима коэффициенты теплоотдачи высоки.

Плёночный

При увеличении теплового потока до некоторой критической величины отдельные пузырьки сливаются, образуя у стенки сосуда сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в объём жидкости. Такой режим называется плёночным.

В этом режиме теплопередача от обогревающей поверхности к жидкости резко падает (паровая плёнка проводит тепло хуже, чем конвекция в жидкости), и в результате температура греющей поверхности может существенно возрасти (линия С-Е на кривой кипения). В то же время, при постоянной температуре обогревающей поверхности в режиме пленочного кипения, из-за ухудшенной теплопередачи имеет место низкое значение теплового потока от стенки к жидкости. Режим плёночного кипения можно наблюдать на примере капли воды на раскалённой плите.

При пленочном кипении, из-за существенного термического сопротивления паровой плёнки, теплоотдача от греющей поверхности к кипящей воде мала, и характеризуется малыми значениями коэффициента теплоотдачи.

Кипение в большом объёме

Кривая кипения воды в трубах

Тепловой поток, передаваемый от поверхности к кипящей воде можно однозначно связать с перепадом температур между стенкой и жидкостью:

q S = f ( T C − T F ¯ ) {\displaystyle q_{S}=f(T_{C}-{\overline {T_{F}}})} , где q S {\displaystyle q_{S}} — тепловой поток, T C {\displaystyle T_{C}} — температура стенки, T F ¯ {\displaystyle {\overline {T_{F}}}} средняя температура жидкости.

Эта зависимость характеризует теплоотдачу от обогревающей поверхности к жидкости и называется кривой кипения.

Можно выделить пять характерных областей:

  1. До точки A {\displaystyle A} . Область конвекции;
  2. Между точками A {\displaystyle A} и B {\displaystyle B} . Область неразвитого пузырькового кипения. Характеризуется повышением интенсивности теплообмена за счёт переноса образующихся пузырьков в ядро потока;
  3. Между точками B {\displaystyle B} и C {\displaystyle C} . Область развитого пузырькового кипения. Характеризуется высокой интенсивностью теплообмена за счёт переноса образующихся пузырьков в ядро потока. Интенсивность нарастает по мере увеличения плотности пузырьков;
  4. Между точками C {\displaystyle C} и D {\displaystyle D} . Область неустойчивого пленочного кипения. Характеризуется «сливанием» отдельных пузырьков в пристенной области. Из-за уменьшения центров парообразования, а также нарастания паровой плёнки у обогревающей поверхности, теплоотдача падает;
  5. От точки D {\displaystyle D} . Область устойчивого пленочного кипения. Характеризуется покрытием обогревающей поверхности сплошной плёнкой пара и, как следствие, низкой теплоотдачей.

Данную кривую можно получить, увеличивая и поддерживая температуру греющей стенки T C {\displaystyle T_{C}} . В этом случае, по мере увеличения T C {\displaystyle T_{C}} последовательно сменяются пять областей кипения.

В случае увеличения и поддержания теплового потока, порядок смены режимов кипения будет иным. Сначала последовательно сменят друг друга режимы конвекции не кипящей жидкости (до т. A {\displaystyle A} ), поверхностного кипения (между точками A {\displaystyle A} и B {\displaystyle B} ) и развитого пузырькового кипения (между точками B {\displaystyle B} и C {\displaystyle C} ). При дальнейшем увеличении теплового потока обогревающая поверхность быстро покрывается паровой плёнкой (от точки C {\displaystyle C} до точки E {\displaystyle E} ), что сопровождается увеличением температур и через короткое время, после достижения стационарного состояния, кипение характеризуется высокой температурой стенки (от точки H {\displaystyle H} ). Данное явление называется кризисом теплоотдачи, а тепловой поток q S 1 {\displaystyle q_{S1}} , при котором начинается резкий рост температур ( C {\displaystyle C} — E {\displaystyle E} ) — первым критическим тепловым потоком, или, чаще, просто — критическим тепловым потоком.

Если после достижения точки H {\displaystyle H} тепловой поток начинает уменьшатся, то пленочный режим кипения сохраняется до достижения точки D {\displaystyle D} . В случае дальнейшего уменьшения теплового потока пленочный режим кипения сменяется на пузырьковый (от точки D {\displaystyle D} до точки F {\displaystyle F} ), и температура греющей поверхности быстро снижается. Тепловой поток q S 2 {\displaystyle q_{S2}} , при котором пленочный режим кипения сменяется на пузырьковый ( D {\displaystyle D} — F {\displaystyle F} ), называется вторым критическим тепловым потоком.

Во многих теплообменных устройствах современной энергетики и ракетной техники тепловой поток, который должен отводиться от поверхности нагрева, является фиксированным и часто практически не зависит от температурного режима теплоотдающей поверхности. Так, теплоподвод к внешней поверхности экранных труб, расположенных в топке котельного агрегата, определяется в основном за счёт излучения из топочного пространства. Падающий лучистый поток практически не зависит от температуры поверхности труб, пока она существенно ниже температуры раскаленных продуктов сгорания в топке. Аналогичное положение имеет место в каналах ракетных двигателей, внутри тепловыделяющих элементов (твэлов) активной зоны атомного реактора, где происходит непрерывное выделение тепла вследствие ядерной реакции. Кипение-это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объёму жидкости при определенной температуре.

Если по каким-либо причинам тепловой поток превысили критическое значение q S 1 {\displaystyle q_{S1}} , пузырьковый режим кипения быстро сменяется на пленочный, а температура обогревающей поверхности возрастает до существенно высоких значений, что может привести к пережогу обогревающей поверхности. При этом, для восстановления пузырькового режима кипения и исходных значений температур, необходимо снижение теплового потока до значения q S 2 {\displaystyle q_{S2}} .

Кипение при вынужденой конвекции

Изменение среднемассовой температуры потока T F ¯ {\displaystyle {\overline {T_{F}}}} и стенки T C {\displaystyle T_{C}} по длине парогенерирующего канала:
a) — длинный канал при малых ρ w ¯ {\displaystyle {\overline {\rho w}}} и q S {\displaystyle q_{S}} ;
b) — при больших ρ w ¯ {\displaystyle {\overline {\rho w}}} и q S {\displaystyle q_{S}}

При вынужденной конвекции кипение имеет ряд особенностей, наиболее существенные из них — влияние характеристик потока на зависимость q S = f ( T C − T F ¯ ) {\displaystyle q_{S}=f(T_{C}-{\overline {T_{F}}})} . Наиболее сильное влияние оказывают такие характеристики, как массовая скорость потока жидкости ρ w ¯ {\displaystyle {\overline {\rho w}}} и паросодержание x {\displaystyle x} . При установившемся кипении движущейся в трубе жидкости, параметры среды (в первую очередь — паросодержание) изменяются вдоль потока, а вместе с ним сменяются режимы течения и теплоотдача.

В большинстве случае кипение в трубе можно упрощенно представить в виде трех зон (на примере кипения в длиной трубе при малых ρ w ¯ {\displaystyle {\overline {\rho w}}} и q S {\displaystyle q_{S}} ):

  1. экономайзерный участок, в котором жидкость нагревается без кипения ( A − B {\displaystyle A-B} )
  2. область кипения (испарительный участок), в которой происходит пузырьковое кипение ( B − C − D − E {\displaystyle B-C-D-E} )
  3. область подсыхания влажного пара, в котором формируется дисперсионный режим течения и происходит осушение остающейся влаги в ядре потока ( E − F − G {\displaystyle E-F-G} )

На данном примере можно более подробно рассмотреть изменение характера кипения и связанные с этим температуры обогревающей стенки трубы и средней температуры жидкости. На вход в парогенерирующую трубу подается недогретая до кипения жидкость (точка A {\displaystyle A} ). В случае постоянной величины теплового потока от стенки q S {\displaystyle q_{S}} , средняя температура жидкости T F ¯ {\displaystyle {\overline {T_{F}}}} и температура стенки T C {\displaystyle T_{C}} , растут линейно. В момент, когда температура стенки начинает превышать температуру насыщения T S {\displaystyle T_{S}} , на обогревающей поверхности может начаться формирование пузырьков. Таким образом, начинается кипение в пристеной области, несмотря на то, что средняя температура жидкости остается меньше температуры насыщения ( B − C {\displaystyle B-C} ). Это явление носит название кипения недогретой жидкости. Значение энтальпийного паросодержания, при котором начинается кипение недогретой жидкости имеет отрицательное значение x = x H K {\displaystyle x=x_{HK}} . После достижения жидкостью температуры насыщения x = 0 {\displaystyle x=0} начинается пузырьковое кипение по всему объёму жидкости. Эта область характеризуется интенсивным перемешиванием жидкости и, как следствие, высокими коэффициентами теплоотдачи и низкими перепадами температур.

По мере продвижения двухфазной смеси в область высоких паросодержаний сменяются режимы течения двухфазного потока, и при некотором паросодержании x = x K P {\displaystyle x=x_{KP}} наступает кризис теплоотдачи: контакт жидкости с поверхностью прекращается и температура стенки возрастает ( E {\displaystyle E} ). Часто кризис теплоотдачи при кипении представляет переход от дисперсно-кольцевого режима кипения ( D − E {\displaystyle D-E} ) к дисперсному ( E − F − G {\displaystyle E-F-G} ). Количество влаги в каплях с ростом паросодержания уменьшается, что приводит к возрастанию скорости и небольшому увеличению теплоотдачи (температура поверхности стенки при этом немного снижается, ( F − G {\displaystyle F-G} )).

При иной массовой скорости жидкости ρ w ¯ {\displaystyle {\overline {\rho w}}} или величине теплового потока q S {\displaystyle q_{S}} , характер кипения в трубе может измениться. Так, в случае больших ρ w ¯ {\displaystyle {\overline {\rho w}}} и q S {\displaystyle q_{S}} , режим кризиса теплообмена может сформироваться ещё на этапе кипения недогретой жидкости. В этом случае формируется пленочный режим кипения, а ядро потока представляет собой стержень недогретой до температуры насыщения жидкости, отделенной от стенки трубы плёнкой пара.

Температуры кипения для простых веществ

В приведенной таблице элементов Д. И. Менделеева для каждого элемента указаны:

  • атомный номер элемента;
  • обозначение элемента;
  • температура насыщения при нормальных условиях O C {\displaystyle ^{O}C} ;
  • молярная скрытая теплота парообразования (кДж/моль);
  • молярная масса.
0—10 кДж/моль 10—100 кДж/моль 100—300 кДж/моль >300 кДж/моль

> См. также

  • Температура кипения
  • Парообразование
  • Испарение
  • Фазовый переход
  • Температура кипения сложных веществ

Примечания

  • Кипение // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  • Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. — М.: Энергия, 1969.
  • Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. — М., 1963.
  • Радченко И. В. Молекулярная физика. — М., 1965.
  • Михеев М. А. Глава 5 // Основы теплопередачи. — 3-е изд. — М.—Л., 1956.
  • Петухов Б. С., Генин Л. Г., Ковалев С. А. Теплообмен в ядерных энергетических реакторах. — М.: Энергоатомиздат, 1986.
  • Кириллов П. Л., Юрьев Ю. С., Бобков В. П. Справочник по теплогидравлическим расчетам. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
  • Кипение // Большая советская энциклопедия : / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.

Ссылки

  • Как кипит вода?, Дж. Уокер — доступная интересная статья о кипении
  • Кипение при пониженном давлении., Видеоурок, в котором поставлен наглядный опыт: «Кипение воды при пониженном давлении».
  • Кипение перегретой воды, Физический эксперимент в форме видеоурока, отображающий процесс кипения перегретой воды.
  • Замерзание кипящей воды, Образовательное видео, в котором представлен физический опыт во время которого в процессе кипения вода замерзает.

Свойства водяного пара: температура, тройная точка, упругость, термодинамическое равновесие, плотность

Изучение теплофизических свойств воды и водяного пара помогает понять, почему происходит испарение. Благодаря динамическому равновесию газообразного и жидкого состояния Н2О осуществляется круговорот воды в природе. Атмосфера планеты служит защитным колпаком, в ней происходят те же термодинамические процессы, что и в закрытой емкости с водой. Зависимость давления пара от температуры, плотности соответствует уравнению Менделеева-Клапейрона. С помощью формул можно вычислить, чему будет равна плотность пара в пузырьках, поднимающихся к поверхности воды, или при какой температуре закипит вода, если подняться на гору, где давление воздуха ниже.

Вода превращается в пар при температуре

Понятие «водяной пар» характеризует свойство жидкости улетучиваться. Начало испарения — отрыв частичек воды от поверхности воды. Из жидкого агрегатного состояния молекулы переходят в газообразное. Превращение в газовую фазу происходит до момента насыщения, когда возникает равновесие между жидкой или твердой субстанцией и газом. Молекула воды не в силах оторваться от поверхности, если плотность достигает максимальной величины, газ становится насыщенным. Определить величину давления насыщения водяного пара можно для любой температуры. Даже лёд обладает способностью испаряться.

Когда говорят об испарении, уточняют градусы Цельсия, при которых начинается парообразование. При 100°С жидкость закипает только при атмосферном давлении 760 мм рт. столба. Чем ниже давление, тем свободнее отрываются частицы воды от поверхности, насыщая воздух. Снижение давления до 0,006 атмосфер (тройная точка) приводит к тому, что вода одновременно присутствует в трех фазовых состояниях: жидком, твердом, газообразном. Кипение воды в лабораторных условиях достигается без перехода в жидкое состояние. Происходит вскипание твердой фазы, процесс называется возгонкой. Лед трансформируется в газообразное состояние при температуре –0,1°С под давлением ниже тройной точки. Величину давления и плотности насыщенного водяного пара при различной температуре устанавливают экспериментальным путем.

Способность паров насыщать воздух характеризуется влажностью. Упругость водяного пара определяют прибором для измерения влажности, он называется психрометром. Измеряется парциальное давление водяных паров, находящихся в атмосферном воздухе.

Насыщенный водяной пар

Вернемся к эксперименту. Итак, у нас в закрытой банке жидкость. Что происходит? Испарение воды. Процесс начинается при низкой плотности воздуха. Благодаря пару, давление на поверхность жидкости возрастает, оно препятствует движению молекул. Их все меньше и меньше отрывается от воды. Наступает момент, когда образуются капли влаги. Этот процесс называется «конденсация». Когда скорость образования пара равна скорости конденсации, возникает термодинамическое равновесие. Пар в этот момент считается насыщенным. Жидкость и газ уравновешивают друг друга. Такое состояние достигается при определенных условиях, важные параметры:

  1. Температура, изменение на долю градуса нарушает равновесие. При повышении парообразование ускоряется, при понижении увеличивается процесс конденсации влаги.
  2. Давление, при его понижении молекулы жидкой фазы свободнее передвигаются, отрываются от поверхности, начинается испарение воды.

Почему не учитывается объем банки? Он не меняет термодинамических свойств воды и водяного пара в состоянии насыщения. Допустим, крышка экспериментальной банки опустилась ниже, объем уменьшился. К чему это приведет? Пар будет ускоренно конденсироваться до момента равновесия. При увеличении объема ускорится парообразование, но замкнутая система опять придет в равновесное состояние.

Изучая термодинамику, легко понять, почему пар обжигает сильнее воды той же температуры. Что такое кипение? Состояние, при котором жидкая фаза активно превращается в парообразное состояние. Следовательно, происходит обратный процесс конденсации, он сопровождается выделением теплоты. За счет этого ожог от пара сильнее.

Удельная теплоемкость возрастает, если повышается температура воды. Процесс парообразования виден в момент кипения. При повышении давления температура газов достигает 200°С, это свойство используется в теплотехнике, горячим, вязким паром заполняют теплообменники.

Давление насыщенного водяного пара

Формула p=nkT указывает на прямую зависимость давления идеального газа (p) и его температуры (Т). Параметр n –число молекул, содержащихся в заданном объеме, характеризует плотность пара. Постоянная Больцмана k устанавливает взаимосвязь температуры с энергией образования вещества (энтальпия).

Пар нельзя сравнивать с идеальным газом. Его давление при повышении температуры растет быстрее из-за повышения плотности. Концентрация частиц в неизменном объеме возрастает. Эти особенности свойств водяного пара необходимо учитывать при расчетах давления насыщенного водяного пара. Если в идеальном газе возрастает энергия ударов молекул о стенки сосуда, то в насыщенном паре существенно возрастает число ударов за счет увеличения концентрации активных частиц.

Плотность насыщенного водяного пара

Плотностью называется отношение массы вещества к его объему. Этот параметр характеризует расстояние между отдельными молекулами. В жидкой фазе они сцепляются между собой, в твердой расположены симметрично относительно друг друга. В газообразном находятся на произвольном удаленном расстоянии, чем объясняется отличие плотности водяного пара от плотности воды.

Теперь подробно рассмотрим, какое влияние оказывает на плотность насыщенных водяных паров изменение температуры. Она непостоянна из-за изменения массы газообразной фазы:

  • при повышении температуры она возрастает за счет ускорения испарения;
  • при понижении – падает, вода активно конденсируется.

По сути, она должна постоянно меняться, так как частицы воды непрерывно движутся, переходят из одного агрегатного состояния в другое. Но при динамическом равновесии концентрация неизменна: сколько молекул испарится, столько же конденсируется. Показатели устанавливаются экспериментально для каждой температуры. Их значения сведены в таблицы.

Параметры пара

— насыщенный пар

— паросодержание или степень сухости

— энтальпия пара

— теплота парообразования

— перегретый пар

Свойства пара определяются его параметрами, то есть величинами, характеризующими состояние пара (давление, температура, степень сухости, энтальпия, теплосодержание и т. д.). Тепловая энергия подводится к паровой турбине при помощи водяного пара, являющегося носителем тепловой энергии (теплоносителем).

Насыщенный пар

Если нагревать воду в открытом сосуде, то температура ее будет постепенно повышаться, пока не достигнет примерно 1000 С; после этого дальнейшее повышение температуры прекращается и начинается кипение воды, то есть бурный переход ее в парообразное состояние. Температура воды во время кипения остается одной и той же, так же как температура получающегося над водой пара; она равна точно 1000 С при нормальном атмосферном давлении, равном давлению ртутного столба 760 мм высотой. Искусственно изменяя давление, можно изменять температуру кипения в очень широких пределах; при увеличении давления температура кипения повышается, при уменьшении давления – понижается.

Так, при давлении 0,02 ата (0,02 от атмосферного давления) вода кипит при 17,20 С, а при давлении 10 ата при 1790 С.

Температура пара над водой, из которой он получается (рис. 1), всегда равна температуре этой воды. Получающийся над водой пар называется насыщенный пар.

Определенной температуре насыщенного пара всегда соответствует определенное давление, и наоборот, определенному давлению всегда соответствует строго определенная температура.

В (таблице 1) приводится зависимость между температурой и давлением насыщенного пара.

Измерив термометром температуру насыщенного пара, можно по этой таблице определить его давление или, измерив давление, определить температуру.

При образовании пара в паровое пространство котла всегда попадают частицы воды, увлекаемые выделяющимся паром; особенно сильное увлажнение пара происходит в современных мощных котлах при работе их с большой нагрузкой. Кроме того, насыщенный пар обладает тем свойством, что при самом незначительном отнятии теплоты часть пара обращается в воду (конденсируется); вода в виде мельчайших капелек удерживается в паре. Таким образом, практически мы всегда имеем смесь сухого пара и воды (конденсата); такой пар называется влажный насыщенный пар. Так же как и у сухого насыщенного пара, температура влажного пара всегда соответствует его давлению.

Состав влажного пара принято выражать в весовых частях пара и воды. Вес сухого пара в 1 кг влажного пара называется паросодержанием или степенью сухости и обозначается буковой «х». Значение «х» обычно дают в сотых долях. Таким образом, если говорят, что у пара «х»=0,95, то это значит, что во влажном паре содержится по весу 95% сухого пара и 5% воды. При «х»=1 насыщенный пар носит название сухого насыщенного пара.

Один килограмм воды при своем испарении дает один килограмм пара; объем получающегося пара зависит от его давления, а следовательно, и от температуры. В противоположность воде, которая по сравнению с газами почти несжимаема, пар может сжиматься и расширяться в очень широких пределах.

Удельный объем, то есть объем 1 кг пара, при давлении 1 ата для сухого насыщенного пара равен 1,425 м3, то есть в 1725 раз больше объема 1 килограмма воды. При повышении давления удельный объем пара уменьшается, та как пар как упругое тело сжимается; так, при давлении 5 ата объем 1 кг сухого насыщенного пара уже равен только 0,3816 м3.

Энтальпия пара(теплосодержание) – практически определяется как количество тепла, которое нужно для поучения 1 кг пара данного состояния из 1 кг воды при 00 С, если нагрев происходит при постоянном давлении.

Понятно, что при одной и той же температуре энтальпии пара значительно больше, чем энтальпия воды. Для того чтобы нагреть 1 кг воды от 0 до 1000 С, нужно затратить приблизительно 100 ккал тепла, так как теплоемкость воды равна приблизительно единице. Для того же, чтобы превратить эту воду в сухой насыщенный пар, нужно сообщить воде добавочно значительное количество теплоты, которое расходуется на преодоление внутренних сил сцепления между молекулами воды при переходе ее из жидкого состояния в парообразное и на совершение внешней работы расширения пара от начального объема v/ (объем воды) до объема v// (объема пара).

Это добавочное количество теплоты называется теплота парообразования.

Следовательно, энтальпия сухого насыщенного пара будет определяться так:

i//=i/+r, ккал/кг,

где i// — полная теплота (энтальпия пара); i/ — энтальпия воды при температуре кипения; r – теплота парообразования.

Например, при давлении 3 кг/см3 теплосодержание 1 кг кипящей воды равно 133,4 ккал, а теплота парообразования равна 516,9 ккал/кг; отсюда энтальпия сухого насыщенного пара при давлении 3 кг/см2 будет:

i//=133,4+516,9=650,3 ккал/кг (табл 2)

Энтальпия влажного насыщенного пара в сильной степени зависит от его степени сухости; с уменьшением степени сухости пара его энтальпия уменьшается.

Энтальпия влажного пара равна:

iвл=i/(1-x)+ i//x, ккал /кг.

Эту формулу легко уяснить себе на следующем примере: допустим, что давление пара 5 кг/см2 и степень сухости 0,9 иначе говоря, 1 кг этого пара содержит 0,1 кг воды и 0,9 кг сухого пара. По (табл 2) находим, что энтальпия воды при давлении 5 кг/см2 равна округленно 152 ккал/кг, а энтальпия сухого пара 656 ккал/кг; так как влажный пар состоит из смеси сухого пара и воды, то энтальпия влажного пара в данном случае будет равна:

Iвл=(152*0,1)+(656*0,9)=605,6 ккал/кг.

Следовательно, энтальпия влажного пара будет в этом случае примерно на 50 ккал/кг меньше, чем сухого насыщенного пара того же давления.

Перегретый пар

Если насыщенный пар отвести от поверхности испарения воды в котле и продолжать нагревать его отдельно, то температура пара будет подниматься и объем его увеличиваться. Устройство, в котором пар подогревается (пароперегреватель), сообщается с паровым пространством котла (рис 2). Пар, температура которого выше температуры кипения воды при том же давлении, называется перегретый пар. Если давление пара равно 25 ата, а температура его 4250 С, то он прегрет на 425 – 222,9 = 202,10 С, так как давлению 25 ата соответствует температура насыщенного пара, равная 222,90 С (табл 2)

Энтальпия перегретого пара

I=i/+a=i/+r+a, ккал/кг.

Следовательно, она превышает энтальпию сухого насыщенного пара того же давления на величину, выражающую собой количество теплоты, дополнительно сообщенное пару при перегреве; это количество теплоты равно:

а=ср(t2 – t1), ккал/кг,

где ср – средняя теплоемкость 1 кг пара при постоянном давлении. Ее величина зависит от давления и температуры пара; в (табл. 3) даны значения ср для некоторых температур и давлений;

t1 – температура насыщенного пара; t2 – температура перегретого пара.

Энтальпии перегретого пара для некоторых давлений и температур приведены в (табл. 4).

Перегревая свежий пар, мы сообщаем ему дополнительную теплоты, то есть увеличиваем начальную энтальпию. Это приводит к увеличению использованного теплопадения и повышению экономического к.п.д. установки работающей на перегретом паре. Кроме того, перегретый пар при движении в паропроводах не конденсируется в воду, так как конденсация может начаться только с момента, когда температура перегретого пара понизиться на столько, что он перейдет в насыщенное состояние. Отсутствие конденсации свежего пара особенно важно для паровых турбин, вода, скопившаяся в паропроводе и увлеченная паром в турбину, легко может разрушить лопатки турбины.

Преимущество перегретого пара настолько значительны и выгодность его применения настолько велика, что современные турбинные установки работают почти исключительно перегретым паром.

В настоящее время большинство тепловых электростанций строится с параметрами пара свыше 130 – 150 ата и свыше 5650 С. В дальнейшем для самых мощных блоков предполагается по мере освоения новых жаростойких сталей повысить параметры до 300 ата и 6560С.

При расширении перегретого пара его температура понижается, по достижении температуры насыщения перегретый пар проходит через состояние сухого насыщенного пара и превращается во влажный пар.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *