График парообразования и конденсации. SA

В данной статье мы раскроем смысл таких понятий, как «испарение» и «конденсация».

Парообразование характеризируется переходом вещества из жидкого в газообразное состояние. Это может осуществляться двумя видами: посредством кипения, либо способом испарения.

Испарением именуется процесс парообразования, которое происходит с поверхности жидкого вещества. Далее расскажем подробнее, как происходит испарение и конденсация, то есть обратный процесс - возвращение молекул в жидкость. Процесс испарения осуществляется так: ввиду того, что молекулы любого вещества в жидком состоянии беспорядочно непрерывно движутся, причем с разной скоростью. Между ними существует взаимное притяжение, благодаря которому они не могут вылететь наружу, но если на поверхности вещества окажется молекула с высоким показателем кинетической энергии, то она преодолеет между молекулами и вылетит из вещества. Тот же процесс повторится и с другими молекулами. Вылетев наружу, молекулы образуют пар над жидкостью. Это и есть испарение.

Ввиду того, что из жидкости при испарении вылетают молекулы, имеющие наибольшую показатель кинетической энергии молекул, который остались в веществе, идет на убывание. В результате понижается температура испаряющейся жидкости, и она охлаждается. В то же время известно, что вода длительное время находящаяся в стакане также испаряется, но ведь она не охлаждается непрерывно пока не замерзнет. Почему? Все дело в теплообмене воды с теплым воздухом, который окружает стакан.

Скорость испарения зависит от вида жидкости, ее температуры, площади поверхности от наличия над поверхностью жидкого вещества ветра.

Охлаждение вещества в жидком состоянии при испарении более существенно при быстром процессе испарения. Вещества, которые быстро испаряются, применяются в технике. Охлаждение жидкости во время испарения также используется в аппаратах, которыми измеряют

При помощи несложных опытов можно определить, что скорость испарения будет расти вместе с увеличением температуры жидкого вещества, а также пропорционально увеличению площади свободной поверхности.

Испарение и конденсация процессы противоположные. Выше мы узнали, а теперь рассмотрим, как происходит конденсация. Жидкость испаряется быстрее при наличии ветра, но почему? Это происходит из-за того, что во время испарения осуществляется также и обратный процесс, который называется «конденсация». Она возникает по причине того, что некоторые молекулы пара, перемещаясь над жидким веществом, возвращаются в него обратно. А ветер относит вылетевшие молекулы на большое расстояние, не давая возможности им вернуться обратно.

Жидкость, охлаждаемая во время испарения, становясь холоднее окружающей среды, начинает осуществлять поглощение ее энергии. Количество поглощаемой энергии называется «скрытая теплота испарения».

А при конденсации происходит обратное: энергия выделяется в окружающую среду, тем самым повышая ее температурный показатель. Существует два вида конденсации: пленочный и капельный. Пленочный образуется на смачиваемой поверхности и сопровождается возникновением пленки. На поверхности, которая не смачивается, образуется капельный конденсат.

Испарение и конденсация на практике применяются в процессе работы холодильного оборудования.

Жидкость превращается в пар (газ) при испарении и кипении. Эти процессы объединяются одним названием «парообразование», но между этими процессами существует разница.

Испарение происходит со свободной поверхности любой жидкости постоянно. Физическая природа испарения – вылет с поверхности молекул, обладающих большой скоростью и кинетической энергией теплового движения. Жидкость при этом охлаждается. В промышленности этот эффект используют в градирнях для охлаждения воды.

Кипение (как и испарение) – переход вещества в парообразное состояние, но оно происходит по всему объему жидкости и только при подведении к жидкости теплоты. При дальнейшем нагревании температура жидкости остается постоянной, а жидкость продолжает кипеть.

Температура кипения зависит от давления пара над жидкостью, с понижением давления температура кипения снижается и наоборот. Снижая давление пара над жидкостью, можно снизить температуру кипения жидкости до точки ее замерзания, а выбирая вещества с нужными свойствами можно получить практически любую низкую температуру.

Количество теплоты необходимое для перехода 1кг жидкости в парообразное состояние называют удельной теплотой парообразования r, кДж/кг.

Температура, при которой происходит испарение, называется температурой насыщения. Пар может быть влажным и сухим (без капель жидкости). Пар может быть перегретым и иметь температуру перегрева выше температуры насыщения.

Эти процессы используются в парокомпрессионных холодильных машинах. Кипящей жидкостью является хладагент, а аппарат, в котором он кипит, забирая тепло от охлаждаемого вещества – испарителем. Количество теплоты, подводимое к кипящей жидкости, определяют по формуле:

где M - масса жидкости превращающейся в пар; r - теплота парообразования.

Температура кипения жидкости зависит от давления. Эта зависимость изображается кривой упругости насыщения пара.

Для наиболее распространенного в холодильной промышленности хладагента – аммиака, такая кривая приведена на рис. 3, из которого видно, что при давлении равном атмосферному (0,1МПа) соответствует температура кипения аммиака -30°С, а при 1,2Мпа - +30°С.

Превращение насыщенного пара в жидкость называется конденсацией, которая происходит при температуре конденсации, зависящей также от давления. Температура конденсации и кипения при определенном давлении однородного вещества одинаковы. Этот эффект используется в испарительных конденсаторах для передачи теплоты конденсации воздуху.

Сублимация

Вещество может переходить из твердого состояния непосредственно в пар. Этот процесс называется сублимацией. Поглощаемая из окружающего воздуха теплота, расходуется на преодоление сил сцепления молекул и влияния внешнего давления, препятствующего этому процессу.

В обычных условиях сублимируют не многие вещества – твердый диоксид углерода (сухой лед), йод, камфара и др.

Для охлаждения и получения низких температур применяют сухой лед, обеспечивающий при атмосферном давлении температуру -78,3°С, а понижая давление можно достичь -100°С.

Все газы явл. парами какого-либо вещества, поэтому принципиальной разницы между понятиями газ и пар нет. Водяной пар явл. реальным газом и широко используется в различных отраслях промышленности. Это объясняется повсеместным распространением воды, ее дешевизной и безвредностью для здоровья человека. Водяной пар получается в процессе испарения воды при подводе к ней теплоты.

Парообразованием наз. процесс перехода жидкости в пар.

Испарением наз. парообразование, происходящее только с поверхности жидкости и при любой температуре. Интенсивность испарения зависит от природы жидкости и температуры.

Кипением наз. парообразование во всей массе жидкости.

Процесс превращения пара в жидкость, осуществляющийся при отнятии от него теплоты и являющийся процессом, обратным парообразованию, наз. конденсацией . Этот процесс, также как и парообразование, происходит при постоянной температуре.

Возгонкой или сублимацией наз. процесс перехода вещества из твердого состояния непосредственно в пар.

Процесс, обратный процессу сублимации, т.е. процесс перехода пара непосредственно в твердое состояние, наз. десублимацией .

Насыщенный пар. При испарении жидкости в ограниченный объем одновременно происходит и обратный процесс, т.е. явление сжижения. По мере испарения и заполнения паром пространства над жидкостью, уменьшается интенсивность испарения и увеличивается интенсивность обратного ему процесса. В некоторый момент, когда скорость конденсации станет равной скорости испарения, в системе наступает динамическое равновесие. При этом состоянии число молекул, вылетающих из жидкости, будет равно числу молекул, возвращающихся в нее обратно. Следовательно, в паровом пространстве при этом равновесном состоянии будет находиться максимальное число молекул. Пар при этом состоянии имеет максимальную плотность и наз. насыщенным . Под насыщенным понимают пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью, из которой он образуется. Насыщенный пар имеет температуру, являющуюся функцией его давления, равного давлению среды, в которой происходит процесс кипения. При увеличении объема насыщенного пара при постоянной температуре происходит переход некоторого количества жидкости в пар, при уменьшении же объема при постоянной температуре – переход пара в жидкость, но как в первом, так и во втором случаях давление пара остается постоянным.

Сухой насыщенный пар получается при испарении всей жидкости. Объем и температура сухого пара являются функциями давления. Вследствие этого состояние сухого пара определяется одним параметром, например, давлением или температурой.

Влажный насыщенный пар , получающийся при неполном испарении жидкости, явл. смесью пара с мельчайшими капельками жидкости, распространенными равномерно по всей его массе и находящимися в нем во взвешенном состоянии.

Массовая доля сухого пара во влажном паре наз. степенью сухости или массовым паросодержанием и обозначается через x. Массовая доля жидкости во влажном паре наз. степенью влажности и обозначается y. Очевидно, что y=1-x. Степень сухости и степень влажности выражают или в долях единицы или в процентах.

Для сухого пара х=1, а для воды х=0. В процессе парообразования степень сухости пара постепенно увеличивается от нуля до единицы.

При сообщении сухому пару теплоты при постоянном давлении, температура его будет увеличиваться. Пар, получаемый в этом процессе, наз. перегретым .

Поскольку удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара (т.к. р=const, tпер>tн), то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар явл. ненасыщенным. По своим физическим свойствам перегретый пар приближается к идеальным газам.

10.3. р,v – диаграммa водяного пара

Рассмотрим особенности процесса парообразования. Пусть в цилиндре находится 1 кг воды при температуре 0 С, на поверхность которой с помощью поршня оказывается давление р. Объем воды, находящейся под поршнем равный удельному объему при 0 С, обозначим через ( =0,001м /кг) Будем считать для упрощения, что вода явл. практически несжимаемой жидкостью и имеет наибольшую плотность при 0 С, а не при 4 С (точнее 3,98 С). При нагревании цилиндра и передаче теплоты воде температура ее будет повышаться, объем возрастать, и при достижении t=t н, соответствующей р=р 1 , вода закипит и начнется парообразование.

Все изменения состояния жидкости и пара будем отмечать в р,v координатах (рис. 10.1).

Процесс образования перегретого пара при р=const состоит из трех последовательно осуществляемых физических процессов:

1. Подогрев жидкости до температуры t н;

2. Парообразование при t н =const;

3. Перегрев пара, сопровождающийся повышением температуры.

При р=р 1 этим процессам в р,v – диаграмме соответствуют отрезки а-а , а -а , а -д. В интервале между точками а и а температура будет постоянной и равной tн1 и пар будет влажный, причем ближе к т.а степень сухости его будет меньше (х =0), а в т.а , соответствующей состоянию сухого пара, х=1. Если процесс парообразования будет идти при более высоком давлении (р 2 >р 1), то объем воды практически останется прежним. Объем v , соответствующей кипящей воде, несколько увеличится (), т.к. t н2 >t н1 , а объем , поскольку процесс парообразования при более высоком давлении и высокой температуре протекает более интенсивно. Следовательно, при возрастании давления разность объемов (отрезок ) увеличивается, а разность объемов (отрезок ) уменьшается. Аналогичная картина будет и тогда, когда процесс парообразования идет при большем давлении (р 3 >p 2 ; ; , т.к. t н3 >t н2).

Если на рис.10.1 соединить точки с одним и двумя штрихами, лежащие на изобарах

различных давлений, получим линии ; ,

каждая из которых имеет вполне определенное значение. Например, линия а-b-c выражает зависимость удельного объема воды при 0 С, от давления. Она почти параллельна оси ординат, т.к. вода – практически несжимаемая жидкость. линия дает зависимость удельного объема кипящей воды от давления. Эта линия наз. нижней пограничной кривой . В р,v – диаграмме, эта кривая отделяет область воды от области насыщенных паров. Линия показывает зависимость удельного объема сухого пара от давления и наз. верхней пограничной кривой . Она отделяет область насыщенного пара от области перегретого (ненасыщенного) пара.

Точка встречи пограничных кривых наз. критической точкой К . Эта точка соответствует некоторому предельному критическому состоянию вещества, когда отсутствует различие между жидкостью и паром. В этой точке отсутствует участок процесса парообразования. Параметры вещества при этом состоянии наз. критическими. Например, для воды: рк=22,1145 МПа; Тк=647,266 К; Vк=0,003147 м /кг.

Критическая температура явл. максимальной температурой насыщенного пара. При температуре выше критической могут находиться лишь перегретые пары и газы. Впервые понятие о критической температуре было дано в 1860 г. Д.И. Менделеевым. Он определил ее как такую температуру, выше которой газ не может быть переведен в жидкость, какое бы высокое давление к нему не было приложено.

Не всегда, однако, процесс парообразования совершается так, как это показано на рис.10.1. если вода очищена от механических примесей и растворенных в ней газов, парообразование может начаться при температуре выше Т н (иногда на 15-20 К) из-за отсутствия центров парообразования. Такая вода носит название перегретой . С другой стороны при быстром изобарном охлаждении перегретого пара конденсация его может начаться не при Т н. а при несколько более низкой температуре. Такой пар наз. переохлажденным или пересыщенным . При решении вопроса, в каком агрегатном состоянии могут быть вещества (пар или вода) при заданных р и Т р и v или Т и V нужно всегда иметь ввиду следующее. При р=const для перегретого пара и Т д >T н (см. рис. 10.1); для воды, наоборот и Т<Т н; при Т=const для перегретого пара и р е <р н; для воды и р n >р н. Зная эти соотношения и пользуясь таблицами для насыщенного пара, можно всегда определить, в какой из трех областей 1, 2 или 3 (см. рис. 10.2) находится рабочее тело с заданными параметрами, т.е. является ли жидкостью (область 1), насыщенным (область 2) или перегретым (область 3) паром.

Для сверхкритической области за вероятную границу «вода – пар» условно принимают критическую изотерму (штрихпунктирная кривая). При этом слева и справа от этой изотермы вещество находится в однофазном гомогенном состоянии, обладая, например, в т.y свойствами жидкости, а в т.z – свойствами пара.

Подробности Категория: Молекулярно-кинетическая теория Опубликовано 09.11.2014 21:08 Просмотров: 13006

В жидком состоянии вещество может существовать в определённом интервале температур. При температуре, меньшей нижнего значения этого интервала, жидкость превращается в твёрдое вещество. А если значение температуры превысит верхнюю границу интервала, жидкость переходит в газообразное состояние.

Всё это мы можем наблюдать на примере воды. В жидком состоянии мы видим её в реках, озёрах, морях, океанах, водопроводном кране. Твёрдое состояние воды - лёд. В него она превращается, когда при нормальном атмосферном давлении её температура снижается до 0 о С. А при повышении температуры до 100 о С вода закипает и превращается в пар, который является её газообразным состоянием.

Процесс превращения вещества в пар называют парообразованием. Обратный процесс перехода из пара в жидкость - конденсация .

Парообразование происходит в двух случаях: при испарении и при кипении.

Испарение

Испарением называют фазовый процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное или парообразное, происходящий на поверхности жидкости .

Как и при плавлении, при испарении веществом поглощается теплота. Она затрачивается на преодоление сил сцепления частиц (молекул или атомов) жидкости. Кинетическая энергия молекул, обладающих самой высокой скоростью, превышает их потенциальную энергию взаимодействия с другими молекулами жидкости. Благодаря этому они преодолевают притяжение соседних частиц и вылетают с поверхности жидкости. Средняя энергия оставшихся частиц становится меньше, и жидкость постепенно остывает, если её не подогревать извне.

Так как частицы находятся в движении при любой температуре, то и испарение также происходит при любой температуре . Мы знаем, что лужи после дождя высыхают даже в холодную погоду.

Но скорость испарения зависит от многих факторов. Один из важнейших - температура вещества . Чем она выше, тем больше скорость движения частиц и их энергия, и тем большее их количество покидает жидкость в единицу времени.

Наполним одинаковым количеством воды 2 стакана. Один поставим на солнцепёк, а другой оставим в тени. Через некоторое время увидим, что воды в первом стакане стало меньше, чем во втором. Её нагрели солнечные лучи, и она испарилась быстрее. Лужи после дождя летом также высыхают гораздо быстрее, чем весной или осенью. В сильную жару происходит быстрое испарение воды с поверхностей водоёмов. Высыхают пруды, озёра, пересыхают русла неглубоких рек. Чем выше температура окружающей среды, тем выше скорость испарения.

При одинаковом объёме жидкость, находящаяся в широкой тарелке, испарится гораздо быстрее жидкости, налитой в стакан. Это означает, что скорость испарения зависит от площади поверхности испарения . Чем больше эта площадь, тем большее количество молекул вылетает из жидкости в единицу времени.

При одинаковых внешних условиях скорость испарения зависит от рода вещества . Заполним стеклянные колбы одинаковым объёмом воды и спирта. Через некоторое время увидим, что спирта осталось меньше, чем воды. Он испаряется с большей скоростью. Так происходит, потому что молекулы спирта слабее взаимодействуют друг с другом, чем молекулы воды.

Влияет на скорость испарения и наличие ветра . Мы знаем, что вещи после стирки гораздо быстрее высыхают, когда их обдувает ветер. Струя горячего воздуха в фене способна быстро высушить наши волосы.

Ветер уносит молекулы, вылетевшие из жидкости, и обратно они уже не возвращаются. Их место занимают новые молекулы, покидающие жидкость. Поэтому в самой жидкости их становится меньше. Следовательно, она испаряется быстрее.

Сублимация

Испарение происходит и в твёрдых телах. Мы видим, как постепенно высыхает на морозе замёрзшее, покрытое льдом бельё. Лёд превращается в пар. Мы ощущаем резкий запах, образующийся при испарении твёрдого вещества нафталина.

Некоторые вещества вообще не имеют жидкой фазы. К примеру, элементарный иод I 2 - простое вещество, представляющее собой кристаллы чёрно-серого цвета с фиолетовым металлическим блеском, при нормальных условиях сразу же превращается в газообразный иод - фиолетовые пары с резким запахом. Тот жидкий йод, который мы покупаем в аптеках, - это не жидкое его состояние, а раствор йода в спирте.

Процесс перехода твёрдых тел в газообразное состояние, минуя жидкую стадию, называют сублимацией, или возгонкой .

Кипение

Кипение - это тоже процесс перехода жидкости в пар. Но парообразование при кипении происходит не только на поверхности жидкости, но и по всему её объёму. Причём процесс этот проходит гораздо интенсивнее, чем при испарении.

Поставим на огонь чайник с водой. Так как в воде всегда есть растворённый в ней воздух, то при нагревании на дне чайника и на его стенках появляются пузырьки. Эти пузырьки содержат воздух и насыщенный водяной пар. Сначала они появляются на стенках чайника. Количество пара в них увеличивается, увеличиваются в размерах и они сами. Затем под воздействием выталкивающей силы Архимеда они будут отрываться от стенок, подниматься вверх и лопаться на поверхности воды. Когда температура воды достигнет 100 о С, пузырьки будут образовываться уже по всему объёму воды.

Испарение происходит при любой температуре, а кипение - только при определённой температуре, которая называется температурой кипения .

Каждое вещество имеет свою температуру кипения. Она зависит от величины давления.

При нормальном атмосферном давлении вода закипает при температуре 100 о С, спирт - при 78 о С, железо - при 2750 о С. А температура кипения кислорода - минус 183 о С.

При уменьшении давления температура кипения снижается. В горах, где атмосферное давление ниже, вода закипает при температуре менее 100 о С. И чем выше над уровнем моря, тем меньшей будет температура кипения. А в кастрюле-скороварке, где создаётся повышенное давление, вода закипает при температуре выше 100 о С.

Насыщенный и ненасыщенный пар

Если вещество может одновременно существовать в жидкой (или твёрдой) фазе и газообразной, то его газообразное состояние называют паром . Пар образуют молекулы, вылетевшие при испарении из жидкости или твёрдого вещества.

Нальём жидкость в сосуд и плотно закроем его крышкой. Через некоторое время количество жидкости уменьшится из-за её испарения. Молекулы, покидающие жидкость, будут концентрироваться над её поверхностью в виде пара. Но когда плотность пара станет довольно высокой, некоторые из них начнут снова возвращаться в жидкость. И таких молекул будет всё больше и больше. Наконец, настанет такой момент, когда число молекул, вылетающих из жидкости, и число молекул, возвращающихся в неё, сравняется. В этом случае говорят, что жидкость находится в динамическом равновесии со своим паром . А такой пар называется насыщенным .

Если при парообразовании из жидкости вылетает больше молекул, чем возвращается, то такой пар будет ненасыщенным . Ненасыщенный пар образуется, когда испаряющаяся жидкость находится в открытом сосуде. Покидающие её молекулы рассеиваются в пространстве. Возвращаются в жидкость далеко не все из них.

Конденсация пара

Обратный переход вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией. При конденсации часть молекул пара возвращается в жидкость.

Пар начинает превращаться в жидкость (конденсироваться) при определённом сочетании температуры и давления. Такое сочетание называется критической точкой . Максимальная температура, ниже которой начинается конденсация, называется критической температурой. При температуре выше критической газ никогда не превратится в жидкость.

В критической точке граница раздела фазовых состояний жидкость-пар размывается. Исчезает поверхностное натяжение жидкости, выравниваются плотности жидкости и её насыщенного пара.

При динамическом равновесии, когда число молекул, покидающих жидкость и возвращающихся в неё равно, процессы испарения и конденсации уравновешены.

При испарении воды её молекулы образуют водяной пар , который смешивается с воздухом или другим газом. Температура, при которой такой пар в воздухе становится насыщенным, начинает конденсироваться при охлаждении и превращается в капельки воды, называется точкой росы .

Когда в воздухе находится большое количество водяного пара, говорят, что его влажность повышена.

В природе испарение и конденсацию мы наблюдаем очень часто. Утренний туман, облака, дождь - всё это результат этих явлений. С земной поверхности при нагревании испаряется влага. Молекулы образовавшегося пара поднимаются вверх. Встречая на своём пути прохладные листики или травинки, пар конденсируется на них в виде капелек росы. Чуть выше, в приземных слоях, он становится туманом. А высоко в атмосфере при низкой температуре остывший пар превращается в облака, состоящие из капелек воды или кристалликов льда. Впоследствии из этих облаков на землю прольётся дождь или выпадет град.

Но капельки воды при конденсации образуются лишь в том случае, когда в воздухе находятся мельчайшие твёрдые или жидкие частицы, которые называют ядрами конденсации . Ими могут быть продукты горения, распыления, частицы пыли, морской соли над океаном, частицы, образовавшиеся в результате химических реакций в атмосфере и др.

Десублимация

Иногда вещество может перейти из газообразного состояния сразу в твёрдое, минуя жидкую стадию. Такой процесс называется десублимацией .

Ледяные узоры, которые появляются на стёклах в мороз, и есть пример десублимации. При заморозках почва покрывается инеем - тонкими кристалликами льда, в которые превратились водяные пары из воздуха.