Насыщенный пар.

Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха. Измерение влажности воздуха.

Испарение — парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Неравномерное распределение кинетической энергии молекул при тепловом движении приводит к тому, что при любой температуре кинетическая энергия некоторых молекул жидкости или твердого тела может превышать потенциальную энергию их связи с другими молекулами. Большей кинетической энергией обладают молекулы, имеющие большую скорость, а температура тела зависит от скорости движения его молекул, следовательно, испарение сопровождается охлаждением жидкости. Скорость испарения зависит: от площади открытой поверхности, температуры, концентрации молекул вблизи жидкости. Конденсация — процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое. Испарение жидкости в закрытом сосуде при неизменной температуре приводит к постепенному увеличению концентрации молекул испаряющегося вещества в газообразном состоянии. Через некоторое время после начала испарения концентрация вещества в газообразном состоянии достигнет такого значения, при котором число молекул, возвращающихся в жидкость, становится равным числу молекул, покидающих жидкость за то же время. Устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации вещества. Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью, называют насыщенным паром. (Паром называют совокупность молекул, покинувших жидкость в процессе испарения.) Пар, находящийся при давлении ниже насыщенного, называют ненасыщенным. Вследствие постоянного испарения воды с поверхностей водоемов, почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и животных в атмосфере всегда содержится водяной пар. Поэтому атмосферное давление представляет собой сумму давления сухого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром. Насыщенный пар в отличие от ненасыщенного не подчиняется законам идеального газа. Так, давление насыщенного пара не зависит от объема, но зависит от температуры. Эта зависимость не может быть выражена простой формулой, поэтому на основе экспериментального изучения зависимости давления насыщенного пара от температуры составлены таблицы, по которым можно определить его давление при различных температурах. Давление водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, называют абсолютной влажностью, или упругостью водяного пара. Поскольку давление пара пропорционально концентрации молекул, можно определить абсолютную влажность как плотность водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, выраженную в килограммах на метр кубический (р). Большинство явлений, наблюдаемых в природе, например быстрота испарения, высыхание различных веществ, увядание растений, зависит не от количества водяного пара в воздухе, а от того, насколько это количество близко к насыщению, т. е. от относительной влажности, которая характеризует степень насыщения воздуха водяным паром. При низкой температуре и высокой влажности повышается теплопередача и человек подвергается переохлаждению. При высоких температурах и влажности теплопередача, наоборот, резко сокращается, что ведет к перегреванию организма. Наиболее благоприятной для человека в средних климатических широтах является относительная влажность 40—60%. Относительной влажностью называют отношение плотности водяного пара (или давления), находящегося в воздухе при данной температуре, к плотности (или давлению) водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах, т. е. Относительная влажность колеблется в широких пределах. Причем суточный ход относительной влажности обратен суточному ходу температуры. Днем, с возрастанием температуры и, следовательно, с ростом давления насыщения, относительная влажность убывает, а ночью возрастает. Одно и то же количество водяного пара может либо насыщать, либо не насыщать воздух. Понижая температуру воздуха, можно довести находящийся в нем пар до насыщения. Точкой росы называют температуру, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начинается конденсация водяного пара. Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются гигрометрами и психрометрами.
Шумилова 10 б

Насыщенный пар

Испарение и конденсация

При данной температуре молекулы жидкости обладают разными скоростями. Скорости боль-
шинства молекул находятся вблизи некоторого среднего значения (характерного для этой тем-
пературы). Но попадаются молекулы, скорости которых значительно отличаются от средней
как в меньшую, так и большую сторону.
Когда такая весьма быстрая молекула окажется на свободной поверхности жидкости (т. е. на
границе раздела жидкости и воздуха), кинетической энергии этой молекулы может хватить на
то, чтобы преодолеть силы притяжения остальных молекул и вылететь из жидкости. Данный
процесс и есть испарение, а молекулы, покинувшие жидкость, образуют пар.
Итак, испарение — это процесс превращения жидкости в пар, происходящий на свободной
поверхности жидкости.
Может случиться, что через некоторое время молекула пара вернётся обратно в жидкость.
Процесс перехода молекул пара в жидкость называется конденсацией. Конденсация пара —
процесс, обратный испарению жидкости.
А что будет, если сосуд с жидкостью герметично закрыть? Плотность пара над поверхностью
жидкости начнёт увеличиваться; частицы пара будут всё сильнее мешать другим молекулам
жидкости вылетать наружу, и скорость испарения станет уменьшаться. Одновременно начнёт
увеличиваться скорость конденсации, так как с возрастанием концентрации пара число моле-
кул, возвращающихся в жидкость, будет становиться всё больше.
Наконец, в какой-то момент скорость конденсации окажется равна скорости испарения. На-
ступит динамическое равновесие между жидкостью и паром: за единицу времени из жидкости
будет вылетать столько же молекул, сколько возвращается в неё из пара. Начиная с этого
момента количество жидкости перестанет убывать, а количество пара — увеличиваться; пар
достигнет «насыщения».
Насыщенный пар — это пар, который находится в состоянии динамического равновесия
со своей жидкостью. Пар, не достигший состояния динамического равновесия с жидкостью,
называется ненасыщенным.
Давление и плотность насыщенного пара обозначаются pн и н. Очевидно, pн и н — это
максимальные давление и плотность, которые может иметь пар при данной температуре. Ины-
ми словами, давление и плотность насыщенного пара всегда превышают давление и плотность
ненасыщенного пара.
Оказывается, что состояние насыщенного пара (а ненасыщенного — тем более) можно прибли-
жённо описывать уравнением состояния идеального газа (уравнением Менделеева — Клапей-
рона). В частности, имеем приближённое соотношение между давлением насыщенного пара и
его плотностью:
pн=pн/μ*RT
Это весьма удивительный факт, подтверждаемый экспериментом. Ведь по своим свойствам
насыщенный пар существенно отличается от идеального газа. Перечислим важнейшие из этих
отличий.
1. При неизменной температуре плотность насыщенного пара не зависит от его объёма.
Если, например, насыщенный пар изотермически сжимать, то его плотность в первый
момент возрастёт, скорость конденсации превысит скорость испарения, и часть пара кон-
денсируется в жидкость — до тех пор, пока вновь не наступит динамическое равновесие,
в котором плотность пара вернётся к своему прежнему значению.
Аналогично, при изотермическом расширении насыщенного пара его плотность в первый
момент уменьшится (пар станет ненасыщенным), скорость испарения превысит скорость
конденсации, и жидкость будет дополнительно испаряться до тех пор, пока опять не уста-
новится динамическое равновесие — т. е. пока пар снова не станет насыщенным с прежним
значением плотности.
2. Давление насыщенного пара не зависит от его объёма.
Это следует из того, что плотность насыщенного пара не зависит от объёма, а давление
однозначно связано с плотностью уравнением (1).
Как видим, закон Бойля — Мариотта, справедливый для идеальных газов, для насы-
щенного пара не выполняется. Это и не удивительно — ведь он получен из уравнения
Менделеева — Клапейрона в предположении, что масса газа остаётся постоянной.
3. При неизменном объёме плотность насыщенного пара растёт с повышением темпера-
туры и уменьшается с понижением температуры.
Действительно, при увеличении температуры возрастает скорость испарения жидкости.
Динамическое равновесие в первый момент нарушается, и происходит дополнительное
испарение некоторой части жидкости. Пара будет прибавляться до тех пор, пока динами-
ческое равновесие вновь не восстановится.
Точно так же при понижении температуры скорость испарения жидкости становится
меньше, и часть пара конденсируется до тех пор, пока не восстановится динамическое
равновесие — но уже с меньшим количеством пара.
Таким образом, при изохорном нагревании или охлаждении насыщенного пара его мас-
са меняется, поэтому закон Шарля в данном случае не работает. Зависимость давления
насыщенного пара от температуры уже не будет линейной функцией.
4. Давление насыщенного пара растёт с температурой быстрее, чем по линейному закону.
В самом деле, с увеличением температуры возрастает плотность насыщенного пара, а
согласно уравнению (1) давление пропорционально произведению плотности на темпера-
туру.
Воздух, содержащий водяной пар, называется влажным. Чем больше пара находится в воздухе,
тем выше влажность воздуха.
Абсолютная влажность — это парциальное давление водяного пара, находящегося в воз-
духе (т. е. давление, которое водяной пар оказывал бы сам по себе, в отсутствие других газов).
Иногда абсолютной влажностью называют также плотность водяного пара в воздухе.
Относительная влажность воздуха φ — это отношение парциального давления водяного
пара в нём к давлению насыщенного водяного пара при той же температуре. Как правило, это
отношение выражают в процентах:
φ=p/pн*100%
Из уравнения Менделеева-Клапейрона (1) следует, что отношение давлений пара равно от-
ношению плотностей. Так как само уравнение (1), напомним, описывает насыщенный пар лишь
приближённо, мы имеем приближённое соотношение.
Одним из приборов, измеряющих влажность воздуха, является психрометр. Он включает
в себя два термометра, резервуар одного из которых завёрнут в мокрую ткань. Чем ниже
влажность, тем интенсивнее идёт испарение воды из ткани, тем сильнее охлаждается резервуар
«мокрого» термометра, и тем больше разность его показаний и показаний сухого термометра.
По этой разности с помощью специальной психрометрической таблицы определяют влажность
воздуха.

Насы́щенный пар — это пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом того же состава.
Давление насыщенного пара связано определённой для данного вещества зависимостью от температуры. Когда внешнее давление падает ниже давления насыщенного пара, происходит кипение (жидкости) или возгонка (твёрдого тела); когда оно выше — напротив, конденсация или десублимация.

По мере нагревания воды в котле температура ее повышается до 100 градусов С, вода закипает и образуется некоторое количество пара, который заполняет свободный от воды объем. Такой пар, образующийся в герметически закрытом котле в присутствии воды, называется насыщенным. При этом температура выделенного пара также будет около 100 градусов С, а давление 1 Кг/См 2 .
Одно из свойств насыщенного пара заключается в том, что при определенном давлении он имеет соответствующие этому давлению температуру, теплосодержание и плотность. При дальнейшем нагревании воды в закрытом котле количество пара и плотность его будут увеличиваться, а следовательно, будет возрастать и давление пара. Но благодаря указанному выше свойству насыщенного пара с увеличением плотности и давления будет возрастать и температура пара. Зависимость между давлением, температурой и удельным весом (характеризующим плотность) насыщенного пара приведена в табл. 4.
Таблица 4
Давление пара в котле, кГ/см2 Температура насыщенного пара, градусы С Удельный вес пара, кг/м3
1кГ/см2 99,09С 0,5797кг/м3 9кГ/см2 174,53С 5,049кг/м3
2кГ/см2 119,62С 1,109кг/м3 10кГ/см2 179,04С 5,049кг/м3
3кГ/см2 132,88С 1,622кг/м3 11кГ/см2 183,20С 5,530кг/м3
4кГ/см2 140,92С 2,125кг/м3 12кГ/см2 187,08С 6,010кг/м3
5кГ/см2 151,11С 2,621кг/м3 13кГ/см2 190,71С 6,488кг/м3
6кГ/см2 158,08С 3,172кг/м3 14кГ/см2 194,13С 6,967кг/м3
7кГ/см2 164,17С 3,603кг/м3 15кГ/см2 197,36С 7,446кг/м3
8кГ/см2 169,51С 4,085кг/м3 16кГ/см2 200,43С 7,925кг/м3

С повышением температуры плотность пара будет возрастать, а с понижением температуры часть пара превратится в воду (сконденсируется) и оставшийся пар будет иметь плотность, соответствующую новой температуре.
Свойство насыщенного пара с понижением температуры превращаться в воду, т. е. конденсироваться, является его большим недостатком. Соприкасаясь, например, с холодными стенками цилиндров, часть насыщенного пара вследствие понижения температуры конденсируется, и в цилиндрах скопляется вода. Конденсация вызывает большие потери тепла при протекании пара в Если насыщенный пар, полученный в котле паровоза, продолжать нагревать в отдельном объеме, не имеющем воды, то получится перегретый пар. При этом сначала испарится влага, содержащаяся в паре, а затем начнется повышение температуры и увеличение удельного его объема. Перегретый пар обладает следующими основными свойствами и преимуществами:
а) при одинаковом давлении с насыщенным паром имеет значительно большую температуру и теплосодержание;
б) имеет больший удельный объем в сравнении с насыщенным паром, т. е. объем 1 кг перегретого пара при том же давлении больше объема 1 кг насыщенного пара. Поэтому при тех же размерах цилиндров машины для получения необходимой мощности потребуется перегретого пара по весу меньше, что дает экономию в расходе воды и топлива;
в) перегретый пар при охлаждении не конденсируется, в связи с чем уменьшается теплообмен со стенками цилиндров; конденсация наступает лишь тогда, когда температура перегретого пара упадет до температуры насыщенного пара при данном давлении.
Чем выше температура перегрева пара, тем экономичнее работает паровоз. Считают, что повышение температуры перегрева пара на 10 градусов С дает примерно 1 процент экономии топлива. На современных паровозах температура перегрева пара колеблется в пределах 360-410 градусов С.

Насыщенные и ненасыщенные пары и их свойства

Над свободной поверхностью жидкости всегда имеются пары этой жидкости. Если сосуд с жидкостью не закрыт, то концентрация частиц пара при постоянной температуре может изменяться в широких пределах в сторону уменьшения и в сторону увеличения.
Процесс испарения в замкнутое пространство (закрытый сосуд с жидкостью) может при данной температуре происходить только до определенного предела. Это объясняется тем, что одновременно с испарением жидкости происходит конденсация пара. Сначала число молекул, вылетающих из жидкости за 1 с, больше числа молекул, возвращающихся обратно, и плотность, а значит, и давление пара растет. Это приводит к увеличению скорости конденсации. Через некоторое время наступает динамическое равновесие, при ко тором плотность пара над жидкостью становится постоянной. Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Пар, который не находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.
Опыт показывает, что ненасыщенные пары подчиняются всем газовым законам, и тем точнее, чем дальше они от насыщения Для насыщенных паров характерны следующие свойства:
плотность и давление насыщенного пара при данной температуре — это максимальные плотность и давление, которые может иметь пар при данной температуре;
плотность и давление насыщенного пара зависят от рода вещества. Чем меньше удельная теплота парообразования жидкости, тем быстрее она испаряется и тем больше давление и плотность ее паров;
давление и плотность насыщенного пара однозначно определяются его температурой (не зависят от того, каким образом пар достиг этой температуры: при нагревании или при охлаждении);
давление и плотность пара быстро возрастают с увеличением температуры (рис. 1, а, б).



Рис. 1

Опыт показывает, что при нагревании жидкости уровень жидкости в закрытом сосуде понижается. Следовательно, масса и плотность пара возрастают. Более сильное увеличение давления насыщенного пара по сравнению с идеальным газом (закон Гей-Люссака не применим к насыщенному пару) объясняется тем, что здесь происходит рост давления не только за счет роста средней кинетической энергии молекул (как у идеального газа), но и за счет увеличения концентрации молекул;
при постоянной температуре давление и плотность насыщенного пара не зависят от объема. На рисунке 2 для сравнения приведены изотермы идеального газа (а) и насыщенного пара (б).



Рис. 2

Опыт показывает, что при изотермическом расширении уровень жидкости в сосуде понижается, при сжатии — повышается, т.е. изменяется число молекул пара так, что плотность пара остается постоянной.

Взаимные превращения жидкостей и газов

Испаре́ние — процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности вещества (пар). Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). Испарение (парообразование), переход вещества из конденсированной (твёрдой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода.
Конденса́ция паров (лат. condense — уплотняю, сгущаю) — переход вещества в жидкое или твёрдое состояние из газообразного. Максимальная температура, ниже которой происходит конденсация, называется критической. Пар, из которого может происходить конденсация, бывает насыщенным или ненасыщенным.
Конденсация насыщенных паров
При наличии жидкой фазы вещества конденсация происходит при сколь угодно малых пересыщениях и очень быстро. В этом случае возникает подвижное равновесие между испаряющейся жидкостью и конденсирующимися парами. Уравнение Клапейрона — Клаузиуса определяет параметры этого равновесия — в частности, выделение тепла при конденсации и охлаждение при испарении.
Конденсация перенасыщенного пара
Наличие перенасыщенного пара возможно в следующих случаях:
• отсутствие жидкой или твёрдой фазы того же вещества.
• отсутствие ядер конденсации — взвешенных в атмосфере твёрдых частиц или капелек жидкости, а также ионов (наиболее активные ядра конденсации).
• конденсация в атмосфере другого газа — в этом случае скорость конденсации ограничена скоростью диффузии паров из газа к поверхности жидкости.

Насы́щенный пар — это пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом того же состава.
Давление насыщенного пара связано определённой для данного вещества зависимостью от температуры. Когда внешнее давление падает ниже давления насыщенного пара, происходит кипение (жидкости) или возгонка (твёрдого тела); когда оно выше — напротив, конденсация или десублимация.

Ненасыщенный пар — пар, не достигший термодинамического равновесия со своей жидкостью. При данной температуре давление ненасыщенного пара всегда меньше давления насыщенного пара. При наличии над поверхностью жидкости ненасыщенного пара процесс парообразования преобладает над процессом конденсации, и потому жидкости в сосуде с течением времени становится все меньше и меньше.

Пар насыщенный

Насыщенные и ненасыщенные пары и их свойства
Над свободной поверхностью жидкости всегда имеются пары этой жидкости. Если сосуд с жидкостью не закрыт, то концентрация частиц пара при постоянной температуре может изменяться в широких пределах в сторону уменьшения и в сторону увеличения.
Процесс испарения в замкнутое пространство (закрытый сосуд с жидкостью) может при данной температуре происходить только до определенного предела. Это объясняется тем, что одновременно с испарением жидкости происходит конденсация пара. Сначала число молекул, вылетающих из жидкости за 1 с, больше числа молекул, возвращающихся обратно, и плотность, а значит, и давление пара растет. Это приводит к увеличению скорости конденсации. Через некоторое время наступает динамическое равновесие, при ко тором плотность пара над жидкостью становится постоянной. Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Пар, который не находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.
Опыт показывает, что ненасыщенные пары подчиняются всем газовым законам, и тем точнее, чем дальше они от насыщения Для насыщенных паров характерны следующие свойства:
плотность и давление насыщенного пара при данной температуре — это максимальные плотность и давление, которые может иметь пар при данной температуре; плотность и давление насыщенного пара зависят от рода вещества. Чем меньше удельная теплота парообразования жидкости, тем быстрее она испаряется и тем больше давление и плотность ее паров; давление и плотность насыщенного пара однозначно определяются его температурой (не зависят от того, каким образом пар достиг этой температуры: при нагревании или при охлаждении); давление и плотность пара быстро возрастают с увеличением температуры (рис. 1, а, б).



Опыт показывает, что при нагревании жидкости уровень жидкости в закрытом сосуде понижается. Следовательно, масса и плотность пара возрастают. Более сильное увеличение давления насыщенного пара по сравнению с идеальным газом (закон Гей-Люссака не применим к насыщенному пару) объясняется тем, что здесь происходит рост давления не только за счет роста средней кинетической энергии молекул (как у идеального газа), но и за счет увеличения концентрации молекул; при постоянной температуре давление и плотность насыщенного пара не зависят от объема. На рисунке 2 для сравнения приведены изотермы идеального газа (а) и насыщенного пара (б).



Опыт показывает, что при изотермическом расширении уровень жидкости в сосуде понижается, при сжатии — повышается, т.е. изменяется число молекул пара так, что плотность пара остается постоянной.

Насыщенный пар находится в динамическом равновесии со своей жидкостью. Это состояние ха­рактеризуется тем, что число молекул, покидающих поверхность жидкости, равно в среднем числу моле­кул пара, возвращающихся в жидкость за то же вре­мя. Название пара — насыщенный — подчеркивает, что при данной температуре в данном объеме не мо­жет находиться большее количество пара. Если пар еще не достиг состояния динамического равновесия с жидкостью, он называется ненасыщенным.
Для насыщенного пара характерны следующие свойства:
— при постоянной температуре давление на­сыщенного пара не зависит от занимаемого объ­ема;
— давление насыщенного пара при постоянном объеме увеличивается с ростом температуры., причем быстрее, чем у идеального газа при тех же условиях.
Как известно, в состав атмосферного воздуха входит и водяной пар. Количество водяного пара (в граммах), содержащееся в 1 м3 воздуха, называется абсолютной влажностью воздуха. Эта величина не позволяет судить о том, насколько водяной пар в данных условиях близок к насыщению. По этой причине используют понятие относительной влаж­ности воздуха, которая равна отношению парциаль­ного давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насы­щенного пара р0 при той же температуре (в процен­тах):
φ=р/р0*100%
Температуру, при которой относительная влаж­ность достигает значения 100%, называют точкой росы. Если температура станет хоть немного ниже точки росы, пар начнет конденсироваться: появятся роса, туман.
На практике влажность воздуха определяют, на­пример, с помощью психрометров. Психрометр со­стоит из двух термометров, один из которых остает­ся сухим, а резервуар другого увлажнен. По разнос­ти показаний термометров с помощью таблиц и находят влажность при данной температуре.
Для человека наиболее благоприятна относи­тельная влажность 40—60% .