Земля имеет большое количество источников воды, от стратосферных до глубинных. Вода бывает в трёх агрегатных состояниях: жидком, твёрдом и газообразном, поэтому водяной пар — это та же вода, только в модифицированном состоянии. Гигросфера играет большую роль в жизни нашей планеты, можно даже сказать основополагающую, она присутствует в формировании физической среды, химической среды и участвует в климатических и погодных явлениях. Освоение водных ресурсов сопровождалось развитием литосферы, атмосферы и всего живого.
Древнейшие философы знали о существовании четырех элементов, одним из которых была вода. Кавендиш провел эксперимент по сжиганию водорода, но не воспринял это открытие всерьез. Но через два года после него Лавуазье разработал такое соединение, как вода, и доказал, что это не элемент, а молекула. Позже, в 1819 году, учёные установили вес воды, когда начали пропускать водород через оксид меди и взвешивать индикаторы.
Когда дело дошло до изучения пара, тоже произошли интересные открытия; например, хотя мы и видим пар, выходящий из котла, на самом деле он невидим. В данном случае мы видим его только потому, что он содержит маленькие капли воды. Свойства пара, как и свойства воды, очень важны для существования всего живого. Под воздействием тепла и солнца происходит испарение со всей поверхности земного шара, вода поднимается из морей, океанов и рек. Уже в атмосфере пар превращается в конденсат и возвращается в виде дождя или снега, а иногда и града. Если бы цикл не произошел, засуха убила бы все живое. Распространенные паровые устройства встречаются в быту и в промышленности, и большинство их наименований имеют в названии слово «пар». Ну, утюг не трогайте, а вот понятие парового утюга встречается часто.
Наша планета содержит более 16 миллиардов кубических километров воды, что составляет около 0,25% от общей массы земного шара. Вода — сложное вещество; его молекула H2O состоит из водорода (2 атома) и кислорода. Кинетическая энергия молекулы выражается следующей формулой: . Если вы посмотрите на уравнение, энергия представлена шестью частями с тремя поступательными степенями свободы и тремя вращательными степенями свободы. Существует энергия 1/2 кТл на градус, где k=Rm/NA= 1,3807·10-23 Дж/К (это постоянная Больцмана). В уравнении t представлена абсолютной температурой, NA = 6,0220·1023 моль — Авогадро, kNA=Rm= 8,3144 Дж/(моль·К) числом универсальной газовой постоянной.
Кинетическая энергия при постоянном объеме: в этом виде удельная теплоемкость пара определяется как 25 Дж/(моль К). Cv для водяного пара составляет примерно 27,8 Дж/(моль К). Изучая воду и ее молекулу, исследования показывают, что структура похожа на равнобедренный треугольник, вершиной является атом кислорода, а в основании – один атом водорода.
Давление насыщенного водяного пара
Пар – агрегатное состояние воды в виде газообразного состояния вещества; эта фаза может превращаться в жидкость или в твердое вещество того же вещества. Появление пара из твердой фазы называется испарением или испарением. Обратный процесс преобразования называется конденсацией. Насыщенный пар представлен в виде пара, достигшего определенного равновесия с жидкостью. Возьмите сосуд, закройте его и поставьте при постоянной температуре. В сосуде будет происходить испарение, распределение кинетической энергии при движении тепла. При испарении количество молекул увеличивается. Концентрация вещества в парообразном состоянии при испарении достигает определенной величины, когда количество молекул, возвращающихся в жидкость, равно числу молекул, покидающих ее.
Равновесие между испарением и конденсацией становится динамическим. Пар, образующийся в этом случае, называется насыщенным паром. Если пар имеет давление ниже давления насыщения, его называют ненасыщенным. Испарение насыщенного пара может происходить как над водой, так и над льдом. В этом случае тоже существуют определенные формулы. Для достижения состояния полного насыщения воздух должен поглотить достаточное количество водяного пара, которое зависит как от температуры, так и от давления. Давление насыщенного пара – это максимальное парциальное давление водяного пара.
Психрометрическая таблица
Атмосферный воздух содержит водяной пар; только громкость меняется на небольшой процент. Водяной пар характеризуется разными количествами, поэтому и составляется формула «воды». Абсолютная влажность – это количество водяного пара на кубический метр воздуха в граммах. Эластичность рассчитывается в геопаскалях, а эластичность насыщения – это максимальная эластичность. Для решения различных уравнений с паром необходимо также знать такие величины, как относительная влажность, процентное соотношение упругости пара и упругости насыщения при определенной температуре. Дефицитом влаги принято считать разницу между давлением насыщения пара и действительным значением упругости. Влажность воздуха в основном измеряют психометрически с помощью психрометра. Психрометрические измерения рассчитываются по следующей формуле: е = Е’ — А (t — t’) П.
Уравнение Менделеева, Клапейрона
Газы в химической реакции могут становиться как продуктами, так и реагентами. В обычных условиях не всегда можно дождаться реакции, а значит, определять родинки необходимо именно в этих условиях.
Состояние идеального газа по уравнению Менделеева-Клапейрона: PV = nRT.
— количество молей определяется числом n;
— давление газа Р;
— температура газа Т;
— постоянный газ Р.
Водяной пар может стать любым веществом, которое подвергается воздействию давления и температуры и способно менять фазовые состояния. Вещество, способное переходить из одной фазы в другую, характеризует этот переход как фазовое превращение. Свойства водяного пара отличаются, например, от воды или льда, особенно в отношении плотности, и это можно объяснить с молекулярной точки зрения. Пар образуется из жидкости путем испарения или кипения. Испарение — процесс, происходящий на свободной поверхности жидкого вещества при различных температурах. Кипение – это образование пара во всей массе жидкого вещества. Испарение начинается, когда жидкость достигает температуры кипения или насыщения, это зависит от происхождения вещества и его давления. Давление при температуре насыщения называется давлением насыщения. Сухой насыщенный пар не содержит ни капли жидкого вещества.
Формула степени сухости влажного пара определяется по формуле: х=мс.п./м.п./
Процесс парообразования и перегрева
При испарении жидкость доводится до кипения и превращается в пар. Этот процесс изобарно-термический. Теорию состояния материи в ее совокупных фазах создал Ломоносов. Паровые электростанции работают от рабочего тела, такого как перегретый пар.
Последовательность процессов получения перегретого пара:
— изобарный;
— изобарно-изотермический;
— изобарный.
Наука быстро развивается и за последнее тысячелетие многое изменилось, появился интерес к изучению воды и различного рода явлений с ее участием. Методы уравнений начали заменяться программным обеспечением и становились все более систематизированными и автоматизированными. Диаграммы, наряду с формулами, являются наиболее важными способами детального и точного изучения процессов.
При перегреве при давлении, имеющемся в данную минуту, в момент появления сухого насыщенного пара объем и температура увеличиваются. Перегретый пар – это пар, температура которого превышает точку кипения.
Уравнение Клайперона – Клазиуса
Еще одно применимое уравнение для разных агрегатных состояний. Чаще употребление относится к процессам перехода воды в парообразное состояние, но и при переходе твердого тела в жидкость уравнение уместно. Клейперон разработал определенную зависимость между температурой пара, объемом и теплотой в 1834 году, в честь чего уравнение было названо так. Его используют для определения теплоты плавления, сублимации и парообразования. Например, цикл Карно признан одним из методов решения такого уравнения. Цикл определяется как abcd, где давление dp, а температура dT. Насыщение будет определяться как ab и cd или как изобарное и изотермическое. Если поместить точку а на нижнюю границу кривой, а точку b на верхнюю, то КПД цикла будет рассчитываться по следующей формуле nt=dl/ql=T1-T2/T1.
Водяной пар, как газообразное состояние воды, имеет свои свойства и применим в различных областях, рассчитывается с помощью формул, диаграмм и уравнений. Превращение водяного пара в другие агрегатные состояния – увлекательный и интересный процесс, который также существует в природе и изучается в школах и высших учебных заведениях.
