Конденсация - удивительное явление природы, которое происходит повсеместно вокруг нас. Давайте разберемся, что это такое, почему возникает конденсация и как рассчитать тепловые эффекты при этом процессе.
Что такое конденсация и когда она происходит
Конденсация - это процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое. Например, капли росы на траве, иней на окнах, туман над озером - все эти явления объясняются конденсацией.
Конденса́ция паров (лат. condense «накопляю, уплотняю, сгущаю») — переход вещества в жидкое или твердое [1] состояние из парообразного (обратный последнему процессу называется сублимация).
Чтобы началась конденсация пара, необходимо выполнение двух условий:
- Пар должен быть насыщенным, то есть находиться в состоянии динамического равновесия с жидкостью
- Температура пара или окружающей среды должна быть ниже температуры насыщения
Конденсация может происходить:
- В объеме - образование тумана, дождя
- На поверхности - образование росы, инея на окнах
конденсация формула (1 раз) - процесс, широко используемый в промышленности и технике при работе теплообменников, холодильников, конденсаторов и др.
Механизм конденсации на молекулярном уровне
Чтобы понять, как происходит конденсация, нужно разобраться в молекулярном строении вещества.
Жидкость состоит из хаотично движущихся молекул, связанных силами межмолекулярного взаимодействия. При нагревании скорость движения молекул увеличивается, и некоторые из них приобретают достаточную энергию, чтобы преодолеть силы притяжения и покинуть поверхность.
| Т = 78°C | Молекулы активно движутся и начинают покидать поверхность жидкости |
| Т = 100°C | Интенсивное испарение молекул. Образуется насыщенный водяной пар |
При понижении температуры или контакте с холодной поверхностью происходит обратный процесс - молекулы теряют скорость и возвращаются в жидкую фазу. Это и есть конденсация.
Конденсация в замкнутом и открытом пространстве
Процесс конденсации может существенно различаться в зависимости от того, происходит ли он в замкнутом объеме или на открытой поверхности.
Рассмотрим конденсацию в закрытом сосуде. Если в кастрюле кипит вода, то под крышкой скапливается горячий насыщенный пар. Когда мы приоткрываем крышку, пар встречается с более холодным воздухом кухни и частично конденсируется - образуются видимые капли.
На открытой поверхности конденсация тоже активно идет - так появляется роса на траве, иней на стекле. Особенности процесса в трубах теплообменников мы рассмотрим в следующей главе.
Таким образом, конденсация может протекать как в объеме вещества, так и на поверхности раздела фаз.
Формула для расчета теплоты конденсации
конденсация формула (2 раза) При конденсации газообразное вещество переходит в жидкое состояние, что сопровождается выделением энергии. Количество выделившейся теплоты можно рассчитать по формуле:
Q = m * r
где:
- Q - количество теплоты при конденсации, Дж
- m - масса сконденсировавшегося вещества, кг
- r - удельная теплота конденсации, Дж/кг
Например, при конденсации 5 кг водяного пара с удельной теплотой конденсации 2,3·106 Дж/кг выделится теплота:
Q = 5 кг * 2,3·106 Дж/кг = 1,15·107 Дж
Для пара других веществ, таких как фреон, аммиак и т.д. значения удельной теплоты конденсации будут другими.
формула конденсации пара (1 раз) Таким образом, зная характеристики конденсируемого вещества и его количество, можно рассчитать тепловой эффект от конденсации.
Формула для расчета теплоты конденсации
конденсация формула (3 раза) Для более точного расчета теплового эффекта при конденсации можно воспользоваться следующей формулой:
Q = m * (h1 - h2)
где h1 и h2 - энтальпия пара до и после конденсации.
Энтальпия зависит от давления и температуры, поэтому для более точного расчета нужно знать параметры состояния пара.
Влияние давления на теплоту конденсации
Чем выше давление, тем больше выделяется теплоты при конденсации. Это связано с тем, что при высоком давлении у пара меньший удельный объем:
- при атмосферном давлении удельный объем 1 м3/кг;
- при давлении 10 атмосфер - 0,1 м3/кг.
Соответственно, чем меньше удельный объем, тем больше энергии выделяется при сжатии пара в жидкость.
Зависимость от температуры конденсации
количество теплоты при конденсации формула (1 раз) Чем ниже температура конденсации, тем меньше теплоты выделяется в единицу массы конденсируемого пара:
| t = 100°C | r = 2257 кДж/кг |
| t = 60°C | r = 1997 кДж/кг |
Поэтому в промышленных конденсаторах стремятся понизить температуру конденсации для увеличения эффективности теплообмена.
Особые случаи конденсации
Рассмотрим несколько особых случаев конденсации, отличающихся от классического определения.
Если в системе присутствует пересыщенный пар с температурой выше точки росы, то при попадании в эту среду пылевых частиц или ионизированных молекул может произойти взрывное образование капель - так называемая капиллярная конденсация.
Влияние примесей на конденсацию
На процесс конденсации существенно влияет наличие в паре даже небольшого количества неконденсирующихся газов. Например, воздух, инертные газы и др.
После конденсации чистого пара газообразные примеси скапливаются возле поверхности теплообмена, образуя изолирующий слой и препятствуя дальнейшей конденсации. Этот эффект очень силен:
- 1% воздуха - теплоотдача падает в 2,5 раза;
- 2% воздуха - более чем в 3 раза.
Влияние шероховатости поверхности
На интенсивность теплоотдачи при конденсации влияет также шероховатость поверхности теплообмена.
На очень гладкой поверхности пленка конденсата получается более плотной и менее теплопроводной. Поэтому для увеличения теплоотдачи применяют поверхности со специальной шероховатостью.
Конденсация в капиллярах
Особенности конденсации наблюдаются на поверхностях с капиллярно-пористой структурой (волокна, порошки, ткани). Благодаря капиллярным силам конденсация here идет при давлениях ниже равновесного.
Этот эффект используется, например, в паро- и влагоотделителях различного оборудования.
Скорость образования жидкой фазы при конденсации зависит от температуры, давления, ориентации поверхности и ряда других факторов. Рассмотрим влияние различных параметров на кинетику процесса.
